环形螺旋桨：空气和水中的降噪游戏规则改变者

这些扭曲环形螺旋桨看起来形状非常奇特，但是，它们却是航空和海洋领域的革命性技术进步。它们在空气和水中都比传统的螺旋桨安静得多，而且效率也有了巨大的提高。

上图：环形螺旋桨：一种更安静、更高效的设计，当换成船用发动机时，可将燃油经济性提高20%。

螺旋桨的设计目的是携带流体，通常是空气或水，并利用旋转运动推动流体通过。从某种意义上说，它们是从阿基米德的螺丝钉进化而来的，实际上，阿基米德在公元前234年描述它之前，古埃及人可能已经使用了数千年。

然而，对于设计为旋转的设备，在很长一段时间里，几乎没有革命性的设计变化；螺旋桨驱动的飞机仍然使用扭曲的翼型叶片，设计类似于2400年前中国孩子们享受的竹蜻蜓，与莱特兄弟1903年在风洞中开发的木制螺旋桨相比，效率的提高只是微乎其微。船只仍然使用螺旋式螺旋桨，这种螺旋桨的变体可以追溯到17世纪。

上图：麻省理工学院的超静音3D打印环形推进器安装在商用无人机上进行测试。

现在，我们很惊喜地发现，有几个研发团队声称，他们使用了一种明显不同的形状，在空气和水中都显示出了显著的优势 —— 具体来说，奇怪的扭曲环形结构，这不仅比传统设计安静得多，而且效率更高，尤其是在海洋空间，它们可能标志着一个深远的飞跃。

一个潜在的游戏规则改变者

多旋翼螺旋桨的一个关键问题是它们令人讨厌的噪音，通常被描述为“呜呜声”，因为其中大部分噪音与婴儿哭声的频率范围相同。人类对100赫兹到5千赫之间的声音最为敏感。这在进化上是有道理的；这是我们听到元音的地方，这是口头交流的关键。但这是一个关键问题，如果多旋翼直升机要发挥它们的潜力，让我们的天空充满快速、廉价、清洁的空中运输服务。居民和立法者可不想给城市生活增添更多烦人的噪音。

麻省理工学院林肯实验室（MIT’s Lincoln Laboratory）的一个研究团队正在研究一架无声的离子推进飞机，他们发现自己想知道，是否可以用不同形状的螺旋桨来减轻多旋翼的螺旋桨噪音。

林肯实验室结构和热流体工程小组的高级工作人员托马斯·塞巴斯蒂安（Thomas Sebastian）博士说：“众所周知，螺旋桨的声音相当大。我们可以看看翅膀是如何工作的。当人们在20世纪初和二战期间想出各种疯狂的飞机想法时，有一些设计基本上就是这些环形机翼。所以我想知道，如果你把一个环形机翼变成一个螺旋桨，会是什么样子。”

塞巴斯蒂安继续说：“我们提出了这个最初的概念，使用一个环形形状的机翼，希望能制造一个更安静的螺旋桨。我有一个非常出色的实习生，他负责这个想法。他利用这个概念，用3D打印机创造了一系列迭代。”

经过几次尝试，该团队确实发现了一种设计，不仅在给定推力水平下降低了总体噪音水平，而且特别是在1-5千赫范围内降低了噪音。

上图：最大的噪音降低发生在人们想要的地方：在1-5 kHz频率范围内。

除此之外，它们听起来更像是一阵疾风，而不是螺旋桨，发出的声音要少得多。有趣的是，根据该团队的说法，运行这些桨叶的无人机发出的声音水平，与普通无人机的噪音水平大致相当，但噪音传播距离大约只有普通无人机传播距离的一半。

塞巴斯蒂安说：“我们认为让螺旋桨更安静的关键是，现在螺旋桨产生的涡流分布在整个形状上，而不仅仅是在尖端。这使得它在大气中有效地更快地消散。那个漩涡不会传播太远，所以你不太可能听到它。”

螺旋桨噪音可以通过在桨叶路径周围放置声波处理环来解决，从安全角度来看，这也可以作为桨叶的保护。但这些会增加寄生质量，降低电池寿命，而且在室外情况下还会受到风的影响，使无人机更难保持稳定。

