飞行器的特点与创新潜力

2023-07-05 理论教育版权反馈

【摘要】：图4.30 1963年起飞中的Curtiss-Wright X-19实验机最后，当多旋翼飞行器“大型化”后，需要提供额外的升力。图4.31 “黑暗骑士崛起”电影中出现的蝙蝠侠飞行器任何一种飞行器结构都存在自己优缺点，换句话说，留给爱好者和设计者的空间是很大的，无人机在飞行器控制方式和结构设计中蕴藏着巨大的创新潜力。

多旋翼机型确实降低了商品无人机的门槛。然而在很多飞行器设计师眼中，多旋翼飞行器是一个“奇怪”的存在，它的缺点实在是非常多，但因具有非常鲜明的优点而成为当下无人机市场的宠儿。

图4.27 操纵消费级多旋翼无人机要放轻松（图片来源：pixabay）

1）优点

从飞行器操作者的角度来看，多旋翼是完美（简单）的被控对象。

多旋翼飞行器可以很容易地产生统一方向的气流推送，因此具备优秀的VOTL能力与定点悬停能力，这是一般固定翼机型望尘莫及的。这使得多旋翼飞行器对起飞环境的要求很低，理论上只要有机身大小的空间就可以起飞了。

同时，对称的旋翼布局使得其操控简单直接，姿态调整时只需成对改变旋翼转速，就可提供非常“直接”的姿态力矩。而其他旋翼机则一般会有一个复杂的动力学过渡过程，一方面增加了操作难度，另外一方面也提高了飞行事故的出现概率。

而且多旋翼飞行器的姿态变化方式使该机型能够直接采用结构简单的定距桨，相比于直升机的变距桨，在机械设计、控制难度、实现成本、姿态平稳方面都有了很大提升。

用一句话来描述多旋翼飞行器的优点：多旋翼飞行器使飞行变得简单。

2）缺点

图4.28 设计原型机的工程师们（图片来源：德国联邦档案馆）

从飞行器设计者的角度来看，多旋翼飞行器是“丑陋”的。

首先，其气动效率非常糟糕。固定翼是自然界为飞行生物设计的完美结构。固定翼在空中可以借助气流产生升力，姿态变换通过“借力”实现（还是要有执行器控制相应的机械结构，但“省力”很多），螺旋桨或者喷气发动机只提供额外飞行速度。而多旋翼飞行器需要安装与旋翼数相同的电动机来提供升力，在飞行过程中完全没有办法借助空气动力。姿态变化，飞行速度全部来自于机载动力，自身能量消耗巨大，效率之低令人无法恭维。

这也是为什么在讨论翼型时，基本都是关于固定翼和直升机的，多旋翼的定距桨也就是谈一谈扭矩，选择一下旋翼尺寸罢了。