在無人機技術快速發展的當下，雙電機與共軸推進系統憑借其獨特優勢，成為眾多無人機設計的熱門選擇。這類系統將兩個旋翼置于同一旋轉軸線，使其以相反方向運轉，不過在設計過程中，需綜合考慮相對螺旋槳尺寸、轉速以及旋翼間距等多個變量，才能實現無人機在拉力、扭矩和效率方面的最優性能。

近期，一項針對雙電機和同軸旋翼配置的研究圓滿完成。該研究聚焦于旋翼轉速、旋翼間距、螺旋槳尺寸以及相對旋翼轉速等因素對無人機性能的影響。研究團隊期望通過深入探究這些變量之間的關系，為無人機設計人員提供有價值的參考，助力他們打造出更高效、性能更優的無人機。

此次研究的核心在于共軸測試期間旋翼間的物理相互作用，尤其關注前旋翼對后旋翼的影響，并詳細量化了旋翼間距、轉速和螺旋槳直徑等因素產生的作用。在測試過程中，研究團隊選用了兩臺 Flight Stand 50 動力測試臺。這款設備功能強大，能夠測量高達 50kgf 的拉力和 30Nm 的扭矩，同時還可測量轉速、電壓、電流、機械功率、電功率、螺旋槳效率、電機效率和整體系統效率等多項參數。其配套的 Flight Stand 軟件可實現對拉力測試臺的控制，支持同時測試多達 8 個動力系統，并且允許研究人員遠程操作測試臺，確保與旋轉的螺旋槳保持安全距離。

在共軸測試時，兩臺 Flight Stand 背靠背放置在軌道上，每個測試臺的力測量單元上都安裝了一個無刷電機和螺旋槳。兩個螺旋槳設置為反向旋轉，這樣兩個電機的扭矩能夠相互補償，使結構保持平衡。在無人機實際應用中，這種共軸設置有助于避免飛行過程中因扭矩引起的垂直軸向旋轉。后螺旋槳采用倒置安裝方式，以確保其產生的氣流方向與前螺旋槳一致。在改變旋翼間距的測試中，距離通過測量兩個力測量單元之間的間距來確定。

研究首先聚焦于轉速和旋翼間距對后方旋翼 2 產生的推力和扭矩的影響。由于旋翼 2 直接處于旋翼 1 產生的氣流中，其性能必然會受到旋翼 1 的影響。在第一組測試中，旋翼 1 分別以 1600 轉/分和 2200 轉/分兩種不同轉速運行，同時還在 10、30、50 和 70 毫米四種不同間距下重復進行測試。測試結果顯示，旋翼 1 轉速為 2200 轉/分時，在所有間距和旋翼 2 轉速條件下，旋翼 2 的拉力均低于旋翼 1 轉速為 1600 轉/分時的情況。扭矩的變化趨勢與拉力類似，旋翼 1 轉速為 2200 轉/分時，旋翼 2 的扭矩也相對較低。值得注意的是，旋翼間距對旋翼 2 產生的拉力影響并不顯著。由此可以得出，前旋翼轉速的增加會降低后旋翼產生的拉力和扭矩。

隨后，研究團隊探究了改變后螺旋槳尺寸（直徑）對其拉力和扭矩的影響。此次測試選用了兩種不同尺寸的后螺旋槳，分別為 40 英寸（與前螺旋槳尺寸相同）和 47 英寸。在實際應用中，無人機制造商常采用共軸設計，因為這種設計能夠提供高拉力密度，使飛行器在保持緊湊體型的同時，能夠承載更重的負載。不過，這種設計在大型垂直起降或電動垂直起降飛行器中并不常見，主要原因是其效率相對較低。對于需要長距離飛行的大型飛行器而言，這種效率損失是一個明顯的缺點，因此共軸設計更多應用于小型無人機，以滿足其對緊湊尺寸和最大拉力的需求。在本次測試中，旋翼 2 轉速發生變化，而力測量單元之間的間距保持恒定為 20 毫米。測試結果表明，在旋翼 1 和旋翼 2 的所有轉速下，47 英寸螺旋槳產生的拉力均大于 40 英寸螺旋槳。同時，隨著旋翼 1 轉速從 1600 轉/分增加到 2200 轉/分，旋翼 2 的拉力均出現下降，扭矩也有類似的變化趨勢。而且，對于 47 英寸后螺旋槳，拉力下降的幅度更為明顯，這體現在 1600 轉/分和 2200 轉/分轉速下拉力數據點之間的差距更大。

針對這一現象，研究團隊提出了兩個假設。假設一認為，前螺旋槳產生的氣流會對后螺旋槳施加一個與旋翼 1 拉力方向相反的阻力負載，該負載會從記錄的原始拉力值中扣除。假設二指出，旋翼 1 產生的湍流會誘導阻力，從而抵消旋翼 2 產生的拉力和扭矩。當給旋翼 1 加油門使其旋轉，而旋翼 2 未加油門時，會出現風車效應，這表明存在這種阻力。旋翼 1 旋轉速度越快，產生的阻力就越大，觀察到的拉力損失也就越顯著。當前旋翼加油門旋轉時，后螺旋槳會在沒有油門輸入的情況下轉動，此時扭矩為負值，因為測量到的是電機中的阻力扭矩，它試圖制動螺旋槳的旋轉，這是由旋翼 1 氣流產生的阻力誘導的。這種反應在沒有電力輸入時也能看到，旋翼 2 會自轉，變成一種風力渦輪機。

螺旋槳效率是衡量旋翼性能的關鍵指標之一，它反映了相對于輸入功率所產生的拉力大小。其計算公式為產生的拉力除以螺旋槳的機械功率（螺旋槳轉速乘以扭矩）。研究團隊進一步研究了螺旋槳效率隨轉速和旋翼間距的變化情況。在測試中，旋翼 2 的轉速分別設定為 1200、1400、1600、1800、2000 和 2200 轉/分，并根據這些數據點繪制曲線。測試結果顯示，曲線分為兩組，由旋翼 1 的轉速區分。在所有旋翼 2 轉速和間距下，當旋翼 1 轉速更高（2200 轉/分）時，旋翼 2 具有更高的螺旋槳效率。對于旋翼 1 以 2200 轉/分旋轉的曲線，在旋翼 2 的整個轉速范圍內，螺旋槳效率持續下降。當旋翼 1 轉速為 1600 轉/分時，旋翼 2 效率在轉速達到約 1450 轉/分時先上升并達到峰值，隨后逐漸下降，與另一組較高旋翼 1 轉速的曲線平行。在高速下，旋翼間距對旋翼 2 螺旋槳效率的影響較小。在旋翼 1 和旋翼 2 都處于低速時，較小的間距與組內較高的效率相關聯，這種差異在旋翼 1 和旋翼 2 轉速都較低時更為明顯，當旋翼 2 轉速在約 1750 轉/分及以下時，這種效應開始顯現。