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多旋翼飞行器普及知识(shí)

    决定多(duō)旋翼飞行器旋翼个数(shù)的,就是飞(fēi)行器稳(wěn)定性、几何尺寸和单发动力性能三者的平衡。

    先说稳(wěn)定性的影响。基本上,我们可以认为多旋翼飞行器(qì)的稳定性(xìng)里,八旋翼>六旋翼(yì)>四旋翼。原因当然好(hǎo)解(jiě)释,对于一个运(yùn)动特(tè)性确定的(de)飞行器来(lái)说,自然是能参与控制(zhì)的量(liàng)越(yuè)多,越容易得到好的控制效果。四旋翼飞行器尚(shàng)且是一个(gè)欠(qiàn)驱动系统。六旋(xuán)翼飞行器的时候就已经是一个完(wán)全驱(qū)动系统了。复杂了是一回事(shì),但(dàn)是(shì)如(rú)果(guǒ)能获得比较好的效果,也是(shì)值得(dé)的。另(lìng)外一(yī)个不容易注意到的好处是,旋翼数量较多的时候飞(fēi)行(háng)器对(duì)于动力(lì)系(xì)统失效的容忍(rěn)程度也(yě)会(huì)上升。毕竟多发飞行器一台发动机突然失效不是很罕见的情况。模型级别的飞(fēi)行器,射桨也是常有的(de)事。在这种情况下(xià),八旋翼和六旋翼都可以承受双发/单发失效的状(zhuàng)况(kuàng),并且飞行器(qì)仍然可控(kòng)。而如果是四旋翼飞行器的话(huà),只要(yào)单发失(shī)效,除非旋翼(yì)上有(yǒu)周期变距(jù),否则唯一(yī)的选择就有摔机了。

    但旋翼的数(shù)量增加以(yǐ)后,会对(duì)飞行(háng)器(qì)的几何尺寸带来负面影(yǐng)响(xiǎng)。因为旋翼(yì)数多了(le),自然(rán)每个旋翼之间的距离也会缩减。四(sì)轴飞行(háng)器每隔90度放置一(yī)个旋(xuán)翼,六轴飞(fēi)行器每隔60度放置(zhì)一个旋(xuán)翼,八(bā)轴飞行器每隔45度放置一个旋翼。假设相同拉力时(shí)几个旋翼的桨(jiǎng)盘总面积相(xiàng)同(这个并不准确,但(dàn)可以作为大概的参(cān)考),很容易(yì)得出(chū)几种结构形式(shì)需(xū)要的旋翼(yì)直(zhí)径。如下表(biǎo)所示:

四(sì)旋(xuán)翼飞行器

六旋翼飞(fēi)行器

八旋翼飞(fēi)行器

1

0.8

0.71

    同(tóng)样,多旋翼(yì)的旋(xuán)翼位置在设(shè)计时也(yě)不能相(xiàng)互干(gàn)涉。因此也很容易(yì)得出几种结构形式(shì)中旋翼(yì)中心距离飞行器(qì)几(jǐ)何(hé)中心距离。如下表所示:

四(sì)旋(xuán)翼飞行器

六旋翼飞行器(qì)

八旋翼飞行器

1

1.414

1.839

    很容易看(kàn)出来,相比较旋翼(yì)直径的缩小,旋翼中心与飞行器(qì)几何(hé)中心的(de)距离(lí)增(zēng)加得更快(kuài)。因此很(hěn)不幸的,旋(xuán)翼(yì)的(de)数(shù)量越多,飞行器的尺寸也就会做得越大。而且,旋翼(yì)越多,多旋翼飞行(háng)器的折叠收纳就越是问题。六旋翼(yì)尚且可以折叠,八旋翼就一点办法也(yě)没有。即使是简单的拆掉旋翼支臂,旋翼数(shù)越多在现场组装需要花的时间也就越多。而且,由于(yú)多旋翼飞行(háng)器有(yǒu)旋翼(yì)安装(zhuāng)顺序的要求。要安(ān)装的旋(xuán)翼越多(duō)就意味着潜藏(cáng)的出错可(kě)能越高。也因(yīn)此,诸(zhū)如军队等地方实际使用的多旋(xuán)翼飞行器,几乎无(wú)例(lì)外都是四旋翼的形式(shì)。但(dàn)如果(guǒ)你可以(yǐ)使(shǐ)用的(de)动力组合(hé)单(dān)发动力性能(néng)有限,使用四轴的构(gòu)型根本无法(fǎ)把设(shè)计起飞重量飞起来的话,就要增加旋翼(yì)个(gè)数(shù)。

    说到这里(lǐ),可(kě)能会有人(rén)说:不是有那(nà)种(zhǒng)上下叠层的多旋(xuán)翼飞行器(qì)么?就是在一(yī)个支臂上同(tóng)时放置(zhì)一(yī)组共轴反桨的动(dòng)力(lì)组(zǔ),这样(yàng)的话(huà)不就可以做(zuò)到旋(xuán)翼个(gè)数(shù)增加,却不增(zēng)加飞行器尺(chǐ)寸的效(xiào)果么?如同(tóng)下面的这种(zhǒng)形式:

    这个点子看起来(lái)不错。但有个重(chóng)要(yào)的(de)缺点是,共轴反桨的那上下一对旋翼的气(qì)流会相(xiàng)互(hù)干扰,从而(ér)影响这一对动(dòng)力组合的效率。简单地(dì)说(shuō),就(jiù)会导致这一对旋翼的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕结果。至于具体会损失多(duō)少,大约是20%的样子。因此这么(me)算下来的话(huà),其实(shí)这种构型能获得(dé)的提升很有限,还增加了结构(gòu)的复(fù)杂程度。所以除(chú)非(fēi)对飞行器尺(chǐ)寸有很严格(gé)的要(yào)求,一般很少会(huì)采用这样的设计方(fāng)式。这个(gè)点(diǎn)子看起来不错。但(dàn)有(yǒu)个重要(yào)的缺点是,共轴反桨的那上(shàng)下一对旋翼的气流(liú)会(huì)相互干扰,从而影(yǐng)响这一对(duì)动(dòng)力组合的效(xiào)率。

    简单地说(shuō),就会导致这一对(duì)旋翼的拉力不是(shì)1+1 = 2,而(ér)是1+1 < 2的(de)糟糕结果。至于具体会损失多少(shǎo),大约是20%的样子。因此这(zhè)么算下来的话,其(qí)实这种构型能获得的提升很有(yǒu)限(xiàn),还增加了(le)结构的(de)复杂程度。所以除非对飞行器尺寸有很严(yán)格的要求,一般很少会采用这(zhè)样的设(shè)计方式。 (稿源:南(nán)京领航无人机)

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