NASA多旋翼无人机风洞测试：两轮试验如何测出性能、变形与旋翼干扰

NASA 旋翼飞行器研究 · 课题 06

NASA 多旋翼无人航空系统风洞性能测试。 图片来源：NASA。

01 / 两轮风洞试验，测量多旋翼真实性能

NASA 开展了两轮风洞试验，目的是测量多种多旋翼无人航空系统（UAS）飞行器的性能。试验在位于 NASA 艾姆斯研究中心的美国陆军 7 英尺 × 10 英尺风洞内进行。

第一轮试验于 2015 年末进行，由三个 NASA 航空研究项目共同支持：融合航空解决方案（CAS）项目下的 DELIVER（新型垂直升力设计环境）、革命性垂直升力技术（RVLT），以及无人航空系统交通管理（UTM）。第二轮试验于 2017 年初进行，继续获得 DELIVER 和 RVLT 支持，并新增美国陆军先进设计办公室参与。

02 / 测什么：力、力矩与电功率

多旋翼 UAS 试验采集的关键数据，包括随飞行器姿态、旋翼转速和风速变化的力、力矩与电功率。力和力矩使用低成本六轴载荷传感器测量。通常，这类测试会采用精度更高的尾撑式天平，但在 2015 年试验之前，对载荷预测存在较大不确定性。

为避免损坏昂贵的尾撑式天平，团队选择了成本更低的载荷传感器。虽然精度稍有降低，数据质量仍然很好，变化趋势平滑，测量点具有良好的重复性。

03 / 如何安装，以及测试到什么范围？

模型通过可互换的接口板连接到载荷传感器上，以便快速更换模型。除一个模型外，其余模型均以 90° 滚转角安装在刚性尾撑上，从而利用风洞转台控制俯仰角，并可在不降低风洞风速的情况下改变俯仰角。偏航角则通过载荷传感器与尾撑之间的接口管手动调整。

测试风速最高达到 80 英尺／秒（55 英里／小时），但大部分试验在 20 和 40 英尺／秒下进行。俯仰角范围为 −40° 至 +40°，偏航角范围为 0° 至 90°。

04 / 2015 年：五款飞行器的性能数据

2015 年共测试了五款飞行器：四款四旋翼——3DR SOLO、3DR Iris+、DJI Phantom 3 和 Straight Up Imaging Endurance——以及一款 Drone America DAx8 八旋翼。飞行器的最大重量约为 3 至 20 磅。

2015 年试验获取的数据已公开。已有多家机构将其用于气动预测工具的验证。

05 / 2017 年：进一步研究振动、变形与干扰

第一轮多旋翼 UAS 试验取得成功后，又产生了一些无法在 2015 年风洞试验中回答的研究问题。2017 年试验的目标之一，就是解决其中一部分，尤其是振动、桨叶变形和旋翼间干扰。新增测量包括：

• 振动：利用安装在飞行器下方的载荷传感器测量。

• 桨叶变形：利用立体摄影测量系统测量。

• 旋翼间干扰：在风洞内的飞行器上，每次只安装一副或两副旋翼，以间接测量其影响。

测试对象包括 2015 年试验中的 DJI Phantom 3 和 Straight Up Imaging Endurance。此外，还测试了一种旋翼重叠布置的四旋翼模型、一种倾转机翼模型，以及若干孤立旋翼。

06 / 用试验数据，改进预测工具与飞行器设计

这些多旋翼 UAS 试验提供了大量数据，用于改进此类飞行器的预测工具。最终，预测工具的改进将促进更好的 UAS 设计，使飞行器的性能能力得到拓展。

07 / Recent Publications

联系人

Carl Russell · NASA Ames Research Center

Moffett Field CA 94035-1000

来源

NASA Ames Research Center — Multicopter UAS Performance Test

https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Research/Programs/UAS_Performance_Test.html