無人機的四旋翼為什麼不能運用到大型有人直升機上?

黃小豬黃紫商行70

作為業內人士,我可以嘗試解答這個問題,但是由於牽扯的因素太多,我只能用盡量簡單明瞭的方式闡述最主要的問題所在。

1、無人機的四旋翼系統從氣動上來說是靜不穩定的,也就是說哪怕四個電機和螺旋槳的功率、轉速、升力一模一樣,重心也在絕對的中心點上,在遇到稍微一點擾動的時候(此時排除飛控的主動補償),四旋翼系統就會偏離平衡狀態,並且無法依靠氣動佈局本身恢復平衡。所以,四旋翼系統需要搭載“姿態傳感器--飛控--電機&槳”的一整套負反饋系統來維持飛機的平衡,這套系統的特點就在於它是採用控制電機轉速進而改變螺旋槳升力的方法來維持平衡狀態的,所以除了電機完全沒有任何機械裝置,相對於常規直升機旋翼的複雜控制機構,四旋翼這一套幾乎完全由電子裝置組成的反饋控制系統顯得特別簡潔而可靠,更由於電子工業尤其是芯片產業的飛速發展,成本飛速下降,使其成為一種廉價而可靠的小型無人機的解決方案。

2、為實現四旋翼的穩定飛行,“姿態傳感器--飛控--電機&槳”這套反饋系統必須滿足一些特定的條件,比如:系統響應速度就是最重要的一點。在四旋翼飛機遇到擾動偏離平衡狀態的時候,反饋系統必須在很短的時間內檢測到飛機的偏離狀態並解算出恢復平衡所需的“解決方案”,然後迅速改變各個電機轉速來糾正飛機的姿態。這個過程順利實現的前提就是系統響應速度要足夠快!可以想象:如果系統響應過於遲緩,那麼當飛控解算出“解決方案”並指揮電機改變轉速的時候,飛機的姿態已經發生了更大的變化,導致之前的解決方案已經過時,那飛機就無法回覆到平衡狀態,進而進入失控的狀態。所以,對四旋翼系統而言,響應速度是至關重要的。而響應速度在傳感器和飛控這兩個純電子部分的延時是非常有限的,主要矛盾都集中在電機&槳這個機械裝置部分:由於慣性和空氣阻尼的存在,電機的轉速增加或減少相對於電子系統而言是很緩慢的,為改善這個問題,工程師們也想了很多辦法,最常見的兩種:(1)、增大電機的功率並減小螺旋槳的慣量與阻尼,儘可能形成“大馬拉小車”的格局以增加電機&槳系統的增速斜率。(2)、增加電子剎車等功能,滿足電機&槳系統的減速斜率。OK!響應速度的問題終於解決了,但是卻帶來一個問題:由於採用“大馬拉小車”的匹配格局,四旋翼飛機在正常飛行的狀態下,實際上電機功率(轉速)都處於中間狀態,也就是要留下足夠的功率用來增速,所以導致四旋翼系統的功率--載荷效率很低,因為一小半的功率都是用來儲備著隨時糾正飛機姿態用的!

3、當四旋翼系統的尺度增大,電機&槳的轉動慣量和空氣阻尼都會隨之增大,系統響應速度會迅速惡化,當尺寸增大到一定程度以後,就會導致響應速度完全跟不上需要,四旋翼這套電子反饋控制系統就會失效。所以,我們可以看到國內外研發大功率多旋翼系統的時候,很多都採用了變距槳的方案,也就是通過改變槳距來改變升力的方式來維持平衡;這種方式的好處是:在大尺寸大功率的情況下響應速度能滿足要求,其次功率--載荷效率會比較高,因為改變槳距來改變升力的方法不需要太多的儲備功率用來糾正姿態---雖然增加槳距也需要增加一定的功率來維持轉速,但是比單純依靠提升轉速來增加升力的方式所需的儲備功率少得多!但是帶來的問題就是機械結構複雜程度大大提高了,給整個系統的可靠性帶來了風險,而且成本也高得多!

4、當四旋翼系統尺度增大到與載人直升機相當的地步時,更嚴重的事情出現了!那就是隨著槳葉直徑的增大,槳葉外端的線速度很快就要接近或者超過音速!這就產生了一個很矛盾的問題:槳葉轉速的正負調整區間有了一個上限,而且這個上限離正常飛行時的數值不遠!也就意味著轉速增加的區間很有限;但是飛控系統沒辦法在這麼小的轉速區間裡做出足夠精度的控制。比如說:原本增加轉速的區間是五千轉每分鐘到一萬轉每分鐘,千分之一的轉速階梯就是五轉每分鐘;而如果大尺寸槳葉的情況下,為避免槳尖超過音速,將正常轉速降低為三千轉每分鐘,而音速上限為四千轉每分鐘,那麼千分之一的轉速階梯就是一轉每分鐘。這個對於飛控來說基本上就是做不到的控制精度!

