換種思路做四軸飛行器（上）

韓旭

為什么是四軸

四軸飛行器一直都是無人機(jī)行業(yè)的熱點(diǎn)。那么，為什么無人機(jī)大多制造成四軸飛行器，而不是一軸、二軸或三軸呢？

這還要從飛行器的起源講起。人類制造飛行器，無非是在解決兩個(gè)問題：第一，如何從空氣中獲得某種力，對抗地球引力；第二，如何保持這種力的穩(wěn)定，并且可以操控這種力。飛行器的所有技術(shù)發(fā)展都是圍繞這兩個(gè)問題展開的。人們不斷改進(jìn)和優(yōu)化解決這兩個(gè)問題的方法，以盡量少的成本，制造出更大載重、更安全、飛得更遠(yuǎn)更快的飛行器。

提到螺旋槳這種動力機(jī)械，關(guān)于它的起源有很多種說法，如中國古代玩具“竹蜻蜓”、古代的車輪、古代的風(fēng)車……而螺旋槳被用于飛機(jī)的設(shè)計(jì)則是18世紀(jì)以后的事情了。螺旋槳作為旋翼設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，使飛機(jī)家族分化成了兩大陣營：旋翼飛機(jī)與固定翼飛機(jī)。螺旋槳作為旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以原地產(chǎn)生升力而不需要長長的跑道，這使得直升機(jī)與垂直起降飛行器成為現(xiàn)實(shí)。

然而，螺旋槳技術(shù)的缺點(diǎn)在于，它在產(chǎn)生升力的同時(shí)，不可避免地會產(chǎn)生阻力，而且阻力的作用會使機(jī)身產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)。想象一下，一架僅靠一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生動力的直升機(jī)起飛之后，它只能在原地打轉(zhuǎn)，那么駕駛員非得暈過去不可。所以直升機(jī)一定要有后機(jī)身和尾槳來抵消反扭力。

然而，后機(jī)身和尾槳的設(shè)計(jì)不僅會增加飛行器的重量，而且對制作后機(jī)身的材料要求也比較高。那么能不能有一種新的設(shè)計(jì)，使飛行器不需要尾槳呢？為了解決這個(gè)問題，共軸直升機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它的主軸是空心的，擁有一正一反兩套旋翼，產(chǎn)生的反扭力則是一反一正，剛好抵消。此外，這種結(jié)構(gòu)還有一個(gè)好處：如果兩套旋翼一個(gè)加快、一個(gè)減慢，那么正向扭力與反向扭力會一大一小，多出來的這部分力剛好可以用來控制飛行方向。

多么聰明的設(shè)計(jì)！但是，這種共軸結(jié)構(gòu)也并不完美。

當(dāng)兩套螺旋槳工作時(shí)，上層旋翼的氣流會干擾下層旋翼，從而造成“1+1<2”的飛行效果。只有當(dāng)兩個(gè)旋翼互不重疊，才能達(dá)到“1+1=2”的效果。

在科幻電影《阿凡達(dá)》中就出現(xiàn)過這種設(shè)計(jì)思路的飛行器——蝎式戰(zhàn)斗機(jī)。影片中，蝎式戰(zhàn)斗機(jī)兩組旋翼一左一右，默契配合：需要前進(jìn)的時(shí)候，兩組旋翼前傾；需要轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，兩組旋翼一前一后；需要左右平移的時(shí)候，兩組旋翼一快一慢。影片中的這種設(shè)計(jì)，理論上確實(shí)可以使兩套旋翼互不重疊、互不干擾，有效地提高了飛行效率。

可是這么好的結(jié)構(gòu)，為什么沒有普及呢？主要原因還是機(jī)械結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，制作材料無法滿足條件。

想象一下，你的左手和右手分別拿著一個(gè)吊式電風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇都以極快的速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的力量把你吊到空中。與此同時(shí)，你的手臂還需要揮舞風(fēng)扇前后傾斜，從離地到落地，一秒都不能停止。這一定需要十分結(jié)實(shí)的骨骼、強(qiáng)勁的肌肉才能做到。而機(jī)械肩膀和機(jī)械肌肉會增加額外的重量，并且難以保證不出故障。

那么三軸飛行器會不會更好呢？

三軸飛行器擁有兩正一反3個(gè)螺旋槳的設(shè)計(jì)，其中必然有一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生額外的反扭力，因此需要尾部的一組機(jī)械結(jié)構(gòu)擺動尾槳，抵消反扭力。但采用這種設(shè)計(jì)的話，三軸飛行器的驅(qū)動力將減少2/3。

如果不需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，只控制電機(jī)轉(zhuǎn)速就能前后、左右飛行，并且保持穩(wěn)定，旋翼互不重疊，那就完美了。這樣的飛行器存在嗎？當(dāng)然存在，那就是四軸飛行器。這就是為什么目前市場上售賣的無人機(jī)大多為四軸飛行器了。

不幸的是，四軸飛行器也有致命的弱點(diǎn)。當(dāng)四軸布局的任意一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障，飛機(jī)必然墜地，無可挽救。而六軸飛行器如果其中一個(gè)電機(jī)發(fā)生故障，還有其他五個(gè)電機(jī)可以勉強(qiáng)維持飛行器降落，至少不會砸到人。這對于那些掛著昂貴相機(jī)進(jìn)行航拍的飛行器具有重要意義。但是，六軸飛行器與四軸飛行器相比，每個(gè)螺旋槳的尺寸都更小，這意味著需要更高的轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生更多的能量損耗。 所以，它必然沒有四軸飛行器飛的時(shí)間長。另外，六軸飛行器還多出兩套電機(jī)和調(diào)速器，成本也比四軸飛行器更高。

綜合考慮，小型飛行器一般都使用四軸布局，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、易操作；而大型飛行器由于機(jī)身、攝影設(shè)備造價(jià)昂貴，通常使用六軸或八軸等安全性更高的旋翼布局。

新的設(shè)計(jì)思路

為了提高四軸飛行器的安全性，很多廠家都將機(jī)架做得十分結(jié)實(shí)，所以常使用碳纖維板與鋁合金柱作為機(jī)身。

采用這樣結(jié)構(gòu)的好處是，需要很大的外力才能使其損壞。不過這樣做的直接后果是飛機(jī)整機(jī)更重，整機(jī)重量動輒超過500克。當(dāng)發(fā)生墜機(jī)時(shí)，沖擊力也更大。就算機(jī)架不會壞，飛行器的電池、線路、螺旋槳、電機(jī)外殼等部件也容易損壞。

由此想到了現(xiàn)在常用的3D打印技術(shù)，它可以快速地復(fù)制零件，而四軸飛行器的四個(gè)機(jī)架臂又是相同尺寸，很容易復(fù)制。機(jī)架臂與主板、電機(jī)都采用螺絲連接，是一種容易拆裝的連接方式。

如果設(shè)計(jì)一種機(jī)架臂，正常飛行時(shí)夠結(jié)實(shí)，在墜毀的時(shí)候故意讓其折斷，吸收撞擊能量，撿起后拆幾個(gè)螺絲，換一個(gè)新的機(jī)架臂就又可以飛行，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)機(jī)身的效果。由于懸停時(shí)受力不大，機(jī)架臂可以做得十分輕盈，進(jìn)而減輕總重量，這又進(jìn)一步減輕了沖擊力，提高了操控性、載重、動力系統(tǒng)效率和續(xù)航時(shí)間。 （未完待續(xù)）