行程無障救護車

文 湖南省株洲市第二中學 周康杰 饒壤 劉鑫燦

行程無障救護車處于陸地行駛模式時使用油電混合動力系統(tǒng)，可根據(jù)不同的路況自動切換駕駛模式。當交通堵塞或遇到障礙時，行程無障救護車能自動識別并切換到飛行模式，由智能控制系統(tǒng)控制飛行姿態(tài)，確保其起飛、著陸都保持平穩(wěn)。

行程無障救護車可以用于城市急診人員搶救病人，避免因交通阻塞而延誤搶救時間，也可用于軍事和救災(zāi)搶險等場合，便于救援人員及時到達現(xiàn)場。

一、車體結(jié)構(gòu)探究

根據(jù)流體力學的基本原理，大氣施加于機翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機翼上表面的壓力（方向向下）大，二者的壓力差便形成升力。機翼受力分析見圖1。

圖1機翼受力分析

結(jié)合旋翼和槳葉的相對氣流分析結(jié)論，當飛行器具有前飛速度時，旋翼受到的力和力矩包括構(gòu)造旋轉(zhuǎn)軸的升力 、阻力 、扭矩和側(cè)向力矩 。上述力或力矩均與旋翼轉(zhuǎn)速的平方成一定比例關(guān)系。

上面四個等式中， 為槳葉半徑，=π2為槳盤面積， 為空氣密度，、 、 、 分別為旋翼的拉力系數(shù)、阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)和側(cè)傾力矩系數(shù)。由此可見，求解旋翼的力或力矩關(guān)鍵在于各項空氣動力學系數(shù)的求解。根據(jù)應(yīng)用的需要，得出單片旋翼的升力=k2。常數(shù)k表示這片旋翼的升力系數(shù)，它與旋翼的形狀、尺寸、安裝方式以及飛行狀態(tài)有關(guān)。由于涉及面過于復雜，在工程上把它看成近似于懸停狀態(tài)，仍當作常量。

行程無障救護車車體結(jié)構(gòu)采用自動折疊旋翼設(shè)計，車體材料采用碳纖維和高性能復合材料，四組空心杯型電動機組成動力來源。四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產(chǎn)生的升力實現(xiàn)飛行，四個旋翼位于一個幾何對稱的十字支架的前、后、左、右四端。

旋翼由電機控制，整個飛行器依靠改變每個電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。為便于控制，四旋翼飛行器采用對稱分布的結(jié)構(gòu)形式，機械結(jié)構(gòu)簡單，能垂直起降。

二、模擬行程無障救護車不同配置下的升力測試實驗

我對行程無障救護車三種不同的配置進行了升力測試，探討技術(shù)參數(shù)對升力的影響。

1.第一種配置：Q6SKV320電機+6S鋰電池+T2255B螺旋槳。

2.第二種配置：Q9XLKV120電機+12S鋰電池+T2880螺旋槳。

3.第三種配置：T12KV85電機+14S鋰電池+T3895螺旋槳。

分析以上三種不同配置進行的升力測試實驗數(shù)據(jù)得出，電流與拉力之間的關(guān)系幾乎是線性正相關(guān)，電流與力效之間的關(guān)系幾乎是線性負相關(guān)。模擬行程無障救護車的關(guān)鍵部件是電機、電池和螺旋槳，其中電機是核心部件。

三、行程無障救護車旋翼電機估算

在飛行狀態(tài)時，從理論上講，行程無障救護車的升力等于重力即可保持懸停；升力大于重力即可上升飛行。但對于多旋翼來說，升力除了保證飛機正常起飛外，還需要考慮行程無障救護車的前進后退、左右橫滾，最關(guān)鍵的還有抗風性、安全性、操縱性等因素。

根據(jù)空氣動力學原理及工程實踐經(jīng)驗，行程無障救護車屬于超載重旋翼飛行器，設(shè)計成四旋翼螺旋槳，四旋翼推重比應(yīng)設(shè)計為1.4∶1～1.8∶1范圍之內(nèi)為合理，即應(yīng)滿足根據(jù)實際使用需求，超大載重機取1.4～1.6時，在微風環(huán)境下也可以正常使用。

通用比例螺旋槳拉力計算公式為（拉）（kg）=直徑（m）×螺距（m）×漿寬度（m）×大氣壓力（1標準大氣壓）×經(jīng)驗系數(shù)（0.35）。

按已知車質(zhì)量為1.0t計算。采用共軸反槳可以抵消螺旋槳轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的扭矩，有利于減小飛機的偏航，但共軸反槳同時會損耗20%左右的升力，即四旋翼螺旋槳的有效升力大約為（有效升力）=（總）×80%，根據(jù)以上邊界條件可得：

假設(shè)所設(shè)大載重旋翼在標準大氣壓下進行多次動力匹配，預(yù)設(shè)螺旋槳為70×40，最大槳寬0.2m。代入公式驗算得到電機所需最高轉(zhuǎn)速為11762rpm，懸停額定轉(zhuǎn)速為7841.8rpm，功率74.34KW。所以，需選擇大于80KW的電機（轉(zhuǎn)換效率按0.95計算）。救護車質(zhì)量為1.0t，螺旋槳為共軸反槳，尺寸為70×40，電機功率100KW，車載電源通過逆變器變?yōu)?20V電壓并支持大電流輸出。

基于以上分析和論證，隨著電機學、自動控制原理、空氣動力學、新型材料學等多門學科的高速發(fā)展，行程無障救護車的研制和使用將成為現(xiàn)實。