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四旋翼飞行器结构(无人机的四旋翼为什么不能运用到大型有人直升机上)

发布于：2024-03-27 20:16:06 来源：互联网

作为业内人士，我可以尝试解答这个问题，但是由于牵扯的因素太多，我只能用尽量简单明了的方式阐述最主要的问题所在。

1、无人机的四旋翼系统从气动上来说是静不稳定的，也就是说哪怕四个电机和螺旋桨的功率、转速、升力一模一样，重心也在绝对的中心点上，在遇到稍微一点扰动的时候（此时排除飞控的主动补偿），四旋翼系统就会偏离平衡状态，并且无法依靠气动布局本身恢复平衡。所以，四旋翼系统需要搭载“姿态传感器--飞控--电机&桨”的一整套负反馈系统来维持飞机的平衡，这套系统的特点就在于它是采用控制电机转速进而改变螺旋桨升力的方法来维持平衡状态的，所以除了电机完全没有任何机械装置，相对于常规直升机旋翼的复杂控制机构，四旋翼这一套几乎完全由电子装置组成的反馈控制系统显得特别简洁而可靠，更由于电子工业尤其是芯片产业的飞速发展，成本飞速下降，使其成为一种廉价而可靠的小型无人机的解决方案。

2、为实现四旋翼的稳定飞行，“姿态传感器--飞控--电机&桨”这套反馈系统必须满足一些特定的条件，比如：系统响应速度就是最重要的一点。在四旋翼飞机遇到扰动偏离平衡状态的时候，反馈系统必须在很短的时间内检测到飞机的偏离状态并解算出恢复平衡所需的“解决方案”，然后迅速改变各个电机转速来纠正飞机的姿态。这个过程顺利实现的前提就是系统响应速度要足够快！可以想象：如果系统响应过于迟缓，那么当飞控解算出“解决方案”并指挥电机改变转速的时候，飞机的姿态已经发生了更大的变化，导致之前的解决方案已经过时，那飞机就无法回复到平衡状态，进而进入失控的状态。所以，对四旋翼系统而言，响应速度是至关重要的。而响应速度在传感器和飞控这两个纯电子部分的延时是非常有限的，主要矛盾都集中在电机&桨这个机械装置部分：由于惯性和空气阻尼的存在，电机的转速增加或减少相对于电子系统而言是很缓慢的，为改善这个问题，工程师们也想了很多办法，最常见的两种：（1）、增大电机的功率并减小螺旋桨的惯量与阻尼，尽可能形成“大马拉小车”的格局以增加电机&桨系统的增速斜率。（2）、增加电子刹车等功能，满足电机&桨系统的减速斜率。OK！响应速度的问题终于解决了，但是却带来一个问题：由于采用“大马拉小车”的匹配格局，四旋翼飞机在正常飞行的状态下，实际上电机功率（转速）都处于中间状态，也就是要留下足够的功率用来增速，所以导致四旋翼系统的功率--载荷效率很低，因为一小半的功率都是用来储备着随时纠正飞机姿态用的！

3、当四旋翼系统的尺度增大，电机&桨的转动惯量和空气阻尼都会随之增大，系统响应速度会迅速恶化，当尺寸增大到一定程度以后，就会导致响应速度完全跟不上需要，四旋翼这套电子反馈控制系统就会失效。所以，我们可以看到国内外研发大功率多旋翼系统的时候，很多都采用了变距桨的方案，也就是通过改变桨距来改变升力的方式来维持平衡；这种方式的好处是：在大尺寸大功率的情况下响应速度能满足要求，其次功率--载荷效率会比较高，因为改变桨距来改变升力的方法不需要太多的储备功率用来纠正姿态---虽然增加桨距也需要增加一定的功率来维持转速，但是比单纯依靠提升转速来增加升力的方式所需的储备功率少得多！但是带来的问题就是机械结构复杂程度大大提高了，给整个系统的可靠性带来了风险，而且成本也高得多！

4、当四旋翼系统尺度增大到与载人直升机相当的地步时，更严重的事情出现了！那就是随着桨叶直径的增大，桨叶外端的线速度很快就要接近或者超过音速！这就产生了一个很矛盾的问题：桨叶转速的正负调整区间有了一个上限，而且这个上限离正常飞行时的数值不远！也就意味着转速增加的区间很有限；但是飞控系统没办法在这么小的转速区间里做出足够精度的控制。比如说：原本增加转速的区间是五千转每分钟到一万转每分钟，千分之一的转速阶梯就是五转每分钟；而如果大尺寸桨叶的情况下，为避免桨尖超过音速，将正常转速降低为三千转每分钟，而音速上限为四千转每分钟，那么千分之一的转速阶梯就是一转每分钟。这个对于飞控来说基本上就是做不到的控制精度！

5、如果在载人直升机的尺度级别采用变距桨的模式来实现多旋翼模式，至少四个变距机构的复杂性跟常规直升机的旋翼控制机构也不遑多让了，而且还有一个问题，多旋翼模式的悬停效率比常规旋翼低很多，导致载荷能力低下，经济上、技术上都不划算！

综上所述，大尺度情形下，四旋翼（多旋翼）系统的实用性和可靠性都没有优势，甚至某些方面具有劣势，这也是为什么现在没有哪家公司采用多旋翼系统来做大型飞机的原因了。

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