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多旋翼飞行器中的旋翼数选择详解

来源:上海航拍     作者:苏州航拍     发布时间:2014-11-19 19:30    已经有:人看过

决定多旋翼飞行器旋翼个数的,就是飞行器稳定性几何尺寸单发动力性能三者的平衡。

先说稳定性的影响。基本上,我们可以认为多旋翼飞行器的稳定性里,八旋翼>六旋翼>四旋翼。原因当然好解释,对于一个运动特性确定的飞行器来说,自然是能参与控制的量越多,越容易得到好的控制效果。四旋翼飞行器尚且是一个欠驱动系统。六旋翼飞行器的时候就已经是一个完全驱动系统了。复杂了是一回事,但是如果能获得比较好的效果,也是值得的。

另外一个不容易注意到的好处是,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动机突然失效不是很罕见的情况。模型级别的飞行器,射桨也是常有的事。在这种情况下,八旋翼和六旋翼都可以承受双发/单发失效的状况,并且飞行器仍然可控。而如果是四旋翼飞行器的话,只要单发失效,除非旋翼上有周期变距,否则唯一的选择就有摔机了。(可你为什么要在四旋翼上装周期变距呢?)

但旋翼的数量增加以后,会对飞行器的几何尺寸带来负面影响。

因为旋翼数多了,自然每个旋翼之间的距离也会缩减。四轴飞行器每隔90度放置一个旋翼,六轴飞行器每隔60度放置一个旋翼,八轴飞行器每隔45度放置一个旋翼。假设相同拉力时几个旋翼的桨盘总面积相同(这个并不准确,但可以作为大概的参考),很容易得出几种结构形式需要的旋翼直径。如下表所示:

 

同样,多旋翼的旋翼位置在设计时也不能相互干涉。因此也很容易得出几种结构形式中旋翼中心距离飞行器几何中心距离。如下表所示:

 

很容易看出来,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。因此很不幸的,旋翼的数量越多,飞行器的尺寸也就会做得越大。

而且,旋翼越多,多旋翼飞行器的折叠收纳就越是问题。六旋翼尚且可以折叠,八旋翼就一点办法也没有。即使是简单的拆掉旋翼支臂,旋翼数越多在现场组装需要花的时间也就越多。而且,由于多旋翼飞行器有旋翼安装顺序的要求。要安装的旋翼越多就意味着潜藏的出错可能越高。也因此,诸如军队等地方实际使用的多旋翼飞行器,几乎无例外都是四旋翼的形式。

但如果你可以使用的动力组合单发动力性能有限,使用四轴的构型根本无法把设计起飞重量飞起来的话,呵呵,之前我说的那些就当没说好了……要么老老实实增加旋翼个数,要么,只好改方案了。

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么?就是在一个支臂上同时放置一组共轴反桨的动力组,这样的话不就可以做到旋翼个数增加,却不增加飞行器尺寸的效果么?如同下面的这种形式:

 

这个点子看起来不错。但有个重要的缺点是,共轴反桨的那上下一对旋翼的气流会相互干扰,从而影响这一对动力组合的效率。简单地说,就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。至于具体会损失多少,大约是20%的样子。因此这么算下来的话,其实这种构型能获得的提升很有限,还增加了结构的复杂程度。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。这个点子看起来不错。但有个重要的缺点是,共轴反桨的那上下一对旋翼的气流会相互干扰,从而影响这一对动力组合的效率。简单地说,就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。至于具体会损失多少,大约是20%的样子。因此这么算下来的话,其实这种构型能获得的提升很有限,还增加了结构的复杂程度。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。

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