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多旋翼飞行器的(de)旋翼个数(shù)是由什么决定的?

 

决定多旋翼飞行器旋翼个数的,就是(shì)飞(fēi)行器稳定性、几(jǐ)何尺寸和单发动力性能三者的平(píng)衡。

先说(shuō)稳定性的(de)影响。基本上,我们可以认为多(duō)旋翼飞行(háng)器(qì)的稳定性里(lǐ),八旋翼>六旋(xuán)翼(yì)>四旋翼(yì)。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(shì)能参(cān)与控制的量越多,越容易得到(dào)好的控制(zhì)效果。四旋(xuán)翼飞(fēi)行器尚且是(shì)一个欠驱动系统。六旋翼飞行器的时候就已经是一个(gè)完全(quán)驱动系统了。复杂了是一回事,但是(shì)如果能获得(dé)比(bǐ)较好的效果,也是值得的。

另(lìng)外一个不容易注意到(dào)的(de)好处是,旋翼数(shù)量较(jiào)多的时(shí)候飞行器对(duì)于动力系统失效的(de)容忍(rěn)程度也(yě)会上升。毕竟多发飞行(háng)器一台发动机突然失(shī)效不是很罕见(jiàn)的情况。模型级别的飞(fēi)行器,射桨也(yě)是常有的事。在这种情况下,八旋翼和六旋翼都可(kě)以承受双发/单发失效的状况,并且飞行器(qì)仍然可控(kòng)。而如果是四旋翼飞行器的话,只(zhī)要单发失效,除(chú)非旋翼(yì)上有周(zhōu)期变距,否则唯一的选择就有摔机了。

但旋翼的(de)数量增加以(yǐ)后,会对飞行器的几何尺寸(cùn)带来负面影响。

因为旋(xuán)翼数多了,自然(rán)每(měi)个旋翼之(zhī)间的(de)距离(lí)也会缩减。四轴飞行器每隔90度放置一个旋翼(yì),六(liù)轴飞行器每隔(gé)60度(dù)放(fàng)置(zhì)一个(gè)旋(xuán)翼,八轴(zhóu)飞行器每隔45度(dù)放置一个旋翼。假设相同拉力时几个旋(xuán)翼的(de)桨盘总面积相同(tóng)(这个并(bìng)不(bú)准确,但(dàn)可以作为大概的参考),很(hěn)容易得出几种结构形式需要的(de)旋(xuán)翼直径。如(rú)下表(biǎo)所示(shì):

100.jpg 

同样(yàng),多旋翼的旋翼(yì)位置(zhì)在设(shè)计时也不能相(xiàng)互干涉。因此(cǐ)也很容易得(dé)出几种结构(gòu)形式中旋翼中心距离飞(fēi)行器几何(hé)中心距(jù)离。如下表所示:

 101.jpg

很容易看出来,相(xiàng)比较旋(xuán)翼直径的缩小,旋翼(yì)中心与飞行器(qì)几何中心的距离增(zēng)加得更快。因此很不幸的,旋翼(yì)的数量越多,飞行(háng)器的尺寸也(yě)就(jiù)会(huì)做(zuò)得(dé)越(yuè)大。

而且,旋翼越多,多旋翼飞(fēi)行器的折(shé)叠收(shōu)纳就越是(shì)问题。六旋(xuán)翼(yì)尚且可以折(shé)叠,八(bā)旋翼就一点办(bàn)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(yuè)多。而且,由于多旋翼飞行(háng)器有旋翼安装(zhuāng)顺序的要求。要安装的旋翼越多就(jiù)意味着潜藏的(de)出错可能越高。也因此(cǐ),诸如军队等地方实际使用的多旋翼飞行器,几(jǐ)乎(hū)无例外(wài)都是四旋翼的形(xíng)式。

但如果你可以使用的动(dòng)力组合单发动力性能有限,使用四轴的构(gòu)型根本(běn)无法(fǎ)把设计起(qǐ)飞(fēi)重量飞起来(lái)的话(huà),呵呵,之前我(wǒ)说的那些就当没说好(hǎo)了(le)……要(yào)么老老实实(shí)增加旋翼(yì)个数,要么,只(zhī)好改(gǎi)方案了。

说到这里,可能会(huì)有人说:不是有那种上下(xià)叠层的多(duō)旋翼飞行器么?就是在一(yī)个支臂上同时放(fàng)置一组共轴反桨的(de)动(dòng)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(qì)尺寸的效果么?如同下面(miàn)的这种形式:

 102.jpg

这个点子看起来不错。但有(yǒu)个(gè)重要的(de)缺点是,共轴反(fǎn)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(xiào)率。简单地说(shuō),就(jiù)会导(dǎo)致这一对旋翼的(de)拉力不是(shì)1+1=2,而是(shì)1+1<2的糟糕结果。至于具体会损(sǔn)失多少,大约(yuē)是20%的(de)样(yàng)子。因(yīn)此这么算下(xià)来的话,其(qí)实这种构型能获得的(de)提升很有限,还增加了(le)结构的复杂程度。所以除非对飞(fēi)行器尺寸有很严格的(de)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(yī)对动力组合的(de)效率。简单(dān)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(zāo)糕(gāo)结果。至于具体(tǐ)会损失(shī)多(duō)少,大(dà)约(yuē)是20%的样子(zǐ)。因此这么算下(xià)来的(de)话,其实(shí)这(zhè)种(zhǒng)构(gòu)型(xíng)能获得的提升很有限(xiàn),还(hái)增加了(le)结构的复杂程度。所以除(chú)非对飞行(háng)器尺(chǐ)寸有很(hěn)严格的要求,一般很少会采用(yòng)这样的设计方式。

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