决定多旋翼飞行器旋翼个数的,就是飞行器(qì)稳定性、几(jǐ)何尺寸和单发动(dòng)力性(xìng)能三者的平衡。
先(xiān)说稳定性的影响(xiǎng)。基本上,我们可(kě)以(yǐ)认为多旋翼飞(fēi)行器的(de)稳定性里,八旋翼>六旋翼>四(sì)旋(xuán)翼。原因当然好解释,对于一个(gè)运(yùn)动特性确(què)定(dìng)的飞行器(qì)来(lái)说,自然是(shì)能(néng)参与控制的量越多,越容易得到好的控(kòng)制效果。四旋翼飞行器尚且是一个欠驱动系统。六(liù)旋翼飞(fēi)行器的时候就已经是一个完(wán)全驱动系统(tǒng)了(le)。复杂了是一回事,但是如果能获(huò)得比较(jiào)好的效果,也是值(zhí)得的。另外一个不容易注(zhù)意(yì)到的好处(chù)是,旋翼数量(liàng)较多的时候飞行器(qì)对于动力系统失效(xiào)的容(róng)忍程度也会上升。毕竟多发飞行器一台发(fā)动机突然(rán)失效(xiào)不是很罕见(jiàn)的情况。模型级别的飞行(háng)器,射桨(jiǎng)也是常有的事。在这种情况(kuàng)下(xià),八(bā)旋翼(yì)和六旋翼都可(kě)以承受(shòu)双(shuāng)发/单发失效的状况,并且飞行器仍然可控。而(ér)如果是(shì)四旋翼飞行器的话(huà),只要单发失效,除(chú)非旋翼上有周期变距(jù),否则唯一的选择就有摔机了。
但旋(xuán)翼的数量增加以后,会对飞行器(qì)的几何尺寸带来负面(miàn)影响。因为旋翼数多了,自然每个旋(xuán)翼之间的距离也会(huì)缩减。四轴飞行器每隔90度(dù)放置一个旋翼,六(liù)轴飞行器每隔(gé)60度放置(zhì)一(yī)个旋翼,八轴(zhóu)飞行器每隔45度放置一个旋翼。假设相(xiàng)同拉(lā)力时几(jǐ)个旋翼的桨盘总(zǒng)面积相同(这个并不准(zhǔn)确,但可以作为(wéi)大概的参(cān)考),很容易(yì)得出几(jǐ)种结构形式(shì)需要的旋翼直(zhí)径。如下表(biǎo)所示:
四旋(xuán)翼(yì)飞行器
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六旋(xuán)翼飞行(háng)器
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八旋翼飞行器
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1
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0.8
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0.71
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同样,多(duō)旋翼的(de)旋翼位置在设计时也不能相互干(gàn)涉。因此也很容易得出(chū)几种结构形式中旋翼中心距离飞行器几何中心距离。如下表所示:
四旋翼(yì)飞行器
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六旋翼飞行器
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八旋翼飞行器
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1
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1.414
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1.839
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很容易看出来,相比较旋翼直(zhí)径的缩小(xiǎo),旋翼中心与飞行器几何中心的距离(lí)增加(jiā)得更快。因此很(hěn)不幸的,旋翼的数量越多,飞行器(qì)的尺寸(cùn)也(yě)就会做得越大。而(ér)且(qiě),旋翼越多,多旋翼飞行器的折(shé)叠收纳就越是问题。六旋翼尚且可以折叠,八旋翼就一点(diǎn)办(bàn)法也没有。即使是简单的拆(chāi)掉旋翼支臂,旋翼数越多在现场组装需要(yào)花的时间也就越多。而且(qiě),由于多(duō)旋(xuán)翼飞行器有旋(xuán)翼(yì)安装顺序的要求。要安装的(de)旋翼越多就意味着潜藏的出错可能(néng)越高。也因此,诸如军队等(děng)地方(fāng)实际使用(yòng)的多旋翼飞(fēi)行器,几乎无例(lì)外都是四旋(xuán)翼的形(xíng)式。但如果你可以使用的动力组合(hé)单发(fā)动(dòng)力性能(néng)有(yǒu)限,使(shǐ)用四轴的(de)构(gòu)型根本无法把设计起飞重量飞起来的(de)话,就(jiù)要增加旋翼个数。
说到这里,可能会有人说(shuō):不是有那种上下(xià)叠层(céng)的多旋翼飞行器么?就是在(zài)一(yī)个支臂上同(tóng)时放置(zhì)一组共轴反(fǎn)桨的动力组,这样的话不就可以做到(dào)旋翼个(gè)数(shù)增加,却不增加飞行器尺寸的(de)效果么?如(rú)同下(xià)面的这(zhè)种形(xíng)式:
这个点(diǎn)子看起来(lái)不错。但有个(gè)重要的缺点是(shì),共(gòng)轴(zhóu)反桨的那上下一(yī)对旋翼的气流会相互(hù)干扰,从而(ér)影响这一(yī)对(duì)动力(lì)组(zǔ)合的效率。简单(dān)地(dì)说,就会导致(zhì)这一对(duì)旋翼的拉(lā)力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕结(jié)果。至于(yú)具体会(huì)损(sǔn)失(shī)多少,大约是20%的样子。因(yīn)此(cǐ)这么算(suàn)下来的(de)话,其(qí)实这种构型能获得的提升很(hěn)有限,还增加了结(jié)构的复杂程度。所以除非对飞行器尺寸有很严格的要(yào)求,一般很少(shǎo)会采(cǎi)用(yòng)这样的设计方(fāng)式。这个点(diǎn)子(zǐ)看起来不错。但(dàn)有个重要的缺点是,共轴(zhóu)反桨的那(nà)上下一对旋翼的气流会(huì)相互干扰,从而影响这一对动力组合的效率。
简单地说,就(jiù)会导致这一对旋翼的拉力不(bú)是1+1 = 2,而(ér)是1+1 < 2的糟糕结(jié)果。至(zhì)于具体会损失多少,大(dà)约是20%的样子。因(yīn)此这么算下来的话,其实(shí)这(zhè)种构型能获得(dé)的(de)提升很有(yǒu)限,还增加了(le)结构的复杂程度(dù)。所以除非对飞行器尺寸有很严格的要求,一般很少(shǎo)会采用这样的设计方式。 (稿源(yuán):南京领航无人机(jī))

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