什麼樣的旋翼機不適合無人機設計?先看看它是如何飛行的

2020-12-08 雷鋒網

按：作者為無人機方向模型與算法在讀博士，本文來自知乎無人機中的城堡。

旋翼機和旋翼飛行器一般不當做同一個概念。旋翼機如果從中文字詞的組成來看和旋翼飛行器的區別應該是在名詞的後面：一個是「機」，另一個是「飛行器」，然而更多的區別卻是在前面「旋翼」兩個字當中。

「旋翼飛行器」（Rotorcraft）包含的機型種類非常多，一般將結構上帶旋翼的飛行器都納入這一範疇如：直升機，旋翼機，傾轉旋翼機，複合直升機，ABC（Advancing Blade Concept）旋翼式等等。

如上圖X-50A蜻蜓旋翼/機翼轉換式旋翼飛行器，可以從直升機模式完全轉換為固定翼模式，該飛機飛行速度接近亞音速。

而「旋翼機」在國內一般特指「自轉旋翼飛行器」（Autogyro）。後文如無特別說明，兩者代表同一概念，也就是本文主要涉及的飛行器類型，本文不會涉及到其它種類旋翼飛行器。

這種「概念混亂」經常會給研究人員和行業從業者帶來很多麻煩，如大家聊了半天飛行器，用的名詞都差不多，最後卻發現說的不是一碼事。

一般愛好者甚至從業者最容易陷入的誤區是將旋翼機與直升機混同起來。從外型來看兩者確實非常相像，比如上面兩幅圖中就是不同機型。

很多媒體在報導相關事件時也經常會用錯名詞。比如上面這一幅圖是去年在眾多主流網路媒體中可以看到的標題為「美國郵遞員駕直升機闖入華盛頓國會山降落」的新聞中使用的插圖。該飛行器明顯屬於旋翼機而非直升機。事實上直升機的駕駛環境與操作難度都是大大殘酷於旋翼機的。

MR.城堡會從兩者對比中進行旋翼機飛行與操作的原理解釋。

| 結構原理

直升機型飛行器結構的最明顯特徵是主旋翼和尾槳（或尾部涵道）。尾槳非常直接地提供飛行器偏航姿態變換力矩。

主旋翼機械結構比較複雜，一般會稱之為「主旋翼系統」。雖然這兩年開始扔掉副翼，扔掉Bell-Hiller轉而採用電子增穩，但依然包括變距控制輸入（周期變距，總距控制），Swash Plate結構以及基本傳動裝置等。


直升機主旋翼完全提供飛行器所需升力，並通過TPP（Tip-Path-Plane）控制來提供俯仰、橫滾兩個方向上的姿態力矩，因此主旋翼槳尖速度快，負荷大。

從上圖看旋翼機結構主要包括

1、自轉旋翼

2、推進裝置（如螺旋槳Push/Pull、噴氣推力）

3、尾部方向舵（Rudder）。

與直升機主旋翼不同，旋翼機的推進裝置提供前飛動力，自轉旋翼在飛行過程中不與動力部分連接（有些旋翼機採用旋翼預轉技術），而是通過相對來流自動旋轉。自轉旋翼後傾提供升力。通過Rudder來控制偏航姿態。

| 優勢與劣勢


1、從乘坐舒適性而言，直升機存在許多旋轉部件，尤其旋翼轉速、負荷都很大，造成機身的顛簸，機艙內噪聲很大。而旋翼機在平飛中則更加平穩，噪音也小。

2、旋翼機自轉旋翼槳尖速度較小，因此不容易出現前行槳葉激波失速，前飛速度可以有很大提高，而且無需平衡反扭矩的尾槳。

如上圖為美國Carter公司在NASA項目合同中研發的旋翼機高速型：Cartercopter。最大平飛速度達到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。

3、旋翼機沒有複雜的主旋翼鉸接結構，自轉旋翼結構簡單，整機結構也非常簡單，操控方式直接因此容易操作、容易製作。這也正是旋翼機常見於民間的重要原因。

旋翼機的優勢確實非常明顯，但正如世間的一切，完美僅僅屬於上帝，除此之外皆存瑕疵。

1、定點懸停能力

旋翼機不具備定點懸停能力。原因很簡單，直升機具備定點懸停是因為主旋翼提供的升力在垂直方向上完全等於整機重力。而旋翼機的自轉旋翼無法提供等同於整機重力的升力，並且需要藉助推動裝置提供前飛速度以便獲得更多來流。因此一切垂直懸停的場合與其無緣。

2、VTOL能力

相比於直升機和多旋翼機型明顯清晰的定點起降能力，旋翼機並不具備優勢。

大家可能注意到了，旋翼機底部往往是要有些輪子（如果在海上起飛則是氣墊）的。

旋翼機一般採用旋翼預轉技術，起飛前通過簡單傳動裝置將旋翼預先驅轉，然後通過離合器切斷傳動鏈路後起飛。由於旋翼本身不承擔整個機身負載，因此它並不具備定點垂直起降能力。

旋翼機一般採用鷂躍式或超短距起飛。而在其降落時，通過操縱旋翼錐體後傾，需要一塊比旋翼直徑大一些的地方才可實現點式著陸而非垂直降落，但好在並不需要專用機場。

3、機動性

和直升機相比，旋翼機的機動性還是比較弱的。

直升機的機動性來自於主旋翼升力在各個方向上分量的快速變化，簡單來說就是既夠力，又夠快！而自轉旋翼不與動力連接，無法提供快速機動所需要的旋翼力矩。

旋翼機現階段主要用於載人機設計。

小型無人機飛行線速度一般較低，槳尖速度也很低，不存在大型飛行器中涉及到的諸多問題。而小型無人機更看重飛行器的穩定性能、VTOL、懸停能力，因此不具備定點懸停與VTOL能力的旋翼機並非當下無人機設計的上佳之選。但隨著載人自動飛行器趨勢的到來，未來也許會有很多炫酷的自動飛行旋翼機載具出現倒也真未可知。

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