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直升机和多旋翼的飞行原理

2021-10-25 17:02:27 35 发布:中科北纬


玩过竹蜻蜓的朋友都知道:借助竹蜻蜓桨叶的迎角,搓动竹蜻蜓产生旋转的速度后,桨叶就会产生升力,带动竹蜻蜓起飞。同理,多旋翼飞机或直升机也是由电机/发动机的旋转,使螺旋桨产生升力而飞起来的。比如四旋翼无人机,当飞机四个螺旋桨的升力之和等于飞机总重量时,飞机的升力与重力相平衡,飞机就可以悬停在空中了。


一、 升力影响因素

虽然都是依赖螺旋桨的旋转产生升力,在影响旋翼产生升力的要素中以下3个在多旋翼和直升机中具有明显不同:

桨叶直径:桨叶直径增大,一方面增加了桨叶面积,另一方面增大了桨尖的切向速度,增加了桨叶的空气动力。直升机一般旋翼少,桨叶直径就会很大,会远超飞机机体的覆盖范围。多旋翼旋翼数量4个起步(3个的也有),桨叶直径就可以做的比较小;

桨叶迎角:桨叶迎角增加,增加桨叶的迎风面积,从而增加桨叶的空气动力;

桨速:桨速自然是越大,越能提供更强的升力;

正是由于上述内容,决定了多旋翼和直升机最主要的区别表现在旋翼系统的设计上,进而决定了多旋翼和直升机的实现原理截然不同,使两种飞行器的应用方向产生比较大的区别。


二、 直升机飞行原理

不难想象,控制一台飞行器的关键是升力(上升下降)和前后左右横移的控制,即空间6个方向的控制。我们也从这两个方面的控制来说明多旋翼和直升机的飞行原理。


■ 直升机升力控制

直升机飞行时,带有一定迎角的桨叶高速旋转会形成一个带有一定锥度、底面朝上的大锥体,称为旋翼椎体。当向上的拉力大于直升机自重,直升机就上升,小于直升机自重,直升机就下降,刚好相等,直升机就悬停。


直升机的桨叶一般都比较大,通常的转速也也非常高,因而它具有极大的转动惯量,如果想要通过变转速来实现旋翼拉力的变化,这个过程会非常的缓慢,旋翼的机动性将会变得非常差。所以直升机采用发动机恒速,通过改变桨叶迎角的方式来改变升力。所以直升机设计出“自动倾斜器”,以改变桨叶迎角,如下图:



■ 直升机横移控制

解决了直升机的升降问题,那如何解决直升机在空中的平移问题呢,即飞机在空中前后左右的移动,其实同样也是通过上面我们提到的“自动倾斜器”来实现。

当旋翼上的所有桨叶迎角都增大或减小的时候,实现的是飞机上升和下降。当旋翼上的桨叶转动到飞机前方的时调整桨叶迎角减小,产生的升力跟着下降,桨叶转动到飞机后方时调整桨叶迎角增大,产生的拉力也跟着增加。从而实现直升机向前方飞行,向其他方向飞行的实现方式类似。

通过调整“自动倾斜器”的倾斜方向,即可周期性调节各个桨叶的迎角,就可以改变旋翼拉力的方向,控制旋翼椎体向前后左右各方向的倾斜,实现飞机的在水平四个方向的横移。如下图所示:


三、 多旋翼飞行原理

回到多旋翼飞行器上,它同样也是通过螺旋桨产生的力,实现飞机的升降和在水平四个方向的横移。不同于直升机会安装一个尾桨用于抵消螺旋桨产生的扭力,多旋翼往往利用对不同旋翼实施相反方向的旋转,以抵消单个旋翼产生的扭力。市面上最常见的四旋翼,通常采用“X”布局,电机的旋转方向如下:



从上一部分“直升机的飞行原理”,我们了解到直升机的构造是比较复杂的,这个复杂体现在多方面。从最直观的结构上来看,直升机发动机提供的动力经由主减速器调整,按规定的转速和扭矩分别分配给主桨、尾桨、液压泵、发电机等部件。桨毂的主轴顶端连接着各个桨叶部件,动力通过桨毂传输至各桨叶,前文提到的“自动倾斜器”就是桨毂的一部分,桨毂是直升机操控的核心。


CH-148直升机桨毂


显然如果我们按照直升机的思路为多旋翼的每个旋翼设置一套这样的系统,大量的零部件会导致整个系统结构的稳定性迅速变差,并且直升机的控制算法本身就比多旋翼难度大,多套旋翼的控制算法难度更会陡然增大,所以直升机的这套系统在稳定性、可行性、经济性方面在多旋翼上都不具可行性。

那么多旋翼的飞行控制是通过什么方式实现的呢?有别于直升机通过控制桨叶迎角的方式,多旋翼飞机通过调整转速进行飞行控制。


 垂直升降

这个很好理解,当飞机需要升高高度时,四个螺旋桨同时加速旋转,升力加大,飞机上升。当飞机需要降低高度时,同理,四个螺旋桨会同时降低转速,飞机下降。


原地旋转

当多旋翼飞机的各个电机转速相同时,电机产生的反扭力会互相抵消,飞机不会发生转动。

但是当需要飞机原地旋转时,我们就可以利用这种反扭矩,M2、M4两个顺时针旋转的电机转速增加,M1、M3号两个逆时针旋转的电机转速降低,由于反扭矩影响,飞机就会产生逆时针方向的旋转。同时由于是“X”型结构对侧的电机同时增加或者降低转速,也保证了飞机的平衡。


■ 水平移动

以四旋翼为例,当需要按照三角箭头方向前进时,M3、M4电机螺旋桨会提高转速,同时M1、M2电机螺旋桨降低转速,由于飞机后部的升力大于飞机前部,飞机的姿态会向前倾斜。这时螺旋桨产生的升力除了在竖直方向上抵消飞机重力外,还在水平方向上有一个分力,这个分力就让飞机有了水平方向上的加速度,飞机也因而能向前飞行。


向其他方向的移动,实现方法亦然。


■ 多旋翼系统设计难点

由于多旋翼通过调整各个螺旋桨的转速来实现升降和水平方向的移动,那么其螺旋桨的设计就很简单了,螺旋桨可以直接连接在电机上(小型无人机),如下图:


多旋翼系统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,多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。

但是多旋翼系统的难点在于如何快速的根据正向反馈(飞行指令)、负向反馈(风力影响、自动避障)来调整各旋翼的速度。这就要求“姿态传感器--飞控--电机&桨”这套反馈系统具有极高的系统响应速度。反馈系统必须在很短的时间内检测到飞机的正负向反馈,并解算出恢复原状态(悬停或飞行)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。

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原状态,进而进入失控状态。所以,对多旋翼系统而言,响应速度是至关重要的。而响应速度在姿态传感器和飞控这两个纯电子部分的延时是非常有限的,可忽略不记,主要矛盾都集中在电机&桨这个机械装置部分。

为解决这个问题,增大电机的功率并减小螺旋桨的惯量,尽可能形成“大马拉小车”的格局。通常多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,以确保“电机&桨”这部分的快速响应能力。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用于储备着随时纠正飞机姿态。

多旋翼的飞行器的设计结构决定了其承载性能和留空时间都远低于直升机,但是其简易的结构,成熟简易的飞控算法确也同样决定了其操作的便捷性和高可靠性,使其在民用等低成本应用市场占据了主导地位。就说咱们的地理信息行业,能稳定的飞在天上,简易易用才是王道。


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