5、如果在載人直升機的尺度級別採用變距槳的模式來實現多旋翼模式,至少四個變距機構的複雜性跟常規直升機的旋翼控制機構也不遑多讓了,而且還有一個問題,多旋翼模式的懸停效率比常規旋翼低很多,導致載荷能力低下,經濟上、技術上都不划算!

綜上所述,大尺度情形下,四旋翼(多旋翼)系統的實用性和可靠性都沒有優勢,甚至某些方面具有劣勢,這也是為什麼現在沒有哪家公司採用多旋翼系統來做大型飛機的原因了。


憤然骷髏

效率問題和工程實現的難度。

載人直升機都是幾頓幾十噸的體量,把一個幾公斤重的電機無人機放大到幾十噸,工程難度不可想像。之所以載人直升機和消費級的四旋翼無人機在外觀結構上不同,是實踐出的最佳結果。


最開始小型無人機也是採用有人直升機的結構,一直沒做起來,原因就是成本太高,一架噴農藥的小無人機就需要幾十萬,性價比太低,很難推廣。操控也需要專業人員。炸雞成本更是難以承受。


在四旋翼無人機出現前基本沒有消費級無人機。四旋翼無人機的發明就是解決有人直升機小型化成本太高,控制難度大這個問題的。四旋翼最初是航模愛好者手工製作的,非常簡陋,也很難正常飛行。但是它的優點就是成本低,操控簡單。這讓很多有專業航空知識的人加入進來,進行改進迭代。那時大疆剛創業不久,做的就是無人汽油直升機,產品做的很不錯,但是價格太高,普通航模玩家買不起,只能賣給政府機構,銷量自然小。

大疆不是四旋翼的發明者,但是大疆是四旋翼無人機走向成熟的締造者。和蘋果的智能手機是一樣的,蘋果也不是第一個做智能機的,但是智能手機因蘋果而起。四旋翼屬於消費級無人機,除了電池續航時間短外,就是為小型無人機生的。


百舌說

目前的四旋翼和電動力以及飛控系統非常匹配。四個電動馬達重量非常輕,修整飛行姿態,只需要不同電動馬達調高或調低轉速,可在毫秒內響應。而這套飛控系統無法安裝在燃油動力的四旋翼上。

要把四旋翼燃油化,一個解決方案是四個旋翼各安裝一個燃油發動機,這樣的後果是重量大,可能無法起飛。而且,燃油發動機的轉速無法快速響應,這套飛控系統可能無法實現。

你可以想象一陣風吹來,將燃油四旋翼的一側傾斜。飛控系統迅速作出反應,調高下傾一側的轉速,調低另一側轉速。但燃油發動機的轉速調高需要很長時間,等響應達到飛控指標時,空中姿態早已不是原來的樣子。

另一個解決方案是,只安裝一個燃油發動機,由傳動系統帶動其他的旋翼。這樣的後果是傳動系統重量增加,結構複雜,而動力經過越多傳動系統越受損耗,所以燃油四旋翼的旋翼拉力可能還不如普通直升機。同樣,飛控系統更難實現。

更簡單的方式是把電動四旋翼加大,改成載人版,目前已有公司準備將其商用。難點在於目前電池的能量密度比低,續航時間沒有保證。載更多的電池就會影響旋翼拉力和有效載荷,陷入難以破解的循環。

普通的固定翼飛機可以依靠機翼的升力提高效率,而直升機純粹靠發動機帶動旋翼的拉力做功,要求結構越簡單越好。

未來燃油發動機功率的提高或者找到能量密度比比燃油還要高的能源,說不定可以破解這個問題。畢竟四旋翼機的飛行姿態更平衡更穩定。


ablador

因為4旋翼飛行器4個引擎要獨立受控,而且要能快速響應,目前只能電動的,內燃機目前做不到,以後可能也做不到。還有就是安全性問題,直升機如果引擎失靈還能負槳距自旋著陸,而4旋翼飛行器只要有一個引擎失靈就會立即失控墜毀。所以只有當電池技術發展能夠實用於電動載人飛行時才能應用,而且載人飛行也不能用4旋翼,至少6旋翼或8旋翼,這樣即使有一個引擎突然失靈還能受控,緊急著陸。


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