无人机结冰问题：冰层堆积对螺旋桨性能影响的实验研究 尼古拉斯·卡洛·穆勒（Nicolas Carlo Müller）、 埃里克·维伦纽夫（Eric Villeneuve） 理查德·汉恩（Richard Hann）

《Drones》：UAV Icing: Experimental Characterization of the Performance Impact of Ice Accretion on a Propeller Nicolas Carlo Müller, Eric Villeneuve and Richard Hann

本研究分析寒冷气候中无人机螺旋桨结冰性能衰减，测试0.53米直径螺旋桨在不同冰晶直径（20、40、60 μm）、含水量（0.28、1.12 g/m3）及低温（-5、-10、-15°C）下的性能变化，发现冰晶直径和含水量显著影响推力，最大下降120%，-5°C时性能衰减最严重，需验证数值预测方法。

　　

摘要

冰的积累对在寒冷气候中运行的无人机（UAV）构成了重大威胁。本研究分析了在结冰风洞中，直径为0.53米的螺旋桨因结冰而导致的性能下降情况。实验测试了三种不同直径的液滴（20微米、40微米和60微米），以及三种不同的液态水含量（分别为0.28克/立方米和1.12克/立方米），同时考虑了-5°C、-10°C和-15°C三种温度条件。此外，还测量了旋转速度变化对螺旋桨性能的影响。结果表明，液滴直径对螺旋桨性能的影响最为显著：当液滴直径从20微米增加到40微米时，螺旋桨的性能显著下降。在结冰1分钟后，使用20微米液滴的螺旋桨推力减少了25%；而使用40微米液滴的螺旋桨推力减少了100%，使用60微米液滴的螺旋桨推力减少了120%，这意味着螺旋桨此时不再产生推力，反而产生了阻力。温度也会影响螺旋桨的性能，在-5°C时性能下降最为明显，且随着温度的降低，性能下降的程度有所减轻。分析性能影响是关键步骤，有助于在结冰条件下部署无人机，因为这能识别出对无人机螺旋桨性能最为不利的环境条件。研究显示，最恶劣的条件出现在-5°C时，且液滴直径和液态水含量的增加会导致更严重的结冰现象。这些结果提示未来需要进一步分析不同结冰风洞中螺旋桨的性能影响，并验证用于预测无人机螺旋桨性能下降的数值方法的有效性。