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決定
多旋翼飛行器旋翼個數(shù)的,就是飛行器穩(wěn)定性、幾何尺寸和單發(fā)動力性能三者的平衡。
先說穩(wěn)定性的影響?;旧?,我們可以認為多旋翼飛行器的穩(wěn)定性里,八旋翼>六旋翼>四旋翼。原因當然好解釋,對于一個運動特性確定的飛行器來說,自然是能參與控制的量越多,越容易得到好的控制效果。四旋
翼飛行器尚且是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)。
六旋翼飛行器的時候就已經(jīng)是一個完全驅(qū)動系統(tǒng)了。復雜了是一回事,但是如果能獲得比較好的效果,也是值得的。
另外一個不容易注意到的好處是,旋翼數(shù)量較多的時候飛行器對于動力系統(tǒng)失效的容忍程度也會上升。畢竟多發(fā)飛行器一臺發(fā)動機突然失效不是很罕見的情況。模型級別的飛行器,射槳也是常有的事。在這種情況下,八旋翼和六旋翼都可以承受雙發(fā)/單發(fā)失效的狀況,并且飛行器仍然可控。而如果是四旋翼飛行器的話,只要單發(fā)失效,除非旋翼上有周期變距,否則唯一的選擇就有摔機了。(可你為什么要在四旋翼上裝周期變距呢?)
但旋翼的數(shù)量增加以后,會對飛行器的幾何尺寸帶來負面影響。
因為旋翼數(shù)多了,自然每個旋翼之間的距離也會縮減。四軸飛行器每隔90度放置一個旋翼,六軸飛行器每隔60度放置一個旋翼,八軸飛行器每隔45度放置一個旋翼。假設(shè)相同拉力時幾個旋翼的槳盤總面積相同(這個并不準確,但可以作為大概的參考),很容易得出幾種結(jié)構(gòu)形式需要的旋翼直徑。如下表所示:
同樣,多旋翼的旋翼位置在設(shè)計時也不能相互干涉。因此也很容易得出幾種結(jié)構(gòu)形式中旋翼中心距離飛行器幾何中心距離。如下表所示:
很容易看出來,相比較旋翼直徑的縮小,旋翼中心與飛行器幾何中心的距離增加得更快。因此很不幸的,旋翼的數(shù)量越多,飛行器的尺寸也就會做得越大。
而且,旋翼越多,多旋翼飛行器的折疊收納就越是問題。六旋翼尚且可以折疊,八旋翼就一點辦法也沒有。即使是簡單的拆掉旋翼支臂,旋翼數(shù)越多在現(xiàn)場組裝需要花的時間也就越多。而且,由于多旋翼飛行器有旋翼安裝順序的要求。要安裝的旋翼越多就意味著潛藏的出錯可能越高。也因此,諸如軍隊等地方實際使用的多旋翼飛行器,幾乎無例外都是四旋翼的形式。
但如果你可以使用的動力組合單發(fā)動力性能有限,使用四軸的構(gòu)型根本無法把設(shè)計起飛重量飛起來的話,呵呵,之前我說的那些就當沒說好了……要么老老實實增加旋翼個數(shù),要么,只好改方案了。
說到這里,可能會有人說:不是有那種上下疊層的多旋翼飛行器么?就是在一個支臂上同時放置一組共軸反槳的動力組,這樣的話不就可以做到旋翼個數(shù)增加,卻不增加飛行器尺寸的效果么?如同下面的這種形式:
這個點子看起來不錯。但有個重要的缺點是,共軸反槳的那上下一對旋翼的氣流會相互干擾,從而影響這一對動力組合的效率。簡單地說,就會導致這一對旋翼的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕結(jié)果。至于具體會損失多少,大約是20%的樣子。因此這么算下來的話,其實這種構(gòu)型能獲得的提升很有限,還增加了結(jié)構(gòu)的復雜程度。所以除非對飛行器尺寸有很嚴格的要求,一般很少會采用這樣的設(shè)計方式。這個點子看起來不錯。但有個重要的缺點是,共軸反槳的那上下一對旋翼的氣流會相互干擾,從而影響這一對動力組合的效率。簡單地說,就會導致這一對旋翼的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕結(jié)果。至于具體會損失多少,大約是20%的樣子。因此這么算下來的話,其實這種構(gòu)型能獲得的提升很有限,還增加了結(jié)構(gòu)的復雜程度。所以除非對飛行器尺寸有很嚴格的要求,一般很少會采用這樣的設(shè)計方式。