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多旋翼(yì)飞行器(qì)的旋翼数量是由什么决定(dìng)的(de)?

 

决定多旋翼飞行(háng)器(qì)旋翼个数的,就是飞行器稳(wěn)定性、几(jǐ)何尺寸(cùn)和单发动(dòng)力性能三(sān)者的平衡(héng)。

先说(shuō)稳定性的(de)影响。基本上,我们可(kě)以认为(wéi)多旋翼飞行(háng)器的稳(wěn)定性里,八(bā)旋翼>六旋翼>四旋(xuán)翼。原因当然(rán)好解释,对于一个运动特性确定的飞行器来说,自(zì)然是(shì)能(néng)参与控制的量越多,越容易得到好(hǎo)的(de)控制效(xiào)果(guǒ)。四旋翼飞行(háng)器尚且是一个欠(qiàn)驱动系(xì)统。六旋翼(yì)飞行器的时候就已经是一个完全驱动系(xì)统了。复杂了(le)是一回事,但是如果能获得比较(jiào)好的效果,也(yě)是值得的。

另外一个(gè)不容(róng)易注意到的好处(chù)是,旋翼(yì)数量(liàng)较多的时候飞(fēi)行(háng)器对于动(dòng)力系统失效的(de)容忍程度也会上升。毕竟多发飞行器一台发动机(jī)突(tū)然失效(xiào)不是很罕见的情况。模型级别(bié)的飞行器(qì),射桨也(yě)是(shì)常有的事(shì)。在这种情况(kuàng)下,八旋翼(yì)和(hé)六旋翼都可以(yǐ)承受双(shuāng)发(fā)/单发失效的状况,并且飞行器仍然可控。而如果是四旋翼飞(fēi)行器的话(huà),只要单发失(shī)效,除非(fēi)旋翼上有周期变距,否则(zé)唯一的选择就有摔(shuāi)机了。(可你(nǐ)为什么要在四旋翼上装周期变距呢?)

但旋翼的(de)数(shù)量(liàng)增加以后,会对飞行器的几何(hé)尺寸带来负面影响(xiǎng)。

因为旋翼(yì)数多了,自然每个旋(xuán)翼之(zhī)间的(de)距离(lí)也会(huì)缩(suō)减。四轴飞行(háng)器每隔90度放(fàng)置一个旋翼(yì),六轴(zhóu)飞行器每隔60度(dù)放置一(yī)个旋翼,八轴飞行器每隔45度放置(zhì)一(yī)个(gè)旋翼。假设相同拉力时几个旋翼(yì)的桨盘(pán)总(zǒng)面(miàn)积相同(这个并不准确(què),但可以(yǐ)作为大概(gài)的参考(kǎo)),很(hěn)容易得出(chū)几种(zhǒng)结构形式需(xū)要的旋翼直径。

同样,多旋翼的旋翼位置在(zài)设计时也不能相互干涉。因此也很容易得出(chū)几种结构形式中旋翼(yì)中心(xīn)距离飞(fēi)行(háng)器几何中(zhōng)心距离。

很容易看(kàn)出来,相比(bǐ)较(jiào)旋翼直径(jìng)的缩小,旋翼中心与(yǔ)飞行器几何中(zhōng)心(xīn)的距离增加得更(gèng)快。因此很不幸的,旋翼的数(shù)量越多,飞行器的尺寸也就会做(zuò)得越大。

而且,旋(xuán)翼(yì)越多(duō),多(duō)旋翼飞行器的折叠(dié)收纳就越(yuè)是问题(tí)。六旋(xuán)翼尚(shàng)且可以折叠,八旋翼就一点办法也没(méi)有。即使(shǐ)是简(jiǎn)单的拆掉旋翼支臂,旋翼数(shù)越多在现场组装(zhuāng)需要花的时间也就越(yuè)多(duō)。而且(qiě),由于多旋翼飞(fēi)行器有旋(xuán)翼安装顺序的要求(qiú)。要安装(zhuāng)的(de)旋翼(yì)越多就意(yì)味着潜藏的出错可能越高(gāo)。也因此(cǐ),诸如军队等地方实际使用(yòng)的(de)多旋翼飞行器,几乎无例外都是(shì)四(sì)旋翼的(de)形(xíng)式(shì)。

但如果(guǒ)你可以使用的动(dòng)力组合单发动力性能(néng)有限,使用四轴的(de)构型根本无法把(bǎ)设计起飞(fēi)重量飞起来的话(huà),呵呵,之(zhī)前(qián)我(wǒ)说的那些就(jiù)当没说好了……要么老老实实增加(jiā)旋翼(yì)个数,要么(me),只好改方案了。

说到这(zhè)里(lǐ),可能会(huì)有(yǒu)人说:不是有那(nà)种上下叠层的多(duō)旋翼飞行器么?就是在一个支臂上同时放置一(yī)组(zǔ)共轴反桨(jiǎng)的动(dòng)力组,这样的话不就可以(yǐ)做到旋翼个(gè)数增加,却不增加飞行器(qì)尺寸的效果么(me)?如同下面的这(zhè)种形式(shì):这个点子(zǐ)看起来(lái)不错。但有个重要的缺点是,共轴反桨的那(nà)上下一对旋翼的气流会(huì)相互干扰,从而影(yǐng)响这(zhè)一对动力(lì)组合的效率。简(jiǎn)单地(dì)说,就(jiù)会导致这一对旋翼(yì)的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 <2的糟(zāo)糕结(jié)果。至于(yú)具体会损失多(duō)少,大约是20%的样子。因此这么算下来的话,其(qí)实这种构型能(néng)获(huò)得的提升很有限,还增加了结构的复杂程度(dù)。所以除非对(duì)飞行器(qì)尺寸有很严格(gé)的要求,一般很少会(huì)采用这样(yàng)的设(shè)计方式。

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