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多旋翼飞行器的旋翼个数是由什么决定的?

 

决定(dìng)多(duō)旋翼(yì)飞行器旋(xuán)翼个数的,就(jiù)是飞(fēi)行器(qì)稳定(dìng)性、几(jǐ)何(hé)尺寸和单(dān)发动力性能三者(zhě)的平衡。

先(xiān)说稳定性的影响。基本上,我们可以认为多旋(xuán)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(duì)于一个运(yùn)动特(tè)性确定的(de)飞行器来说(shuō),自然是(shì)能参与控制(zhì)的量(liàng)越(yuè)多,越容易得(dé)到好的控制(zhì)效果。四旋翼飞(fēi)行器尚(shàng)且是一个欠驱(qū)动系统。六(liù)旋翼飞行器(qì)的(de)时候就已经是一个完(wán)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(yì)到的好(hǎo)处(chù)是,旋翼数量较多的时候飞行器对于动(dòng)力系(xì)统失效的(de)容忍程度也会上升。毕竟多发飞行器一台发(fā)动机(jī)突(tū)然失效(xiào)不是很罕见(jiàn)的情况。模型级(jí)别的飞行器,射桨也是常有的事。在这种情况下,八旋翼(yì)和六旋翼都可以承(chéng)受(shòu)双发/单发(fā)失效的状况,并且飞(fēi)行器仍(réng)然可控。而如果是四旋翼飞行(háng)器的话,只要单发(fā)失效,除非旋翼(yì)上有周期变距,否(fǒu)则(zé)唯一的选择就有摔机了。

但旋(xuán)翼的(de)数量增加以后,会对飞行器(qì)的几何(hé)尺寸带来负(fù)面影响。

因(yīn)为旋翼数多了,自然每个(gè)旋翼之间的距离也会缩减。四(sì)轴(zhóu)飞行器每隔90度放置(zhì)一个旋翼,六轴飞行器每(měi)隔60度放置一(yī)个旋翼,八轴飞行器每隔45度放(fàng)置一个旋翼(yì)。假设相(xiàng)同拉(lā)力(lì)时(shí)几个旋翼的桨盘(pán)总(zǒng)面积相同(tóng)(这个并不准确,但可(kě)以作(zuò)为(wéi)大概的参考),很容(róng)易(yì)得(dé)出几种结构形式需要的旋翼直径。如下(xià)表所示:

100.jpg 

同样,多旋翼的旋翼位置在(zài)设计时也不(bú)能(néng)相互(hù)干涉。因此也很容易得出几种结构(gòu)形(xíng)式中(zhōng)旋翼中心(xīn)距离飞(fēi)行器几何(hé)中心(xīn)距离。如(rú)下表所示:

 101.jpg

很(hěn)容易看出来(lái),相比较(jiào)旋翼直径的缩小,旋(xuán)翼中心与飞行(háng)器几何中(zhōng)心的(de)距离增加得更快。因此很不幸(xìng)的,旋翼(yì)的数量越(yuè)多,飞行器的尺(chǐ)寸也就会做得越大(dà)。

而且,旋(xuán)翼(yì)越多(duō),多旋翼飞行器的折(shé)叠收(shōu)纳(nà)就越是问题。六(liù)旋翼尚(shàng)且可以折叠,八(bā)旋翼就一点办法(fǎ)也(yě)没有。即使是简单的拆(chāi)掉旋翼支臂,旋翼数越多在现(xiàn)场(chǎng)组装需要花(huā)的时间也就越多。而且,由于多(duō)旋翼飞行器有旋翼安装顺(shùn)序的要求。要安(ān)装的旋翼越多就意味着潜藏的出错可能越(yuè)高。也因此(cǐ),诸如军队等地方实(shí)际(jì)使用的多旋翼飞行(háng)器,几(jǐ)乎无(wú)例外都(dōu)是四(sì)旋翼(yì)的形式。

但如果你可以使用的动力组合单发动力性能有限(xiàn),使(shǐ)用(yòng)四轴的构型根本无法把(bǎ)设计起飞重量(liàng)飞(fēi)起来的话,呵呵,之(zhī)前我说的那些就当没说好(hǎo)了……要(yào)么老老实实(shí)增加(jiā)旋(xuán)翼个(gè)数(shù),要(yào)么,只好改方案了。

说到(dào)这里,可能(néng)会有人说:不是有那种上下叠层的多旋翼飞行器么?就是(shì)在一(yī)个支臂上同时放置一组共轴反桨(jiǎng)的动力组,这样的话不就可以(yǐ)做到旋翼(yì)个数增加(jiā),却不增(zēng)加飞行器尺寸的(de)效果么?如同下面的这种(zhǒng)形式:

 102.jpg

这个点子(zǐ)看起来不错。但有个重要(yào)的缺点是,共轴(zhóu)反桨的(de)那(nà)上下(xià)一对旋翼的气流会相(xiàng)互(hù)干扰,从而影响这一对动力组合的效率。简单地说,就会导(dǎo)致这一对旋(xuán)翼的拉力不是1+1=2,而是1+1<2的糟糕(gāo)结(jié)果。至(zhì)于(yú)具体(tǐ)会损失(shī)多少,大约(yuē)是(shì)20%的样子。因此(cǐ)这么算下来的话,其实这种构型能(néng)获得的提(tí)升很(hěn)有(yǒu)限,还增加(jiā)了结构的复杂程(chéng)度。所以(yǐ)除非对飞行(háng)器尺寸有(yǒu)很(hěn)严格的要(yào)求(qiú),一(yī)般很少会采用这样的设计方(fāng)式。这个点子(zǐ)看起来不错。但有(yǒu)个重要的缺(quē)点是,共轴反桨的那(nà)上下一对旋翼的气(qì)流会相互干扰(rǎo),从而影响这一对动力组(zǔ)合的效率。简单地说,就会导致这一对(duì)旋翼(yì)的拉力不是(shì)1+1=2,而是1+1<2的糟糕结果。至于具(jù)体会损(sǔn)失多(duō)少,大约是20%的样子(zǐ)。因此这么算(suàn)下来的话(huà),其实这种构型(xíng)能获得的(de)提升(shēng)很有限,还(hái)增加了(le)结构的复杂(zá)程度。所(suǒ)以除(chú)非对飞(fēi)行器尺寸有很严(yán)格的要求,一般很少会采(cǎi)用这样的设计(jì)方式。

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