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多(duō)旋翼飞行器(qì)普(pǔ)及(jí)知识

    决定多旋翼飞行(háng)器旋翼(yì)个数的,就是(shì)飞行(háng)器稳定性、几(jǐ)何尺寸(cùn)和单发(fā)动力性能三(sān)者(zhě)的平衡。

    先说稳定性的影(yǐng)响。基本(běn)上,我们(men)可以(yǐ)认为多旋翼飞行(háng)器的(de)稳定性里,八(bā)旋翼>六旋翼>四旋翼。原因当然好解释,对于(yú)一个(gè)运动特性确定的(de)飞行器(qì)来说,自然是能参与控制的量越多,越容易得到(dào)好的(de)控制效(xiào)果。四旋翼飞行器尚且是一个欠驱动系统。六旋翼飞行器的(de)时候就已经是一个(gè)完全(quán)驱动系(xì)统了。复(fù)杂了(le)是一回事,但(dàn)是(shì)如果(guǒ)能(néng)获得比较好的(de)效果,也(yě)是值得的。另外一个(gè)不容易注意到的好处是,旋翼数(shù)量较(jiào)多(duō)的时候飞行(háng)器对(duì)于动(dòng)力系统(tǒng)失效的(de)容忍程度(dù)也会上升。毕竟多发飞行器一台发动机突然失效(xiào)不(bú)是很罕见的情况。模型级别的飞行(háng)器,射桨也是常有(yǒu)的事。在这种情况下,八旋(xuán)翼和六旋翼(yì)都可以承(chéng)受双发/单发失效的状况,并(bìng)且飞(fēi)行器(qì)仍(réng)然可控。而(ér)如果是四旋翼飞行器的话,只要单发失效,除非旋(xuán)翼上有(yǒu)周期变距(jù),否则唯一(yī)的选择就(jiù)有(yǒu)摔机了。

    但旋翼的(de)数量增加以后,会(huì)对飞(fēi)行器的几何尺寸带来(lái)负面影响。因为旋(xuán)翼数多了,自(zì)然每个旋翼之间的(de)距离也会缩减。四轴飞行器每隔90度放置(zhì)一个(gè)旋翼(yì),六轴飞行器每隔(gé)60度放置(zhì)一个旋翼,八轴(zhóu)飞行(háng)器每隔(gé)45度放置一个旋(xuán)翼。假设(shè)相同拉力时几个旋(xuán)翼的(de)桨(jiǎng)盘总面积(jī)相同(这个并不准确,但(dàn)可以作(zuò)为(wéi)大概的参考),很容易得出几种(zhǒng)结构形式需要(yào)的旋翼(yì)直径。如下表所示:

四旋(xuán)翼飞行器(qì)

六旋翼飞行器

八旋翼飞行器

1

0.8

0.71

    同样,多旋翼的旋翼位置(zhì)在设计(jì)时(shí)也不(bú)能相互干涉。因此也很容易得出几(jǐ)种(zhǒng)结构形(xíng)式中旋翼中心距离飞(fēi)行器几(jǐ)何中(zhōng)心距离。如下表所示:

四旋翼飞行器

六旋(xuán)翼飞行器

八(bā)旋翼飞(fēi)行器

1

1.414

1.839

    很容易看出(chū)来,相比较旋翼直径的(de)缩小(xiǎo),旋(xuán)翼(yì)中心与(yǔ)飞行(háng)器几何中心的距离增加得更快。因此很不(bú)幸(xìng)的,旋翼的数量越多,飞(fēi)行器的尺(chǐ)寸也(yě)就(jiù)会做得(dé)越(yuè)大。而(ér)且,旋翼越多,多旋翼飞行器(qì)的折叠收纳就越是问题(tí)。六(liù)旋翼尚且可以折叠,八旋翼(yì)就一点办法也没有。即(jí)使是简单的拆掉旋翼(yì)支(zhī)臂,旋翼数越多(duō)在现场组装需要(yào)花(huā)的时(shí)间(jiān)也就越多。而(ér)且,由于多旋翼飞行器有(yǒu)旋翼安(ān)装顺序的要求。要(yào)安装的旋翼越多就意味着(zhe)潜藏(cáng)的(de)出错(cuò)可(kě)能(néng)越高。也因此,诸如军队等(děng)地方实际使用的多(duō)旋翼飞行器,几乎无例外都(dōu)是四(sì)旋(xuán)翼的形式。但(dàn)如果(guǒ)你可以使用的动力(lì)组合单发动力性能有限,使用(yòng)四轴的构型根(gēn)本无法把设计起飞重量飞起来的话,就要增加旋翼个(gè)数。

    说到这(zhè)里,可能(néng)会有(yǒu)人说(shuō):不是有那种(zhǒng)上(shàng)下(xià)叠层的多(duō)旋翼(yì)飞行器么(me)?就是在一个支臂上同时放置一组共轴反桨的动力(lì)组,这样的话不就可以做到旋翼(yì)个数增加,却(què)不增加飞行器尺寸的(de)效果么(me)?如同下面的这种形(xíng)式:

    这个点子看起来不错。但有个重要的(de)缺点是,共轴反(fǎn)桨(jiǎng)的那(nà)上(shàng)下一对旋翼的(de)气流会相互干扰(rǎo),从而影(yǐng)响这一对动力组合的(de)效率。简单地说,就会导(dǎo)致这一对旋(xuán)翼(yì)的(de)拉力(lì)不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕结果。至(zhì)于具体会损失多(duō)少,大约是(shì)20%的样子。因此这么算下来(lái)的话,其实这种构型能(néng)获得的提升很有限,还增(zēng)加了结构的复(fù)杂程度。所以除非对飞行器尺寸有很严格的要求(qiú),一般很(hěn)少会采(cǎi)用(yòng)这样的设计方式。这个点子看起(qǐ)来不错。但有个重要的(de)缺点(diǎn)是,共(gòng)轴反桨的那上下一对(duì)旋翼的气流会相互干扰,从而影响(xiǎng)这一(yī)对动力(lì)组合的效率(lǜ)。

    简单(dān)地(dì)说,就会导致这一对(duì)旋翼的拉力(lì)不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的(de)糟糕结果。至于具体会损失多少,大约(yuē)是(shì)20%的样子。因此这么(me)算下来(lái)的话(huà),其实这种(zhǒng)构(gòu)型能获得的提(tí)升很有限,还(hái)增加了结(jié)构的复杂程度(dù)。所以除非对飞行器尺寸有很严格的要求,一般很少会采用这样的设计方式。 (稿源:南京领航无人机)

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