研究小组分析了这些外形怪异的环形桨叶，看看是否会影响推力效率。显然并非如此：该团队表现最好的B160设计不仅在给定的推力水平下比他们测试的最好的标准螺旋桨更安静，而且在给定的功率水平下产生的推力也更大 —— 考虑到标准桨叶已经有一个多世纪的发展历史，而且这些环形螺旋桨还处于非常早期的阶段，还需要进行大量的优化，这已经是非常了不起的。

上图：虽然麻省理工学院的团队没有花太多时间来优化这些看起来怪异的桨叶以提高效率，但在给定的功率水平下，它们已经产生了比标准DJI螺旋桨更大的推力。

更重要的是，它们的环形形状不仅增加了结构的稳定性，还减少了桨叶切割、剪切或碰到物体的几率。但谁也不希望被它们打自己的脸，所以，未来可能还会有轻微的安全改进。

就缺点而言，这些桨叶的形状相当复杂，所以它们比使用廉价而简单的注塑成型的标准桨叶更难制造。它们可能就是你需要3D打印出来的那种东西。但即使它们的价格是螺旋桨的两倍或三倍，它们也是无人机的低成本部分，对你钱包的整体影响可能不会那么大。

目前，还不清楚这样的设计是否适用于更大范围，以取代固定翼飞机上的传统螺旋桨，或者取代电动垂直起降空中出租车的桨叶。后者似乎已经比直升机安静得多，但如果它们最终以快速、廉价、绿色的航空运输覆盖城市空域，那么当涉及到公众和监管机构的阻力时，每一分贝的噪音都会产生影响。真正的问题是，这些更大的桨叶会在音频频谱中占据什么样的频率，以及环形桨叶是否会将噪音转向对人类友好的方向。

该团队已经为该设计申请了专利，虽然目前还不清楚是否有将其商业化的计划，但麻省理工学院似乎准备将其授权给感兴趣的制造商。

在水中更有优势

无人机和航空是一回事，但空气动力学和流体动力学是密切相关的，事实证明，在海洋领域已经有一种接近生产的产品采用了非常相似的方法。

上图：Sharrow的一系列舷外发动机的环形螺旋桨：价格昂贵，但其声称，好处是非凡的。

Sharrow Marine 公司已经从使用环形环而非标准叶片的船用螺旋桨中获得了惊人的结果。经过几年的发展，该公司现在已经在数百个标准螺旋桨上测试了其桨叶，其差异令人难以置信。Sharrow Marine 的桨叶根本不会产生叶尖涡流 —— 这是能量损失的主要来源，也是舷外发动机整体噪音中的一个令人惊讶的大头。

环形桨叶极大地减少了从螺旋桨两侧“滑出”而不是被推进的液体量，它能吸进更多的水，每转一圈就能让船向前推进一步。它们通常会使船在中低转速时的速度提高一倍，从根本上拓宽了引擎的有效转速范围。而且，它们还能减少大约20%的燃料消耗 —— 考虑到螺旋桨驱动船只的巨大能源需求和行业规模，这是一件非常了不起的事情。

Sharrow Marine 表示，他们有一个有趣的效果，那就是大大减少了船只在加速时向后倾斜的倾向；相反，整个船在保持更高水平的情况下浮出水面。最重要的是，对噪音的影响是绝对深刻的。

事实上，该公司表示，这是一种螺旋桨，你可以或多或少地安装在任何舷外发动机上，然后以30英里/小时（48公里/小时）的速度飞驰，安静得足以让你在船上交谈而不用提高声音。

上图：在中等转速的水中，效率的提高是夸张的，它填补了船只加速曲线中的一个明显漏洞，节省了大量能量。

Sharrow 已经在销售其环形桨叶，这是一种经过数控加工的桨叶，可以安装大多数主要制造商的各种常见舷外机。这里的缺点是价格；无论哪种型号，它们的价格都是4999美元一颗，而普通螺旋桨的价格可能不到500美元。但同样，这只是许多船只总成本中相当小的一部分，考虑到它们对燃料的贪婪需求，这笔支出可能会在短期内收回成本，同时让船上的人、旁观者和水下海洋生物的航行更加舒适。

在能源转型的时代，这些东西对任何制造电气化船只的人来说都是非常感兴趣的，从5000美元的配件中增加20%的航程，绝对是件不需要动脑筋的事情。

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