md4-1000多旋翼无人机飞88分钟解密

1、电池

       找到的资料如图1、图2，microdrone的官网还是比较厚道，给出了创造奇迹的那个6S3P电池的容量为18.3Ah，锂聚合电池。在一个台湾网站 上找到的6S3P的电池重量为2400克。在本文中，将电池的性能表示为单位重量的电池所具有的能量，类似于能量密度，单位为g/Wh。
       算例：2400g/（22.2V*18.3Ah）=  5.9 g/Wh。
       之前曾经推算过目前的航模电池普遍的能量密度为6.76 g/Wh，可见在电池技术上，md4-1000所用的电池有10%以上的重量优势。

图1

图2

       md4-1000使用的螺旋桨直径达700mm，这是一年前偶然看到的一个md4-1000的三视图里的数据。这几天一直没找到这样的图，所以只能通过估算来证实，图1显示md4-1000的轴距为1030。在图2中截图如图3：

图3

      1030*sin（45）=728 mm。留28mm的桨间间隙，可以证实md4-1000的螺旋桨直径为700mm。

      下面根据图1、图2的数据，假设88分钟的留空时间是在没有使用负载的情况下，用6S3P、18.3AH的电池飞出来的。这时的起飞重量为空机重量 （2650g）+ 电池重量（2400g）= 5050g，即一个螺旋桨所需产生的拉力为1262.5g。由图4得到螺旋桨宽度分布，推算结果如下：在飞行88分钟的视频里，螺旋桨转速为1400至 1600rpm，螺旋桨效率为21至24g/W（本人理论估算的结果是22.6g/W，结合自己的螺旋桨设计实践经验得到21至24g/W这个范围），扭 矩为0.30至36Nm，螺旋桨消耗的功率为50至58W。
     有意思的是，md4-1000的螺旋桨的载荷和模型直升机的载荷非常相似，会不会是在这个飞行器设计之初，设计师就考虑到这个飞行器需要和直升机在留空时间上做一个比拼，至少不应该比直升机差很多的缘故。

图4

     3、电机
      md4-1000采用的盘式电机如图5，这个电机看起来挺怪异的，但是如果知道它要工作在1400至1600RPM的话，了解电机理论的人，可能比较好理解为何采用这种设计了。
      该电机的磁路长度非常短，采用扁平的外形，定子高度也非常小，这样有利于用较小的电流产生较大的扭矩和较低的转速，才能与大直径低转速螺旋桨匹配。
由于篇幅所限，不便于对电机方面的理论展开更深入的讨论。以下举个简单的小例子，试图分析盘式电机省电的奥秘。
      图5所示的盘式电机有36个槽，把盘式电机看做由36个完全一样的电磁铁组成的力的输出机构，假设每个单元输出的力为a，方向与电机外圆相切。盘式电机 的定子外径为D，电磁铁的高度为L，则盘式电机输出的扭矩为36*a*0.5*D。如果制造一个电机，同样有跟盘式电机的电磁铁一样的36个电磁铁，但是 其定子外径为0.5*D，其硅钢片高度将增加1倍，即是由两个单元电磁铁层叠起来。则其力矩为36*a*0.5*（0.5*D），扭矩减小一倍！！为了驱 动同样的螺旋桨，必须将每个单元输出的力a变为2*a，由安培力F=BIL.可知，相当于增大了电流或者导线长度，考虑到硅钢片的磁化曲线（还是难以避开 电机学的东西），为了输出同样的转速和扭矩，缩小电机的半径，即使增加了响应的定子高度，也会造成硅钢片接近磁饱和导致的效率降低、电流增大导致效率降 低，和绕线困难等问题。
       实际上，由于使用大直径螺旋桨可以带来比较高的螺旋桨效率，这是md4采用盘式电机的原因，对于一个既定的螺旋桨，都一个最优的电机与之对应。可以推算出这个盘式电机一个比较优化的结果。
       注：作为多轴飞行器的设计建议，本人不建议一味最求“盘式”外形的电机，应考虑到飞行器的用途，进行整机优化，确定螺旋桨的性能，再根据螺旋桨的动力要 求，在有条件的情况下，选择最合理的电机（又说空话了，这个最优真不容易 ）。md4-1000采用的盘式电机如图5，这个电机看起来挺怪异的，但是如果知道它要工作在1400至1600RPM的话，了解电机理论的人，可能比较 好理解为何采用这种设计了。

图5
4、电调、飞行控制系统

      没有找到关于md4-1000的电调资料，如下图，可见md4-200使用的是有感无刷的电调，在此只能猜测md4-200的电调方案对提供悬停效率的好处。
      如图6，电调输出的导线有6根，比较粗一点的应该是电源线，其余四根应为信号线，采用串口或者其他方式与飞行控制系统进行双向通信，飞行控制系统可以给 电调发送指令，电调也可以将动力系统的信息（比如电机的转速）反馈给飞行控制系统， 这样飞行控制系统对动力系统的控制就是闭环控制。相比现在航模行业使用的开环方案(飞行控制系统只管控制电调的PWM值，不管电机转速是否随之升高，只是 由陀螺仪来 判别飞行器的姿态），对电机转速进行闭环控制，姿态的调整可能实现变成“一步到位”，极大地减少了电机转速变化的频率和幅度。从而减少了由于电机频繁做变 速运动引起的额外能量损耗。现在航模的多轴动力系统动力系统在微风的时候这部分损耗高达25%左右，风力风向如果剧烈变化这部分损耗则变得更大，在室内飞 行会就稍微好些。
      注：以上关于电调及飞行控制系统的分析完全是猜测，轻信者后果自负。

图6

图7、8

图9

图10

5、机架

      md4-1000采用全碳结构机架，造型形简洁得有点呆板，却没有一丝多余的结构件，看起来像是航空行业的作风。5550g起飞重量而空机重量只有 2650g。md4-1000的机架设计应该可以说是做到了为节省每一克重量奋斗，如同飞机设计师所推崇的。md4-1000是半封闭的结构，可以长时间 在雨中飞行，雨水不会进入机身内部，又能正常散热。其折叠臂的设计与舰载机的机翼折叠和固定方式相似，脚架设计更是简洁而轻盈。

      在那个88分钟的留空时间的视频里，假设当时飞行器的起飞重量为5050g，电池容量为18.3Ah，电池电压为22.2V，电机、电调效率为85%，转动惯量损耗的能量为总能量输出的10%，推算螺旋桨的效率。
a）电池输出的功率=18.3*22.2/(88/60)=277W；
b）飞机所需的动力系统效率=5050g/277W =18.23g/W ；
c）螺旋桨效率*85%*  （1-10%）=18.23g/W ；
      即螺旋桨的效率为23.8g/W ，在第二节螺旋桨部分所计算出的21至24g/W 范围之内。