决定多旋(xuán)翼(yì)飞行器旋(xuán)翼个数(shù)的,就是飞行器稳定性(xìng)、几何尺寸和(hé)单(dān)发动力(lì)性能三者的平衡。
先说稳定性的影响。基本(běn)上,我们可(kě)以认为(wéi)多旋翼飞行器(qì)的稳(wěn)定性里,八(bā)旋翼>六(liù)旋翼>四旋翼。原因当(dāng)然(rán)好解释,对于一个(gè)运动特(tè)性(xìng)确定的飞(fēi)行器来说,自(zì)然是能参(cān)与控(kòng)制的量越(yuè)多,越容易得到好的控制效果。四旋翼飞(fēi)行器尚且是(shì)一个欠(qiàn)驱动系统。六旋翼飞行器的时候(hòu)就已经是一个完(wán)全(quán)驱动系统了。复杂了是一(yī)回事,但是如果能获(huò)得比较(jiào)好的效果(guǒ),也是值得的。另外一个不容易注意到的好(hǎo)处是,旋翼(yì)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(fā)飞行器一台发动(dòng)机突然失效不是(shì)很罕见的(de)情况。模型级别的(de)飞行器,射(shè)桨也(yě)是常有的事。在这种情况下,八旋翼和六旋翼都可以(yǐ)承受双(shuāng)发/单发失(shī)效的状况,并且飞行器仍然可控。而如果是四旋翼(yì)飞行器的(de)话,只要单发失(shī)效(xiào),除非旋翼上有周期(qī)变(biàn)距,否则唯(wéi)一的选择就(jiù)有摔机了。
但(dàn)旋翼的数量增加以后,会对飞行(háng)器的几何(hé)尺寸带来负面影响。因为旋(xuán)翼数多(duō)了,自然每个旋翼之间的距离也会缩减。四(sì)轴飞行(háng)器每隔90度放置一个旋翼,六轴飞行器每隔60度放(fàng)置一个(gè)旋翼,八轴飞行器每隔45度放置一个旋翼。假设(shè)相同拉(lā)力(lì)时几个(gè)旋翼的桨盘总面积相同(这个并(bìng)不(bú)准确,但(dàn)可以作(zuò)为大概的参考),很(hěn)容易得出几(jǐ)种结构形式需要的旋翼直径。如下表(biǎo)所(suǒ)示:
四旋翼飞(fēi)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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0.8
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0.71
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同样,多旋翼的旋翼(yì)位置在设计(jì)时(shí)也不能相(xiàng)互干涉。因此(cǐ)也很容易得出(chū)几种结构(gòu)形(xíng)式中旋(xuán)翼中心距离飞行器(qì)几何中(zhōng)心距离。如下(xià)表所示(shì):
四旋翼飞行器
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六旋翼飞行器(qì)
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八旋翼飞(fēi)行(háng)器
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1
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1.414
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1.839
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很容(róng)易看出来,相比(bǐ)较旋翼直(zhí)径的(de)缩小,旋翼(yì)中心与飞行器几何中心的距离增加得更快。因此很不幸的,旋翼的数量(liàng)越多,飞行器的尺寸也就(jiù)会做得越大。而且,旋翼越多,多旋翼飞行器的折叠(dié)收纳就越是问题。六旋翼尚(shàng)且可以折叠,八旋翼就(jiù)一点办法(fǎ)也(yě)没有。即使是简单的拆掉旋翼支臂,旋翼数越多在现(xiàn)场组装需要花的时间也就(jiù)越多。而且,由于多旋翼飞行器有旋翼安装顺序的(de)要求。要(yào)安装(zhuāng)的(de)旋翼越多(duō)就意味着潜藏(cáng)的出(chū)错可能越高。也因此,诸(zhū)如军队等地方(fāng)实际(jì)使(shǐ)用的多旋翼飞行器,几乎无例(lì)外都是四旋翼的形式(shì)。但如果你可以使用的动力组合单发动力性能有限,使(shǐ)用四轴的(de)构型根本无(wú)法把设计起飞重(chóng)量飞起来的话,就要增(zēng)加旋翼个数。
说到(dào)这里,可能会(huì)有(yǒu)人说:不是有(yǒu)那种上下叠层的多旋翼飞(fēi)行器么?就是在一个支臂上同时放置一(yī)组共轴反(fǎn)桨的动力组,这样的话(huà)不就可以做到(dào)旋翼个数增加,却不(bú)增加飞(fēi)行(háng)器尺寸的效果(guǒ)么?如同(tóng)下面的(de)这种(zhǒng)形式:
这个点子(zǐ)看起来不错。但有个重要(yào)的缺点是,共轴反桨的那上下一对(duì)旋翼的气流会相互干扰,从而影响这一对动(dòng)力组合(hé)的效率(lǜ)。简单地(dì)说,就会导致这(zhè)一对(duì)旋翼的(de)拉力不是(shì)1+1 = 2,而是(shì)1+1 < 2的糟糕结(jié)果。至于具(jù)体会损失多(duō)少,大约是(shì)20%的样子。因此这么(me)算下来的话,其实这种构型能获得的提升很有限,还(hái)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(de)要求,一(yī)般很少会采用这样的设计方(fāng)式。这个(gè)点子看起来(lái)不错。但有(yǒu)个(gè)重(chóng)要的缺点是,共轴反桨的(de)那上下一对旋(xuán)翼的气流会(huì)相互干扰,从(cóng)而影响这一对动力组合的效率(lǜ)。
简单地说,就会导致这(zhè)一对旋翼的拉力(lì)不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的糟糕结果。至(zhì)于具体会损失多(duō)少,大(dà)约是20%的样子。因此(cǐ)这么(me)算下来的话,其实这种构型能(néng)获得的提升很(hěn)有限,还增(zēng)加(jiā)了结构的(de)复杂程(chéng)度。所以除(chú)非对飞行器尺寸有很严格的要求(qiú),一般很少(shǎo)会采(cǎi)用这样的设(shè)计方式(shì)。 (稿源:南京领航无(wú)人(rén)机)

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