什么是 “环形”螺旋桨，它能改变无人机的未来吗？

自1903年莱特（Wright）兄弟首次进行动力飞行以来，传统螺旋桨的基本结构没有发生过根本性改变。随着工程师对空气动力学的了解越来越深入、新实验的不断进行，螺旋桨形状正在向更复杂的方向发展，时至今日螺旋浆具有多叶片、大掠角、带叶梢装置等特点，可在不同条件下优化其性能。

图1.    环形螺旋桨（toroidal propeller）
（图片来源：  Glen Cooper/MIT）

螺旋桨技术的最新进展是“环形”（toroida）螺旋桨，即螺旋桨的形状是环形的，叶片相互环绕。最近的一些文章和视频一直在炒作“环形螺旋桨”的技术进步，其“革命性”究竟有多大有待商榷。

2017年，麻省理工学院（MIT）的研究人员为环形螺旋桨申请了专利，称这项发明比传统的螺旋桨效率更高，噪音更小。

巧合的是，早在2012年，美国工程公司Sharrow Marine也开发了一种用于船只的环形螺旋桨，证明了它比传统的船用螺旋桨更高效、更安静。

（a）

（b）
图2.    Sharrow Marine公司的船用环形螺旋桨
（图片来自网络）

环形螺旋桨最大限度地减少了发生在螺旋桨叶梢涡流（空气、水或其它流体的螺旋运动）的强度，因此噪声更小。环形螺旋桨叶片下方有一个高压区域，上方有一个低压区域。当高压空气从叶片下方移动到其上方的低压区域时，环形螺旋桨会以涡漩（vortex）的形式运动。涡漩并不是螺旋桨叶片所独有的，它本质上是旋转的机翼。飞机的机翼也会经历涡漩，工程师们已经对翼梢装置进行了大量的研究，尽量减少这种影响。

图3.    飞机翼梢涡流示意图     

（图片来源：The Conversation）

使用环形螺旋桨这种闭环结构是减少梢涡的一种方法。螺旋桨的基本形状自发明以来一直保持不变，但目前许多新型螺旋桨叶型设计也已出现，为了测试这些新型设计，工程师需要进行相关研究，其中一些应用在提高直升机叶片和无人机的效率、减少噪声方面的研究已经完成了测试。

了解螺旋桨的几何形状必须针对特定的“工作包线”进行优化，这关系到螺旋桨工作的流体或空气的特性、转速、前进速度和其他细节。在这个包线之外，螺旋桨可能会表现不佳。

迄今为止，还没有人能够找到一种在所有工作条件和尺度下都能实现低噪声和高效率的螺旋桨几何形状。从目前稀少的成果来看，环形螺旋桨也不例外，其优势还未完全量化。

图4.   MIT 2017年专利的插图。

5A为常规螺旋桨，5B为环形螺旋桨。
（图片来源：US Patent US10836466B2 ）

如果我们将设计优良的环面螺旋桨与设计不佳的传统螺旋桨进行比较，会发现两者的性能有显著提高，但这种比较并不合理。设计优良的环形螺旋桨可能在特定工作条件下具有优势，例如在稠密流体或特定的速度范围内。在相同条件下，环形螺旋桨与设计良好的传统螺旋桨相比有何优势，这仍是个问题，因为改进后的优势总是相对于基准（benchmark）而言的——而基准可能不是最有效的设计出发点。

将环形螺旋桨在相同推力下与不同螺旋桨进行比较似乎是比较合理的，只有这样，我们才能看到螺旋桨在减少噪音和驱动螺旋桨所需能量方面的真正优势,但目前还没有相关文献。

MIT今年早些时候宣布环形螺旋桨赢得了MIT林肯实验室（Lincoln Laboratory）2022年100项研发大奖之一，引起了极大反响。3D打印的环形螺旋桨的实验已经广泛展开，但并非所有的实验都取得了理想的结果。

实验结果不理想可能是螺旋桨几何结构未经优化以及公众进行某些实验时缺乏科学严谨性所致，这就为科学界提供了一个契机，优化和评估环形螺旋桨和传统螺旋桨，以提高其性能。此前科学家已经展开了部分优化研究，其中一些科学家甚至使用机器学习技术来识别适合螺旋桨的几何形状。工程师们也将人类对声音的感知方式纳入设计过程，最大限度降低螺旋桨的噪声。

图5.    MIT林肯实验室的实验表明，环形旋桨可以降低1-5 kHz范围内的噪声水平。     

（图片来自网络）

环形螺旋桨缺点也十分明显，一是其几何形状过于复杂，大规模生产难以进行，生产成本也因此居高不下。制造环形螺旋桨还需特别小心，以减少高速旋转时产生的振动，这也导致了制造成本的增加。二是无人机使用环形螺旋桨时，尤其是在大风和湍流条件下（如大风天气）飞行，较重的重量会影响无人机的响应速度和稳定性。

总之，在某些特定情况下，环形螺旋桨设计具有优势，但目前还没有一种螺旋桨的设计适合所有情况。虽然环形螺旋桨噪声更小，但它还不能完全取代传统螺旋桨。