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多旋翼飞行器的旋(xuán)翼个(gè)数(shù)是由什么决定(dìng)的?

 

决(jué)定多旋翼飞(fēi)行器旋翼个数的,就(jiù)是飞行(háng)器稳(wěn)定(dìng)性、几何尺(chǐ)寸和单发动力性能三者的平衡。

先说稳定性的影响。基本(běn)上,我们可以认为多旋翼飞行(háng)器(qì)的稳定性里,八(bā)旋翼>六旋翼>四(sì)旋翼。原因当然好解释,对于一个运动特性确定(dìng)的(de)飞行器来说,自然是能参与控制的量(liàng)越多,越容易得到好的控制效果(guǒ)。四旋翼飞行器尚(shàng)且(qiě)是一个欠(qiàn)驱动系统。六旋翼飞行器的(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(rú)果能获得(dé)比较好(hǎo)的效果,也是值得的。

另外一个不(bú)容易(yì)注意到的(de)好处是(shì),旋翼数(shù)量较多的时候(hòu)飞行器对于动(dòng)力系统失效的容忍程度也会(huì)上升。毕(bì)竟多(duō)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(de)飞行器,射桨也(yě)是(shì)常有(yǒu)的事。在(zài)这种情况下(xià),八旋翼和(hé)六(liù)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(guǒ)是四旋翼飞行器的话,只要单(dān)发失效,除非(fēi)旋翼上有(yǒu)周期变(biàn)距(jù),否则唯一的选择就(jiù)有摔机了。

但旋翼的数量增(zēng)加以后,会对飞行器(qì)的几何尺寸(cùn)带来负面影(yǐng)响。

因为旋翼数多了(le),自(zì)然(rán)每(měi)个旋翼之间的距离(lí)也会缩减。四轴飞(fēi)行器每隔(gé)90度放(fàng)置一个(gè)旋翼,六轴飞行器(qì)每隔60度(dù)放置一个(gè)旋翼(yì),八轴飞(fēi)行器每隔(gé)45度放置一个旋(xuán)翼。假(jiǎ)设(shè)相同拉力(lì)时几个旋翼的桨盘总面(miàn)积相同(这个(gè)并(bìng)不准确,但可以作为(wéi)大概的参(cān)考),很容易得出几种结构形式需要的旋翼(yì)直径(jìng)。如下表所示:

100.jpg 

同样,多(duō)旋翼的旋翼位置在设(shè)计时也(yě)不能相互干涉。因此也很容易得出几(jǐ)种结构形式中(zhōng)旋翼中心距离飞(fēi)行器几何中心(xīn)距离。如下(xià)表所示:

 101.jpg

很容易看出来,相比较旋翼直径(jìng)的缩小,旋翼中心与飞行(háng)器几何(hé)中心的距(jù)离增加得更(gèng)快。因此很不幸的,旋翼的数量越多,飞行器的尺寸也就会做(zuò)得越大。

而且,旋翼越多,多(duō)旋翼飞行器的折叠收纳(nà)就越是问题。六旋(xuán)翼尚且可以折叠(dié),八旋翼就一点办(bàn)法也没(méi)有。即使是简(jiǎn)单的拆掉旋翼支臂,旋翼数越(yuè)多在现场组装(zhuāng)需要花(huā)的时间也就越(yuè)多。而(ér)且,由于多(duō)旋翼飞(fēi)行器有(yǒu)旋翼(yì)安装顺序的(de)要求。要安装的(de)旋翼越多就意味(wèi)着潜藏的出(chū)错(cuò)可能越高。也(yě)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(dōu)是四旋翼的形式(shì)。

但如果你可以使用的动力组合(hé)单发动(dòng)力性能有限,使用四(sì)轴(zhóu)的构型根本无法(fǎ)把设计(jì)起飞(fēi)重量飞起来的(de)话,呵呵,之前我说的(de)那些就当没说好了……要么老老实实增加(jiā)旋翼个数,要(yào)么,只好改(gǎi)方案了(le)。

说到这(zhè)里,可能(néng)会有人说(shuō):不是有那(nà)种(zhǒng)上下叠(dié)层的多旋翼飞行器么(me)?就是在一个支臂上同时放置一(yī)组共轴反桨的(de)动力组(zǔ),这样的话不(bú)就可以做到旋翼个数(shù)增(zēng)加,却不增加飞行(háng)器尺寸的(de)效(xiào)果么?如(rú)同下面(miàn)的这种形式:

 102.jpg

这个点(diǎn)子看起来不错。但有个(gè)重(chóng)要的缺点(diǎn)是,共轴反桨的那上(shàng)下一对旋翼的(de)气流会相互干扰,从而(ér)影响这一对动力组合的效率(lǜ)。简(jiǎn)单地说,就会导致这一对旋翼的拉力(lì)不是1+1=2,而是1+1<2的糟糕结果(guǒ)。至于具(jù)体会(huì)损失多少,大(dà)约是20%的样(yàng)子。因此这么算(suàn)下来的话,其实这种(zhǒng)构型能获得的提(tí)升(shēng)很有限,还(hái)增加了结构的复杂程度(dù)。所以除(chú)非对飞行器尺寸有(yǒu)很严格的要求,一般很少会采用这样的设计方式(shì)。这(zhè)个点子(zǐ)看起来不错(cuò)。但有个重要的缺点是,共轴反(fǎn)桨的那上下一对旋翼的气流会相互(hù)干扰,从而影响这一对动力组合的效率。简单(dān)地(dì)说,就会导致(zhì)这一对(duì)旋翼的拉力(lì)不是1+1=2,而是(shì)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(yīn)此这么算下来的话,其实这(zhè)种构型能获得的提升很(hěn)有限,还增加(jiā)了结构的复(fù)杂(zá)程度。所(suǒ)以除非对飞行器尺寸(cùn)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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