在无人机技术快速发展的当下，双电机与共轴推进系统凭借其独特优势，成为众多无人机设计的热门选择。这类系统将两个旋翼置于同一旋转轴线，使其以相反方向运转，不过在设计过程中，需综合考虑相对螺旋桨尺寸、转速以及旋翼间距等多个变量，才能实现无人机在拉力、扭矩和效率方面的最优性能。
近期，一项针对双电机和同轴旋翼配置的研究圆满完成。该研究聚焦于旋翼转速、旋翼间距、螺旋桨尺寸以及相对旋翼转速等因素对无人机性能的影响。研究团队期望通过深入探究这些变量之间的关系，为无人机设计人员提供有价值的参考，助力他们打造出更高效、性能更优的无人机。
此次研究的核心在于共轴测试期间旋翼间的物理相互作用，尤其关注前旋翼对后旋翼的影响，并详细量化了旋翼间距、转速和螺旋桨直径等因素产生的作用。在测试过程中，研究团队选用了两台 Flight Stand 50 动力测试台。这款设备功能强大，能够测量高达 50kgf 的拉力和 30Nm 的扭矩，同时还可测量转速、电压、电流、机械功率、电功率、螺旋桨效率、电机效率和整体系统效率等多项参数。其配套的 Flight Stand 软件可实现对拉力测试台的控制，支持同时测试多达 8 个动力系统，并且允许研究人员远程操作测试台，确保与旋转的螺旋桨保持安全距离。
在共轴测试时，两台 Flight Stand 背靠背放置在轨道上，每个测试台的力测量单元上都安装了一个无刷电机和螺旋桨。两个螺旋桨设置为反向旋转，这样两个电机的扭矩能够相互补偿，使结构保持平衡。在无人机实际应用中，这种共轴设置有助于避免飞行过程中因扭矩引起的垂直轴向旋转。后螺旋桨采用倒置安装方式，以确保其产生的气流方向与前螺旋桨一致。在改变旋翼间距的测试中，距离通过测量两个力测量单元之间的间距来确定。
研究首先聚焦于转速和旋翼间距对后方旋翼 2 产生的推力和扭矩的影响。由于旋翼 2 直接处于旋翼 1 产生的气流中，其性能必然会受到旋翼 1 的影响。在第一组测试中，旋翼 1 分别以 1600 转/分和 2200 转/分两种不同转速运行，同时还在 10、30、50 和 70 毫米四种不同间距下重复进行测试。测试结果显示，旋翼 1 转速为 2200 转/分时，在所有间距和旋翼 2 转速条件下，旋翼 2 的拉力均低于旋翼 1 转速为 1600 转/分时的情况。扭矩的变化趋势与拉力类似，旋翼 1 转速为 2200 转/分时，旋翼 2 的扭矩也相对较低。值得注意的是，旋翼间距对旋翼 2 产生的拉力影响并不显著。由此可以得出，前旋翼转速的增加会降低后旋翼产生的拉力和扭矩。
随后，研究团队探究了改变后螺旋桨尺寸（直径）对其拉力和扭矩的影响。此次测试选用了两种不同尺寸的后螺旋桨，分别为 40 英寸（与前螺旋桨尺寸相同）和 47 英寸。在实际应用中，无人机制造商常采用共轴设计，因为这种设计能够提供高拉力密度，使飞行器在保持紧凑体型的同时，能够承载更重的负载。不过，这种设计在大型垂直起降或电动垂直起降飞行器中并不常见，主要原因是其效率相对较低。对于需要长距离飞行的大型飞行器而言，这种效率损失是一个明显的缺点，因此共轴设计更多应用于小型无人机，以满足其对紧凑尺寸和最大拉力的需求。在本次测试中，旋翼 2 转速发生变化，而力测量单元之间的间距保持恒定为 20 毫米。测试结果表明，在旋翼 1 和旋翼 2 的所有转速下，47 英寸螺旋桨产生的拉力均大于 40 英寸螺旋桨。同时，随着旋翼 1 转速从 1600 转/分增加到 2200 转/分，旋翼 2 的拉力均出现下降，扭矩也有类似的变化趋势。而且，对于 47 英寸后螺旋桨，拉力下降的幅度更为明显，这体现在 1600 转/分和 2200 转/分转速下拉力数据点之间的差距更大。
针对这一现象，研究团队提出了两个假设。假设一认为，前螺旋桨产生的气流会对后螺旋桨施加一个与旋翼 1 拉力方向相反的阻力负载，该负载会从记录的原始拉力值中扣除。假设二指出，旋翼 1 产生的湍流会诱导阻力，从而抵消旋翼 2 产生的拉力和扭矩。当给旋翼 1 加油门使其旋转，而旋翼 2 未加油门时，会出现风车效应，这表明存在这种阻力。旋翼 1 旋转速度越快，产生的阻力就越大，观察到的拉力损失也就越显著。当前旋翼加油门旋转时，后螺旋桨会在没有油门输入的情况下转动，此时扭矩为负值，因为测量到的是电机中的阻力扭矩，它试图制动螺旋桨的旋转，这是由旋翼 1 气流产生的阻力诱导的。这种反应在没有电力输入时也能看到，旋翼 2 会自转，变成一种风力涡轮机。
螺旋桨效率是衡量旋翼性能的关键指标之一，它反映了相对于输入功率所产生的拉力大小。其计算公式为产生的拉力除以螺旋桨的机械功率（螺旋桨转速乘以扭矩）。研究团队进一步研究了螺旋桨效率随转速和旋翼间距的变化情况。在测试中，旋翼 2 的转速分别设定为 1200、1400、1600、1800、2000 和 2200 转/分，并根据这些数据点绘制曲线。测试结果显示，曲线分为两组，由旋翼 1 的转速区分。在所有旋翼 2 转速和间距下，当旋翼 1 转速更高（2200 转/分）时，旋翼 2 具有更高的螺旋桨效率。对于旋翼 1 以 2200 转/分旋转的曲线，在旋翼 2 的整个转速范围内，螺旋桨效率持续下降。当旋翼 1 转速为 1600 转/分时，旋翼 2 效率在转速达到约 1450 转/分时先上升并达到峰值，随后逐渐下降，与另一组较高旋翼 1 转速的曲线平行。在高速下，旋翼间距对旋翼 2 螺旋桨效率的影响较小。在旋翼 1 和旋翼 2 都处于低速时，较小的间距与组内较高的效率相关联，这种差异在旋翼 1 和旋翼 2 转速都较低时更为明显，当旋翼 2 转速在约 1750 转/分及以下时，这种效应开始显现。
