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為什麽四軸飛行器沒有載人應用

我最近買了壹架四軸飛行器的遙控飛機來玩,玩了兩天之後,我必須承認,在我玩過的所有飛機中,四軸飛行器無論是操作性還是穩定性都非常優秀,在無人機領域裏面最頂尖的大疆,也是做這樣形狀的四軸飛行器的。但是我發現,四軸飛行器的飛行結構,似乎只出現在無人機裏面,而並沒有載人的四軸飛行器。

這裏面的原因十分值得學習。

壹個垂直的旋翼旋轉,可以產生升力,帶動飛行器上升,但是這有壹個顯著的問題:螺旋槳朝壹個方向旋轉,會給整個飛行器帶來這個方向的扭力,使得整個飛行器都在旋轉,為了克服這個問題,大部分直升機采用的辦法是在後端加壹個側面的小旋翼,這個旋翼的氣流抵消大旋翼的扭力,使得整個直升機能夠平穩的上升。

改變後端小旋翼的旋轉速度,可以提供不同的力量,使得飛機按照需要來水平旋轉,而諸如前進,側飛等行為則通過直升機的大槳葉的改變來實現。

四軸飛行器擁有四個旋翼,但是每個旋翼的旋轉方向並不是相同的,然而每個槳葉有著不同的角度,使得最終的氣流都是下行的。旋轉方向的不同,使得每個槳葉的扭力能夠相互作用從而保持平衡,四軸飛行器有著壹套全自動的控制系統,這套系統的中樞是諸如陀螺儀,氣流儀等感應儀器,飛行器可以實時獲得自己的姿態,壹旦有壹陣風吹來之類的,通過調節各軸電機速度,可以使得飛行器快速再次獲得平衡狀態。

四軸飛行器看似非常完美,事實上當它作為無人機或者玩具,體積不太大的時候,也確實如此,但是壹旦它的體積長大到能夠載人,那麽問題就來了。

我們知道,槳葉越大,轉速越慢,效率就越高,四軸的槳比較小,所以效率比較低,而且四個槳的氣流還會互相幹涉。另壹個方面,如果載人四軸使用電動,那麽續航是個問題,四軸跟普通的飛機不壹樣,升力100%依靠螺旋槳帶來的下洗氣流,飛行器的螺旋槳無時無刻不在克服著地心引力;而電池又不會隨著電力的釋放而降低重量。所以,電池電量增加帶來的是大量的死重。因此,在電池技術有著革命性的突破之前,四軸電動飛行器的體積註定不會太大,在重量和續航中間尋找壹個平衡,也就是這樣了。

壹陣風吹來,機身吹歪了,有桶滾的趨勢。電動四軸,反向的電機提高輸出功率,提高轉速只需要加點兒電壓就夠了,全部電子自動化控制,基本不會有什麽延遲功率輸出就上來了。而采用的渦輪軸發動機的話,那就得改變總距,同時增加供油,提高發動機出力。但這樣壹來,無論如何也得有那麽點兒延遲。很有可能1/10秒的延遲就已經導致升力指向出現不可逆轉的變化,造成墜機。

總結壹下原因,可能就是在於:當體積很小的時候,四軸飛行器比其它飛行器都穩定,但是當體積和重量大到壹定程度之後,這種穩定優勢就體現不出來了,並且四軸飛行器的效率很低,且機動性能難以達標。

事實上,歷史上曾經有過不少四軸載人飛機,但都由於上述的壹些問題而放棄了。

1907年8月24日,Breguet兄弟設計制造的第壹架旋翼飛行器“Breguet-Richet Gyroplane”進行了試飛,成功離地50厘米。該機采用四副雙層四葉旋翼結構。

1921年,George De Bothezat與其助手Ivan Jerome設計制造了De Bothezat直升機,由壹個發動機帶動四個直徑26英尺的旋翼。該機實現了多次低空、低速飛行,巡航高度僅為5米,存在動力不足、反應慢和可靠性差等問題。

標致汽車公司工程師Etienne Oemichen設計了歷史上最早的能夠懸停的四旋翼飛機,將當時的直升機飛行時間世界紀錄刷新至14分鐘。

早期的四軸飛行器都額外設置有垂直於主翼的旋翼,用於驅動飛行器前進。20世紀50年代,Convertawings公司設計制造了Convertawings Model A飛行器。該機通過兩臺互為備份的引擎驅動四個直徑達5.79旋翼,通過改變每個螺旋槳上的推力,來控制飛行器的姿態,實現懸停和機動。該機並未添加額外的旋翼來提供機動所需的拉力或推力,因此更接近現代意義上的四軸飛行器。