我最近买了一架四轴飞行器的遥控飞机来玩,玩了两天之后,我必须承认,在我玩过的所有飞机中,四轴飞行器无论是操作性还是稳定性都非常优秀,在无人机领域里面最顶尖的大疆,也是做这样形状的四轴飞行器的。但是我发现,四轴飞行器的飞行结构,似乎只出现在无人机里面,而并没有载人的四轴飞行器。

这里面的原因十分值得学习。

一个垂直的旋翼旋转,可以产生升力,带动飞行器上升,但是这有一个显著的问题:螺旋桨朝一个方向旋转,会给整个飞行器带来这个方向的扭力,使得整个飞行器都在旋转,为了克服这个问题,大部分直升机采用的办法是在后端加一个侧面的小旋翼,这个旋翼的气流抵消大旋翼的扭力,使得整个直升机能够平稳的上升。

改变后端小旋翼的旋转速度,可以提供不同的力量,使得飞机按照需要来水平旋转,而诸如前进,侧飞等行为则通过直升机的大桨叶的改变来实现。

四轴飞行器拥有四个旋翼,但是每个旋翼的旋转方向并不是相同的,然而每个桨叶有着不同的角度,使得最终的气流都是下行的。旋转方向的不同,使得每个桨叶的扭力能够相互作用从而保持平衡,四轴飞行器有着一套全自动的控制系统,这套系统的中枢是诸如陀螺仪,气流仪等感应仪器,飞行器可以实时获得自己的姿态,一旦有一阵风吹来之类的,通过调节各轴电机速度,可以使得飞行器快速再次获得平衡状态。

四轴飞行器看似非常完美,事实上当它作为无人机或者玩具,体积不太大的时候,也确实如此,但是一旦它的体积长大到能够载人,那么问题就来了。

我们知道,桨叶越大,转速越慢,效率就越高,四轴的桨比较小,所以效率比较低,而且四个桨的气流还会互相干涉。另一个方面,如果载人四轴使用电动,那么续航是个问题,四轴跟普通的飞机不一样,升力100%依靠螺旋桨带来的下洗气流,飞行器的螺旋桨无时无刻不在克服着地心引力;而电池又不会随着电力的释放而降低重量。所以,电池电量增加带来的是大量的死重。因此,在电池技术有着革命性的突破之前,四轴电动飞行器的体积注定不会太大,在重量和续航中间寻找一个平衡,也就是这样了。

一阵风吹来,机身吹歪了,有桶滚的趋势。电动四轴,反向的电机提高输出功率,提高转速只需要加点儿电压就够了,全部电子自动化控制,基本不会有什么延迟功率输出就上来了。而采用的涡轮轴发动机的话,那就得改变总距,同时增加供油,提高发动机出力。但这样一来,无论如何也得有那么点儿延迟。很有可能1/10秒的延迟就已经导致升力指向出现不可逆转的变化,造成坠机。

总结一下原因,可能就是在于:当体积很小的时候,四轴飞行器比其它飞行器都稳定,但是当体积和重量大到一定程度之后,这种稳定优势就体现不出来了,并且四轴飞行器的效率很低,且机动性能难以达标。

事实上,历史上曾经有过不少四轴载人飞机,但都由于上述的一些问题而放弃了。

1907年8月24日,Breguet兄弟设计制造的第一架旋翼飞行器“Breguet-Richet Gyroplane”进行了试飞,成功离地50厘米。该机采用四副双层四叶旋翼结构。

1921年,George De Bothezat与其助手Ivan Jerome设计制造了De Bothezat直升机,由一个发动机带动四个直径26英尺的旋翼。该机实现了多次低空、低速飞行,巡航高度仅为5米,存在动力不足、反应慢和可靠性差等问题。

标致汽车公司工程师Etienne Oemichen设计了历史上最早的能够悬停的四旋翼飞机,将当时的直升机飞行时间世界纪录刷新至14分钟。

早期的四轴飞行器都额外设置有垂直于主翼的旋翼,用于驱动飞行器前进。20世纪50年代,Convertawings公司设计制造了Convertawings Model A飞行器。该机通过两台互为备份的引擎驱动四个直径达5.79旋翼,通过改变每个螺旋桨上的推力,来控制飞行器的姿态,实现悬停和机动。该机并未添加额外的旋翼来提供机动所需的拉力或推力,因此更接近现代意义上的四轴飞行器。

 


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