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多旋(xuán)翼飞(fēi)行器的旋翼个(gè)数是由什么决定的?

 

决定多(duō)旋翼飞行器旋(xuán)翼个数的,就是飞行(háng)器稳定(dìng)性、几何尺(chǐ)寸和(hé)单发动(dòng)力性能三者的(de)平(píng)衡。

先(xiān)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(yì)>四旋翼。原(yuán)因当然好解释,对于(yú)一个运动特性确定的飞行器来说(shuō),自然是能参与控制(zhì)的量(liàng)越(yuè)多,越(yuè)容易得到好(hǎo)的控制效果。四旋翼(yì)飞行器尚且是一个欠驱(qū)动系统。六旋翼飞行器的(de)时候(hòu)就(jiù)已经是一个完全(quán)驱动系统(tǒng)了。复杂了是(shì)一回事(shì),但是如果能获得比(bǐ)较(jiào)好的效果,也是值(zhí)得的。

另(lìng)外(wài)一(yī)个(gè)不(bú)容易注(zhù)意到的好(hǎo)处是,旋翼数量(liàng)较多(duō)的时候飞行器对于动力系(xì)统(tǒng)失效(xiào)的容忍程度也会上升。毕(bì)竟多发飞行器一台发动机突然(rán)失效(xiào)不(bú)是很罕见的情况。模(mó)型(xíng)级别(bié)的飞行器,射桨也(yě)是常有的事。在这种情(qíng)况(kuàng)下,八旋翼和六旋翼都可以承受(shòu)双发/单发失效的状况(kuàng),并且(qiě)飞行器仍然(rán)可控。而如果是四旋翼(yì)飞行器的话,只要单发失效,除非旋翼上有周(zhōu)期变距,否则唯一(yī)的选(xuǎn)择就(jiù)有摔(shuāi)机了。

但旋(xuán)翼的(de)数量增加(jiā)以后,会对(duì)飞行器(qì)的几何尺(chǐ)寸带来负面影响。

因为旋翼数多了,自然(rán)每个旋翼之间的距离也会缩减。四轴(zhóu)飞行器(qì)每隔90度放置一个旋翼,六轴飞(fēi)行器每隔60度(dù)放置一个旋(xuán)翼,八轴飞行器每(měi)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(bú)准(zhǔn)确,但可以作为大(dà)概的参考(kǎo)),很容易得出几种结构(gòu)形式需要的(de)旋翼直径。如下表所示:

100.jpg 

同样,多旋翼的旋(xuán)翼位置在设计时也不能(néng)相互干涉。因此也很容(róng)易得出几(jǐ)种结(jié)构形式中旋(xuán)翼中心距离飞(fēi)行器(qì)几何中心距离。如下表(biǎo)所示:

 101.jpg

很容易看出来(lái),相(xiàng)比较(jiào)旋翼直径(jìng)的缩小,旋翼中心(xīn)与飞行器几何中心(xīn)的距离增加得更快。因此(cǐ)很不幸(xìng)的,旋翼的数(shù)量越多,飞行(háng)器的尺寸也(yě)就会做得越(yuè)大。

而且,旋翼越(yuè)多,多旋翼飞行(háng)器的(de)折叠(dié)收纳(nà)就越是(shì)问题(tí)。六(liù)旋翼尚且可以折叠(dié),八旋翼就(jiù)一点办法也没(méi)有。即使是简单的(de)拆掉旋翼(yì)支臂,旋翼(yì)数越多在现场(chǎng)组装需要花的时间也就越多(duō)。而且,由于多旋翼(yì)飞(fēi)行器有(yǒu)旋翼安装顺序的要求(qiú)。要安装(zhuāng)的旋翼(yì)越(yuè)多就意味着(zhe)潜藏的出(chū)错可(kě)能越高。也因(yīn)此,诸如(rú)军队等(děng)地方实际使用的(de)多(duō)旋翼飞行器,几乎无例外都是(shì)四旋翼的形式(shì)。

但(dàn)如果你可以使用的(de)动力组合(hé)单发动力(lì)性能有限,使用四轴的构(gòu)型根本无(wú)法把设计起飞重量(liàng)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(lǎo)实实增(zēng)加旋翼个(gè)数,要么,只(zhī)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(yì)飞行器么?就(jiù)是在一个支臂上(shàng)同时放置一组共(gòng)轴反(fǎn)桨的动力(lì)组,这(zhè)样(yàng)的话不就可以做到旋翼个数增加,却不增(zēng)加飞行器尺寸(cùn)的效(xiào)果么?如同下面的这种形(xíng)式:

 102.jpg

这个点子看(kàn)起来不错(cuò)。但有(yǒu)个重要的缺(quē)点是(shì),共轴反桨的那上下一(yī)对(duì)旋(xuán)翼的气流会相互干(gàn)扰,从而(ér)影响这一对动(dòng)力组合的效率。简单地(dì)说,就会(huì)导(dǎo)致这(zhè)一对旋(xuán)翼的(de)拉力不是1+1=2,而是1+1<2的(de)糟(zāo)糕结果。至于具体会损失多少,大约是20%的(de)样子。因此这么算下(xià)来(lái)的话,其实这种构型能获得的(de)提升很有限,还增加了结构的(de)复杂程度。所以除(chú)非对(duì)飞行器尺寸(cùn)有很严格的要(yào)求(qiú),一般很少(shǎo)会(huì)采用这样的设计方式。这个点子看(kàn)起来不错(cuò)。但有(yǒu)个(gè)重(chóng)要的缺点(diǎn)是,共(gòng)轴反(fǎn)桨的(de)那上(shàng)下一对旋翼的气(qì)流(liú)会相互(hù)干(gàn)扰,从而影响这一对动力(lì)组合的效率。简单地说,就会导(dǎo)致这一对旋翼的拉力(lì)不是1+1=2,而是1+1<2的(de)糟糕结果。至于具体会损(sǔn)失多少,大约是20%的样子(zǐ)。因此这(zhè)么算下来(lái)的话,其实(shí)这种构型能获得(dé)的提升很有限,还增加(jiā)了结构(gòu)的复(fù)杂程度。所以除非对飞行器尺寸(cùn)有很严格(gé)的要求(qiú),一般很少会采用这样的设计方式。

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