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多(duō)旋翼飞行器的(de)旋翼个数(shù)是由什么(me)决定的?

 

决定多旋翼飞行器旋翼个数(shù)的(de),就(jiù)是飞行器稳定(dìng)性、几(jǐ)何(hé)尺寸和单发(fā)动力性能三者的平(píng)衡(héng)。

先说稳定性的影响。基本(běn)上,我们可以认(rèn)为(wéi)多(duō)旋(xuán)翼(yì)飞行器的稳定性(xìng)里,八旋翼>六(liù)旋翼>四旋翼。原因当然(rán)好(hǎo)解释,对于一个运动(dòng)特(tè)性确定的飞行器来说(shuō),自然是能参与控(kòng)制的量越多,越容易得到好的控制效果。四旋翼飞行(háng)器尚且(qiě)是一个欠驱动系统(tǒng)。六旋(xuán)翼飞行器的(de)时候就已经是(shì)一(yī)个完全驱动系统了。复杂了是(shì)一(yī)回事,但是如果(guǒ)能获得比较好的效(xiào)果(guǒ),也是值(zhí)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(hòu)飞行(háng)器对于动(dòng)力系(xì)统失(shī)效的容忍(rěn)程度也会(huì)上升。毕竟多发飞(fēi)行(háng)器一台发动机(jī)突然失效不是很罕见的情况。模(mó)型级别的飞行器,射桨也是常有的事。在这(zhè)种情况下,八旋翼和(hé)六旋翼都(dōu)可以承受双(shuāng)发(fā)/单发失效的状况,并且飞行器仍然可(kě)控。而如(rú)果是四旋翼飞行器的话(huà),只要单发(fā)失效,除非旋翼上有周期变距,否则唯一的选(xuǎn)择就有摔机(jī)了。

但旋翼的(de)数量增加以后,会对飞行器的(de)几(jǐ)何尺寸带(dài)来负面影响。

因(yīn)为旋翼数多了(le),自然(rán)每个旋翼之间(jiān)的距离(lí)也会(huì)缩减(jiǎn)。四轴飞行器(qì)每隔90度放置一(yī)个旋(xuán)翼(yì),六轴飞(fēi)行(háng)器每隔60度放置一个旋翼,八轴(zhóu)飞行器(qì)每隔45度放置一个旋翼。假设相(xiàng)同拉力(lì)时(shí)几个旋翼(yì)的桨盘总面积相同(这个并不准确(què),但(dàn)可以作为(wéi)大概的参考),很(hěn)容易得出(chū)几种结构(gòu)形式需要的旋翼(yì)直(zhí)径。如下表所示:

100.jpg 

同样(yàng),多旋(xuán)翼的(de)旋翼位置在设计(jì)时也不能相互(hù)干涉。因此(cǐ)也很容易(yì)得出几(jǐ)种结构(gòu)形(xíng)式中(zhōng)旋翼中(zhōng)心距离飞行器几何中心距离(lí)。如下表所(suǒ)示(shì):

 101.jpg

很容易看出来,相比较旋翼直(zhí)径的缩小,旋翼(yì)中心与飞(fēi)行器几何中心(xīn)的距离增加得(dé)更快。因此很(hěn)不幸的,旋翼的数量越多,飞行器的尺寸也就(jiù)会做得越(yuè)大。

而且,旋翼越多,多旋翼(yì)飞(fēi)行器的折叠(dié)收纳就越是问(wèn)题(tí)。六(liù)旋翼尚且可以折叠(dié),八旋(xuán)翼就一点(diǎn)办法(fǎ)也没有。即使(shǐ)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(de)时间也就(jiù)越多。而(ér)且(qiě),由于多旋翼(yì)飞行器有旋(xuán)翼安(ān)装顺序(xù)的(de)要(yào)求。要安装的旋翼越多就(jiù)意味着潜藏的(de)出错可能越高。也(yě)因此,诸如军(jun1)队等(děng)地方实际使(shǐ)用(yòng)的多(duō)旋(xuán)翼飞行(háng)器,几乎无(wú)例(lì)外都是(shì)四旋(xuán)翼的形式。

但如果你可以(yǐ)使(shǐ)用的动力组(zǔ)合单发(fā)动力性能有限,使用(yòng)四轴的(de)构型根本无法把(bǎ)设计(jì)起飞重量(liàng)飞起来的话,呵呵,之(zhī)前我说的那些就当没说(shuō)好了……要么老老实(shí)实增加旋翼个数(shù),要么,只好改方案了。

说到这里,可(kě)能会有(yǒu)人说(shuō):不是有那种上下叠层的(de)多(duō)旋(xuán)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(de)话不就可以(yǐ)做(zuò)到旋翼个数(shù)增加,却不增(zēng)加飞(fēi)行器(qì)尺寸的(de)效果么(me)?如同下面的(de)这种形式:

 102.jpg

这个点子看起来不错。但有个重要(yào)的缺点是,共轴反桨(jiǎng)的那上下一对旋翼的气流(liú)会(huì)相(xiàng)互干扰,从而(ér)影(yǐng)响这一对动力组合的(de)效率。简(jiǎn)单(dān)地说,就(jiù)会导(dǎo)致这一对旋翼的拉力不是1+1=2,而是1+1<2的(de)糟(zāo)糕结果。至(zhì)于具体(tǐ)会损失多(duō)少,大(dà)约是(shì)20%的样子。因此这么算下来的话,其(qí)实这种构(gòu)型能(néng)获得(dé)的(de)提升很有限,还(hái)增加了结构的复(fù)杂程(chéng)度。所以除(chú)非对飞行器尺寸有很(hěn)严格(gé)的要求,一(yī)般很少会采用(yòng)这样的设(shè)计方式。这(zhè)个点子(zǐ)看起来不错。但(dàn)有(yǒu)个重(chóng)要的缺点是,共轴反桨的那上下一对(duì)旋翼(yì)的气流会相互(hù)干扰,从而(ér)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(bú)是1+1=2,而是1+1<2的糟糕(gāo)结果。至于具体会(huì)损失多少,大约是20%的样子。因此这么算(suàn)下来的话(huà),其实这种构型能(néng)获得(dé)的提升很有(yǒu)限(xiàn),还(hái)增加(jiā)了(le)结(jié)构的复(fù)杂程度。所以除非(fēi)对飞(fēi)行(háng)器尺寸有很严格的要(yào)求,一般很少会采用这样的(de)设计方式(shì)。

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