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多旋(xuán)翼(yì)飞行器普(pǔ)及知识

    决定多旋(xuán)翼飞行器旋翼(yì)个数的,就(jiù)是(shì)飞行器(qì)稳定性、几何尺(chǐ)寸和单(dān)发动力性能三者的平衡。

    先(xiān)说(shuō)稳定性(xìng)的影响。基本上,我们可以认(rèn)为多旋翼飞行器的稳定性里(lǐ),八旋翼>六旋(xuán)翼>四旋翼。原(yuán)因当然好解(jiě)释(shì),对(duì)于(yú)一个运动特(tè)性确定的(de)飞行器来说,自然是能参与控制的(de)量越(yuè)多(duō),越容易(yì)得到好的控制(zhì)效果。四旋(xuán)翼飞行器尚且是一个欠驱(qū)动系统。六(liù)旋(xuán)翼(yì)飞(fēi)行器的(de)时(shí)候就已经是一个(gè)完全(quán)驱动系统了。复(fù)杂了是一回(huí)事,但是(shì)如果能获得比较好(hǎo)的效果,也是(shì)值得的。另外一个不容易注意到的好(hǎo)处是,旋翼数量较多的时候飞行器对于动力系统失效的容忍程度也会上升。毕竟多发飞行器一台发(fā)动(dòng)机(jī)突然(rán)失效不是(shì)很罕见的情况。模型级别的飞(fēi)行器,射桨也是常有的事(shì)。在这种情况(kuàng)下,八(bā)旋翼和六(liù)旋翼都可以承受(shòu)双发(fā)/单发失(shī)效的状(zhuàng)况,并且飞(fēi)行器仍然可控。而(ér)如果是(shì)四旋翼飞行(háng)器的话,只要单发失效,除非旋翼上有周期变距,否则(zé)唯(wéi)一的选择就有摔机了。

    但旋翼(yì)的数量增加(jiā)以(yǐ)后,会对飞行器的几何尺寸带来负面影响。因为旋翼数(shù)多(duō)了,自(zì)然(rán)每个旋翼之间的距离也(yě)会缩减(jiǎn)。四轴(zhóu)飞行器(qì)每隔90度放(fàng)置一个(gè)旋(xuán)翼,六(liù)轴飞(fēi)行器每隔(gé)60度放置(zhì)一个旋翼,八轴飞行(háng)器每隔(gé)45度放(fàng)置一个旋翼。假设相同拉力时(shí)几(jǐ)个旋(xuán)翼的(de)桨盘总面积相同(这个并不(bú)准确,但可以作为大概的参考),很容(róng)易得出几种结构形式需要的旋翼直(zhí)径。如下表所示:

四旋翼飞行器(qì)

六旋翼(yì)飞行器(qì)

八旋翼飞行(háng)器

1

0.8

0.71

    同样(yàng),多旋翼的(de)旋(xuán)翼(yì)位置在设计(jì)时也(yě)不能相互干(gàn)涉。因(yīn)此也很容易(yì)得(dé)出几种结(jié)构形式(shì)中(zhōng)旋翼中心距离飞行(háng)器(qì)几何中(zhōng)心距(jù)离(lí)。如下表所示:

四旋(xuán)翼飞行器

六旋(xuán)翼飞行器(qì)

八旋翼飞行器

1

1.414

1.839

    很(hěn)容易(yì)看出来(lái),相比较旋翼直径的缩小,旋翼中心与飞行器几何中心的距离增加得更快(kuài)。因此(cǐ)很不幸(xìng)的,旋翼的数(shù)量越多,飞行器的尺寸也就(jiù)会做(zuò)得越大。而且,旋翼越多,多旋翼飞(fēi)行器的折(shé)叠收纳(nà)就越是问题(tí)。六旋翼尚且可以折(shé)叠,八旋翼就一(yī)点(diǎn)办(bàn)法也(yě)没(méi)有。即使(shǐ)是简单的拆掉(diào)旋翼支臂(bì),旋翼数(shù)越多在现场组装需(xū)要花的时间也就越多。而且(qiě),由于多旋(xuán)翼飞行器有旋翼安(ān)装(zhuāng)顺序的(de)要求。要安装的旋翼越多就意味着潜(qián)藏的出错可(kě)能越高。也因此,诸如军(jun1)队(duì)等(děng)地方(fāng)实际使(shǐ)用的多旋翼飞行器,几乎无(wú)例外都是四旋翼的(de)形式。但如(rú)果你可以使用的动力组(zǔ)合单(dān)发动力性能(néng)有限,使(shǐ)用四(sì)轴的构型根(gēn)本无法把设计起(qǐ)飞重量飞起来(lái)的话,就要(yào)增加(jiā)旋翼个数。

    说(shuō)到(dào)这(zhè)里,可能会有人说(shuō):不是有那种(zhǒng)上下叠层的(de)多旋翼(yì)飞行器么?就(jiù)是(shì)在一(yī)个支(zhī)臂上同(tóng)时放置一组共(gòng)轴反桨的动(dòng)力组,这样的话不就(jiù)可以做到旋翼个数增加,却不增加(jiā)飞行器尺寸(cùn)的效果(guǒ)么(me)?如同下面的这种(zhǒng)形式:

    这个(gè)点(diǎn)子(zǐ)看起来不错。但有个重要的缺点是(shì),共轴反桨的那上下一对旋翼的(de)气流会相互干扰,从而影响这一对(duì)动力组合的效率。简单地说,就(jiù)会导致这一(yī)对旋翼的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟(zāo)糕结果。至(zhì)于具(jù)体会损(sǔn)失多少,大约是20%的(de)样子(zǐ)。因(yīn)此(cǐ)这(zhè)么算(suàn)下来的话,其实这种(zhǒng)构型能获得的提升很有(yǒu)限,还增加了结构的复杂程(chéng)度。所以除非对飞行器尺寸有很严格的要求,一般很少会采(cǎi)用这样的设计方式。这(zhè)个点子(zǐ)看起来不错。但有个重(chóng)要的缺点是,共轴反(fǎn)桨的那上下一对旋翼的气(qì)流会(huì)相互干扰,从而影响这一对动力组合的(de)效(xiào)率。

    简单地说(shuō),就(jiù)会导(dǎo)致这一对旋(xuán)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(shī)多少,大约是20%的样子。因此这么算下来的话,其实这种(zhǒng)构型能获得的提升很有限,还(hái)增加了结(jié)构的复杂程(chéng)度。所以除非对(duì)飞行器尺寸有很严格的(de)要求,一般(bān)很少会采用这样的设计方式。 (稿源:南京领航无人机(jī))

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