肯特州立大学的 Kendy Edmonds 和 Blake Stringer 博士在其引人入胜的研究论文中探讨了当前小型无人驾驶航空器（sUAS）推进方式的可扩展性：无人垂直起降飞行器推进器研究——四旋翼旋翼-电机配置在 sUAS 范围之外的可扩展性。
扩大四旋翼无人机规模的优势显而易见：更大的载荷、更远的航程、更长的悬停时间等。然而，大型多旋翼无人机的测试和制造成本更高，因此人们往往倾向于先测试小型版本。
虽然这是一种有效策略，但设计人员必须了解其模型的局限性。
论文探讨的主要问题之一是变速旋翼配置的瞬态响应：惯性增加会如何影响大型系统的响应时间？
他们指出，变速定距无人机与定速变距直升机在功率和机动性方面存在差异。在悬停和机动过程中，相同载荷能力的四旋翼无人机比直升机需要多消耗 27% 的功率（图 1）。
通过分析，他们得出了两个结论：“（1）随着飞行器尺寸的增大，增加旋翼直径有助于将功率需求控制在可接受范围内。（2）随着旋翼尺寸的增大，克服惯性和叶片型阻力所需的旋转功率也会随之增加。”
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图 1：悬停功率需求与重量及盘载荷的关系，以 hp（左）和 kW（右）表示
为了进一步研究变速旋翼的可扩展性，研究人员使用 RCbenchmark Series 1780 测试台对不同旋翼配置的瞬态响应进行了多次测试（图 2）。
测试了五种电机：Turnigy RotoMax 150cc、KDE Direct 10218XF105（Mega）、T-Motor P80 120kv、KDE Direct 7215XF-135（KDE）和 KDE Direct 4215XF465（Mini），以及三种不同旋翼：KDE Direct 的碳纤维三叶螺旋桨，直径 30.5 英寸，螺距 9.7 英寸；Falcon 的碳纤维双叶螺旋桨，直径和螺距分别为 27 英寸和 8.8 英寸；以及 T-Motor 制造的碳纤维双叶螺旋桨，直径和螺距分别为 15 英寸和 5.5 英寸。
图 2：使用 Series 1780 测试台的实验装置
瞬态响应实验的结果如图 3 所示。
有趣的是，他们指出，“每种旋翼-电机配置的响应差异明显大于预期”，这凸显了推进系统测试在系统设计中的重要性。
根据这些数据，他们得出了两个主要结论：1）“减速过程对旋翼-电机尺寸的敏感程度高于加速过程”，2）“应进一步研究所有输入因素的影响，以确定瞬态响应的主要输入变量。输入值的范围应尽可能宽。”
图 3：所有电机的稳定时间与转速变化的关系图
研究得出的第三个意想不到的结论与热力学有关，3）“温度和热管理是变速电机的重要考量因素，尤其是当电机尺寸不断增大，且除了旋翼气流外没有其他冷却方式时。”在实验中，当其中一个电机开始冒烟后，他们进行了后续测试，并能够表征螺旋桨停止并停止冷却后电机的温度峰值。
这表明，搭载更大电机的无人机需要热管理策略，这是制造商的重要设计考量。当扩大电机尺寸时，可用于散热的面积随尺寸的平方增加，而铜的质量则随尺寸的立方增加。
这项研究为制造商在设计大型无人机时提供了一个极佳的参考。欲了解更多关于其测试过程的细节，请阅读完整论文。
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