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多旋(xuán)翼飞行(háng)器的旋翼个数是(shì)由什么决定的?

 

决定多旋翼(yì)飞行器旋翼个数的,就是飞行器稳定性、几(jǐ)何尺寸和单发动力性能(néng)三者的(de)平衡。

先(xiān)说稳(wěn)定(dìng)性的影(yǐng)响。基本上,我们可以(yǐ)认为多旋翼飞行器的稳定(dìng)性里,八旋翼>六旋翼(yì)>四旋(xuán)翼。原因当(dāng)然好(hǎo)解(jiě)释,对(duì)于一个运动特性确(què)定的飞行器来说(shuō),自然是能参与(yǔ)控制的(de)量(liàng)越多,越容易得到好的控(kòng)制效果。四旋(xuán)翼飞(fēi)行(háng)器尚且是(shì)一个欠驱动系统。六旋翼飞行器(qì)的时候就已经是一个完全驱动系统了。复(fù)杂了是一回事(shì),但是(shì)如果(guǒ)能获得(dé)比较好的效果,也是值得的。

另外一(yī)个不容易注意到的好处是(shì),旋翼数量较多的时候(hòu)飞行器对于动(dòng)力系统失效的容(róng)忍程度也会上升。毕竟多发飞行器一台发动机突然失效不是很罕(hǎn)见的情况。模型级别的飞行器,射桨也(yě)是(shì)常有的事(shì)。在(zài)这种情(qíng)况下,八旋翼和六旋翼(yì)都可以承受双发/单发失效的状况,并且飞行器仍然可控。而如果是四旋(xuán)翼飞行器的(de)话,只(zhī)要单(dān)发失效,除非旋翼上有周期变(biàn)距,否(fǒu)则唯一的选择就有(yǒu)摔机了(le)。

但旋翼的数量(liàng)增加以后(hòu),会对飞行(háng)器(qì)的几何尺寸带来负面影响(xiǎng)。

因为旋翼数多了,自然每个旋翼之间的距(jù)离也会缩减。四轴飞行器每隔90度放置一个旋翼,六轴(zhóu)飞行器每隔60度放置一个旋翼,八(bā)轴飞行(háng)器每隔45度(dù)放置一个旋(xuán)翼。假(jiǎ)设(shè)相同拉力时几个(gè)旋翼(yì)的桨盘总面积相同(这(zhè)个并(bìng)不(bú)准确,但可以作为(wéi)大(dà)概的参(cān)考(kǎo)),很(hěn)容易得出几(jǐ)种结构形式需要的旋翼(yì)直径(jìng)。如下表(biǎo)所示:

100.jpg 

同样,多(duō)旋(xuán)翼的(de)旋翼位(wèi)置在设计时也不能相互干(gàn)涉。因此(cǐ)也很(hěn)容易得出几种结构形式(shì)中旋翼中(zhōng)心(xīn)距离飞行器(qì)几何中心距离。如下表所示:

 101.jpg

很容易(yì)看出来,相比(bǐ)较旋翼直径的(de)缩小,旋翼中(zhōng)心与飞行器几何中心(xīn)的距离(lí)增加得更快。因(yīn)此很不幸的(de),旋翼的数量(liàng)越多,飞行器的尺寸也就会做得越大。

而(ér)且(qiě),旋翼越多,多旋翼飞行器的折叠收纳就越是问题。六(liù)旋翼尚且可以折叠,八旋翼就一点办法也没有。即使是简(jiǎn)单的拆掉旋翼支臂,旋翼数(shù)越多在现场(chǎng)组装需要(yào)花的时间也就越(yuè)多。而且,由于多旋翼飞行器有旋翼(yì)安装顺序(xù)的要(yào)求。要安装的(de)旋翼越(yuè)多就意味着潜藏的出错可(kě)能越(yuè)高(gāo)。也因此,诸如(rú)军队(duì)等(děng)地(dì)方实际(jì)使用的(de)多旋翼(yì)飞(fēi)行(háng)器,几乎无例外都(dōu)是四旋翼的形式。

但如果你可以使用的(de)动力(lì)组(zǔ)合单发动力(lì)性能有限(xiàn),使(shǐ)用(yòng)四轴的构(gòu)型(xíng)根本无法(fǎ)把设计起飞重(chóng)量飞起来的话,呵呵,之(zhī)前我说的那些就(jiù)当没说好了……要么老老实实增加旋(xuán)翼个数,要么,只好(hǎo)改方案了。

说到这里,可能会有人说:不是有那种上下叠层的多旋翼飞行器(qì)么?就是在一个支臂上(shàng)同时放置一组共轴(zhóu)反桨(jiǎng)的动力组(zǔ),这(zhè)样的话不就(jiù)可以做到旋翼个数增加,却(què)不增加飞行器(qì)尺寸(cùn)的(de)效果么?如同下面(miàn)的这种形(xíng)式:

 102.jpg

这个(gè)点子看起来不错。但有个重(chóng)要的缺点是,共轴(zhóu)反(fǎn)桨的那上下一对旋翼(yì)的气流会相互干扰,从而(ér)影响这一对(duì)动(dòng)力组合的效率。简(jiǎn)单地说,就会导(dǎo)致(zhì)这一对旋翼的拉力不(bú)是1+1=2,而是1+1<2的糟(zāo)糕(gāo)结果。至于具体(tǐ)会损失多少,大(dà)约是20%的样子。因此这么算(suàn)下(xià)来的话(huà),其实这种构型能获得的提升很有限(xiàn),还增加了结(jié)构的复杂程度。所以除非对飞行器(qì)尺寸有(yǒu)很严格的要(yào)求,一(yī)般很少会采用这样(yàng)的设(shè)计方式(shì)。这个点子看起来(lái)不错。但有个(gè)重(chóng)要的缺点是(shì),共轴(zhóu)反(fǎn)桨的那(nà)上(shàng)下一对(duì)旋翼的(de)气流会相互干扰,从而影响这一对动(dòng)力组合的(de)效率。简单地说,就会导致这(zhè)一对旋(xuán)翼(yì)的拉力不是1+1=2,而是1+1<2的糟糕结果。至(zhì)于具体会(huì)损失多少,大约是(shì)20%的样子。因此这么算下(xià)来的话,其实这(zhè)种构型能获得的(de)提升很有限,还增加了结构的复杂程度。所以除非对飞(fēi)行器尺寸(cùn)有很严(yán)格的要求,一般很少(shǎo)会采用这样的(de)设计方式。

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