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少年组限时载运飞机设计系列(三十七):动

一、为什么要做动力推进仿真

系列(三十六)news-109 把全机阻力算清了:任务巡航 9.13 m/s 平飞全机阻力 3.91 N(需用 35.7 W)、43° 转弯 6.33 N(57.8 W)。但推力从哪来、油门多大、电池够不够,始终是"估算"——news-102 只给了效率 0.47 和"巡航≈38W"的锚点,从没建过真正的螺旋桨/电机模型。这一步就是把螺旋桨+电机+电池建起来,第一次用实测规格(2×2216 1250KV、12寸2叶、静推力 26.5N、1300mAh 3S)去校核 news-109 的阻力需求,并重算修正后三循环(news-108,221.8s)的能量账。

二、真实动力参数(尽量用已发布定值)

参数来源
电机2× 2216 1250KV 无刷外转子news-96 规则红线
螺旋桨12寸(0.305m)2叶news-96
静推力(单发)13.25 N(双发 26.5N)news-100/101 实测
推重比 T/W26.5 / 44.1 = 0.60news-96/100
电池1300 mAh 3S LiPo(≤200g)news-96/102
总效率 η(电机×桨)取 0.55(本文,见第八节说明)news-102 曾用 0.47,偏保守

三、螺旋桨推力模型(叶素动量 BEM)

推力系数随进距比衰减:C_T(J)=C_T0·(1−J/J0),J=V/(nD),J0=0.75。标定 C_T0 使满油门静推力=13.25N/单发(与 news-100/101 实测一致),满油门空载转速 n=KV·V=1250×11.1≈13875 RPM。诱导速度由 T=2ρA·Vi(V+Vi) 解出,轴功率=T(V+Vi)+型阻功率,电功率再除以电机效率 0.85。

飞行速度 V (m/s) 推力/单发 (N) 巡航需求 1.96 N 转弯需求 3.17 N 满油门推力-速度曲线(单发)

满油门在 9.13 m/s 仍可提供约 11 N/单发,远大于巡航 1.96N、转弯 3.17N 的需求 → 推力裕度充足。曲线在静点校验:13.25N,与实测吻合。

四、校核一:巡航与转弯动力可行性

  • 巡航工作点:需 1.95 N/单发 @9.13。BEM 模型给出对应转速约 6660 RPM(满油门的 48%),电功率约 65 W 双发。推力可用≫需求,可行。
  • 43° 转弯:需 3.16 N/单发,对应约 105 W 双发,小于爬升预算,动力可行(与 news-109 结论一致)。
  • 推重比:静推力 26.5N / 44.1N = 0.60,满足 news-96 红线 ≥0.6,单发失效、抗风均有冗余。

五、校核二:电机/电池极限

工况电功率(双发)电流@11.1V(单发)判定
巡航65 W5.8 A远低于 2216 额定(~20A+)
爬升(满油门)332 W15.0 A安全范围
转弯105 W4.7 A安全

全任务最大电流约 15.0 A/单发(爬升),电压跌落极小(3S 内阻低),无过流/过热风险。这也解释了 news-102 的直觉:0.6 推重比是"奢侈配置",绝大部分时间飞机只需极低油门。

六、校核三:三循环能量账(修正轨迹 221.8s)

按 news-108 单循环 73.9s 的九段时序,逐段用 news-109 全机阻力换算电功率(η=0.55),三循环汇总:

阶段时长 s电功率 W段耗 J段电 Wh
起飞(满载爬升) 8.0166.21329.81329.8
出段巡航(满载) 4.264.9272.4272.4
转弯① @+40m 3.1105.0325.6325.6
中段巡航(满载) 8.864.9570.8570.8
转弯② @−40m 3.1105.0325.6325.6
回段巡航(空载) 4.723.8111.8111.8
着陆(下滑) 10.015.0150.0150.0
卸货(地面) 20.08.0160.0160.0
装货(地面) 12.08.096.096.0

单循环耗电 0.93 Wh,三循环共 2.79 Wh。电池 1300mAh 3S = 14.4 Wh,按 80% 可用深度计仍有 11.5 Wh。三循环仅消耗约 19% 电量,剩余约 81%

七、与 news-102 旧能量账的对比(重要)

  • news-102 用旧航线(236.6s、直线往返)和较薄的阻力假设,给出"巡航≈38W、三循环余 84%"。本文用修正轨迹(221.8s)+ 全机阻力(news-109)重算:巡航电功率约 65 W(旧 38W 偏乐观,因旧模型未计全机寄生阻力),三循环实耗约 19% 而非 16%。
  • 结论仍然成立:即便按修正后的全机口径,1300mAh 3S 仍只用掉约 19%,电池余量充足,可减重换 1000mAh(news-102 的建议有效)。只是"余 84%"应读作"余约 81%"。

八、能耗→电压换算与带载跌落(飞行现场怎么看电量)

第六节的能量账只给了"耗 19% 容量",但现场飞手看的是电压表。LiPo 的电压和剩余容量不是线性关系——满电区电压几乎平着走,所以掉 19% 容量只掉一点点电压。下面把容量换算成电压。

项目数值说明
出发电压12.4 V(4.13 V/芯)静置满电,约 87% 绝对 SoC(4.20 V/芯为 100%)
三轮耗电2.79 Wh ≈ 19.3% 标称容量来自第六节能量账
落点 SoC约 68%87% − 19.3% = 67.7%
落地静置电压≈12.0–12.3 V(4.0 V/芯)不同基准算法均落此区间
剩余电量约 80%远未触及可用下限
剩余电量 SoC (%) 电池电压 (V) 建议降落线 11.1V 危险线 10.5V 出发 12.4V 三轮后 ≈12.0V

按典型 3S LiPo 放电曲线,三轮飞完电池约降到 12.0–12.3V(≈4.0V/芯),剩余约 80% 电量,仍远高于 11.1V(3.7V/芯,建议降落线)与 10.5V(3.5V/芯,危险线),安全裕度很大。

带载跌落(现场读数的关键提醒)

上面是落地静置后的电压。飞行中带载时电压会被拉低:满载转弯瞬间可能跌到 11.7–11.9V,一停桨立刻回弹到 12.0V 以上。所以现场判读只需一条规则:落地静置后电压 ≥ 11.1V 即完全安全——而本机三循环后静压仍在 12.0V 起步。换言之,按当前设计三轮根本用不掉多少电,余量足以支持减重换 1000mAh 电池(news-102 的建议仍然成立)。

九、结论与待实测

  • 螺旋桨 BEM 模型在静点校验通过(13.25N/单发),推力裕度充足:巡航仅需约 48% 油门、转弯动力可行、T/W=0.60 满足红线。
  • 修正三循环能量账:1300mAh 3S 余约 81%,电池无压力,可减重。
  • 估算/假设项:①总效率 η 取 0.55(news-102 的 0.47 偏保守;真实值需台架推力曲线坐实);②旧文"23%油门"是按 PWM 手感/旧薄阻力估算,与本文按全机阻力算出的 ~48% 转速(≈65W 双发、2.9A)并不一致;真实油门%需实飞遥测确认,但"巡航电功率很低、余量充足"这一点是确定的;③起飞/着陆段功率按估算(地面段电机停机仅留航电)。
  • 下一步建议:台架推力-转速-电流实测替换 BEM 的 C_T0/C_P 标定,并把转弯瞬态、散装倒仓 CG 跳变配平纳入(见仿真覆盖矩阵 P0)。

方法复用:全机阻力取自 news-109;时序取自 news-108;静推力/电机规格取自 news-96/100/102。本文为系列(三十七)·动力推进仿真。

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