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无人机教程系列:无人机为何偏爱多旋翼?

  它的运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变,以调整力和力矩,该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼。

  第一,桨叶尺寸越大,越难迅速改变其速度。

  正是因为如此,直升机主要是靠改变桨距而不是速度来改变升力。

  第二,在大载重下,桨的刚性需要进一步提高。

  螺旋桨的上下振动会导致刚性大的桨很容易折断,这与我们平时来回折铁丝便可将铁丝折断同理。因此,桨叶的柔性是很重要的,它可以减少桨叶来回旋转对桨叶根部的影响。正因为如此,为了减少桨叶的疲劳,直升机采用了一个容许桨叶在旋转过程中上下运动的铰链。如果要提供大载重,多旋翼也需要增加活动部件或加入涵道和整流片。这相当于一个多旋翼含有多个直升机结构。这样多旋翼的可靠性和维护性就会急剧下降,优势也就不那么明显了。当然,另一种增加多旋翼载重能力的可行方案便是增加桨叶数量,增至18个或32个桨。但该方式会极大地降低可靠性、维护性和续航性。种种原因使人们最终选择了微小型多旋翼。

  2 、多旋翼爆红的成因

  沉寂期:1990年以前

  早在1907年,法国C.Richet教授指导Breguet兄弟进行了他们的旋翼式直升机的飞行试验,如图1a,这是有记录以来最早的构型。第一架成功飞行的垂直起降型四旋翼飞行器出现在20世纪20年代,但那时几乎没有人会用到它。1920年,E.Oemichen设计了第一个四旋翼飞行器的原型,但是第一次尝试空运时失败了。

  之后在1921年B.G.De在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另一架如图1c的大型四旋翼直升机,这架四旋翼飞机除飞行员外可承载3人,原本期望的飞行高度是100米,但是最终只飞到5米的高度。E.Oemichen的飞机在经过重新设计之后(如下图b所示),于1924年实现了起飞并创造了当时直升机领域的世界纪录,该直升机首次实现了14分钟的飞行时间。E.Oemichen和B.G.De设计的四旋翼飞行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋桨来推进,因此它们都不是真正的四旋翼飞行器。

无人机教程系列:无人机为何偏爱多旋翼?

  (早期的多旋翼)

  早期四旋翼飞行器的设计受困于极差的发动机性能,飞行高度仅仅能达到几米,因此在接下来的30年里,四旋翼飞行器的设计没有取得多少进步。直到1956年,M.K.Adman设计的第一架真正的四旋翼飞行器Convertawings Model“A”(如图1d)试飞取得巨大成功,这架飞机重达1吨,依靠两个90马力的发动机实现悬停和机动,对飞机的控制不再需要垂直于主旋翼的螺旋桨,而是通过改变主旋翼的推力来实现。然而,由于操作这架飞机的工作量繁重,且飞机在速度、载重量、飞行范围、续航性等方面无法与传统的飞行器竞争,因此人们对此失去了进一步研究的兴趣,该研究被迫停止。

  在20世纪50年代,美国陆军继续测试各种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机的几家公司之一,杠杆燃气涡轮机的出现提高了VZ-7的功率与重量比。因此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如图(e)所示,其有效载重量为250千克,靠425马力的杠杆燃气涡轮发动机驱动。VZ-7的测试在1959年至1960年期间得到实现。虽然它相对稳定,但是它未能达到军方对高度和速度的要求,该计划并没有得到更进一步的推行。

  在1990年以前,惯性导航体积重量过大,动力系统载荷也不够,因此当时多旋翼设计得很大。正如前面分析的,大尺寸的多旋翼并没有那么大优势,与多旋翼相比,固定翼和直升机更适合发展大尺寸。在此之后的30年中,四旋翼飞行器的研发没有取得太大的进展,几近沉寂。

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