旋翼飞行器|为什么大型可载人四旋翼飞行器仍然不能取代直升机？该部件是关键
文章图片
文章图片
【旋翼飞行器|为什么大型可载人四旋翼飞行器仍然不能取代直升机？该部件是关键】
文章图片
文章图片
文章图片
文章图片
近些年来 ， 四旋翼飞行器可谓是航空领域的宠儿 。 无论是小巧“会飞的照相机” ， 还是飞行器大赛的明星选手 ， 亦或是电力巡检、快递投送的小能手 ， 甚至是披挂上阵 ， 带载弹执行军用任务的空中间谍 ， 你都能看到四旋翼飞行器的身影 。 当然 ， 必须要指出的是 ， 上述的绝大部分都是无人机 。
▲四旋翼无人机大概是近些年来人们在日常生活中最常见的航空器之一了
那么问题就来了 ， 四旋翼飞行器这么好 ， 如果把它做得更大一些的话（能够载人的程度） ， 它是否能够 ， 或者说有潜力取代现有的直升机呢？
▲常见多旋翼无人机的旋翼系统本质上只是空气螺旋桨 ， 与直升机复杂的旋翼系统有着天壤之别
其实就目前来说 ， 四旋翼飞行器和直升机最主要的区别还是在旋翼系统的设计上 ， 而两种差异巨大的设计 ， 就决定了两者在安全性、结构复杂性和重量及效率等多个方面的差异 ， 而上述三个方面本质上也是互相耦合影响的 ， 但为了行文逻辑清晰 ， 我这里还是把他们分开来讲一讲 。 下面请看正文 。
*注：该问题来自于读者提问 ， 我认真思考了一下 ， 发现这个问题实在可以写成一篇文章了 ， 这也是本文诞生的由来 。 所以 ， 读者朋友们 ， 如果你们有一些值得深入思考的问题的话 ， 不妨私信给我 ， 也许我们能就此探讨出一篇文章来 。
在此 ， 感谢提出本文主要问题的读者朋友“MZLL”
安全性我之所以把安全性问题摆在第一位来考虑 ， 这是因为对于任何一种载人航空器来说 ， 安全性都是必须要首先考虑的关键要点 。 而如果四旋翼飞行器想要取代直升机的地位的话 ， 载人是它必须首先迈出的第一步 。
▲四旋翼无人机摔机可以说是很常见的事 ， 但如果是载人还真么摔的话... ...
从飞控逻辑上来讲 ， 四旋翼飞行器的控制率看起来似乎清晰明了 ， 但是事实上 ， 四旋翼飞行器只有在惯性导航系统和相应的加速度传感器就位且正常工作的情况下才会稳定飞行 。 重点来了 ， 四旋翼飞行器的四副旋翼里面 ， 只要有一副旋翼出现了故障 ， 那么它就将很难继续稳定飞行（基本就摔了） ， 从这个角度上来说 ， 四旋翼飞行器的安全性并不出色 。
当然 ， 上述是从飞行控制角度来说的 ， 下面还得从另一个更加关键的角度来说——直升机具备自转下滑能力 ， 而四旋翼不具备 。 所谓自转下滑 ， 是指旋翼类飞行器在发动机空中停车之后 ， 通过恰当的操纵（基于自动倾斜器） ， 使得储存在旋翼高速旋转的桨叶中的动能能够被用来降低下降速速和实现软着陆 。
显而易见的是 ， 四旋翼飞行器类似于空气螺旋桨的旋翼系统 ， 并不具备实现自转下滑操纵的能力 ， 而且其小尺寸旋翼系统 ， 本质上也很难储存较高的动能 。 说到这里 ， 有很多读者朋友可能会问 ， 那为什么不能把四旋翼的尺寸往大了做呢？为什么四旋翼飞行器的旋翼系统又不适合采用自动倾斜器的设计呢？这两个问题 ， 下一个小节内容也许是很好的答案 。
▲直升机完整自转下滑过程概念示意图
结构复杂性现在来从另一个角度上来讲一讲四旋翼飞行器的控制系统：为了实现四旋翼飞行器的稳定控制 ， 其所配装的惯性测量单元是可以按照每秒钟50到80次的频率来调整旋翼的转速来改变拉力水平 ， 从而实现其稳定飞行 ， 但是 ， 要注意的是 ， 这种程度的调整只能够在几千克重的单位上实现完全的控制 ， 而假如大幅扩大旋翼的尺寸的话 ， 这种高频率的调节和控制 ， 是难以实现的 。
▲四旋翼飞行器结构简单 ， 其转速调节和控制的相应灵敏度本质上是和其尺寸直接相关的
事实上 ， 如果旋翼的尺寸达到载人直升机的量级的话 ， 其转动惯量是相当大的 ， 这就导致大尺寸驱转旋翼想要在飞行过程中改变转速的难度非常之高 ， 所以对于常规直升机来说 ， 其旋翼转速变化范围是非常小的 ， 而在理论上 ， 我们都将其当作“转速恒定”来考虑 。
▲对于常规直升机来说 ， 其旋翼转速基本上是恒定的 ， 只会在很小的幅度内变化
说到这 ， 我们可以得出的结论是什么呢？结论就是：如果想要把四旋翼飞行器做的很大 ， 做到能够载人的水平 ， 更恰当的考虑就是增加旋翼的数量 ， 使其变成八旋翼、十六旋翼甚至是三十二旋翼这种配装有数量庞大的小尺寸旋翼的多轴飞行器 ， 而不是说直接就把它变成大尺寸四旋翼飞行器 。
▲读者朋友是否会觉得驾驶这样一架航空器比直升机更可靠呢?
旋翼数量多了之后 ， 无疑全机的结构复杂性也会水涨船高 ， 这对于控制飞行成本、保障飞行安全、降低维护需求等方面来说都是非常不利的 。 但是 ， 较多数量的旋翼会有另外一个好处 ， 那就是安全性的增加：这主要是因为旋翼数量多了之后 ， 就会存在冗余现象 ， 也就是假如某一副旋翼出了问题 ， 那么通过调节其他旋翼的拉力 ， 还能够保持稳定飞行或者紧急降落 。 当然 ， 这个好处仍然无法抵消其复杂度较高且无法自转下滑的本质缺陷 。
▲旋翼数量的增加可以提升其安全性 ， 使得在单个旋翼停车之后 ， 通过调节其他旋翼的拉力水平保持稳定飞行
现在回到另一个角度来看：是不是可以将四旋翼飞行器的旋翼系统都换成直升机那样的大尺寸旋翼系统？这个思路从理论上来说确实是可行的 。 贝尔推出的V-44四倾转旋翼机不正是一种四旋翼飞行器吗？
▲贝尔公司的V-44四倾转旋翼机艺术渲染图
但是 ， 众所周知的问题就是 ， 直升机旋翼桨毂固有其较高的复杂度 ， 并且多个旋翼就需要多个自动倾斜器及对应的操纵系统部件以及对应的传动系统部件 ， 这些都大大增大了旋翼飞行器系统结构的复杂度 。 这也是贝尔的大型四倾转旋翼机始终停留在理论及模型阶段 ， 而很难有效推进的重要原因 。
重量与性能就目前而言 ， 对于航空器来说 ， 当其变得越来越大的时候 ， 其重量增长速度往往会远远超过尺寸增长速度 ， 这个规律也适用于本文所论述的多旋翼飞行器 。 每多出来一副旋翼就会意味着 ， 与旋翼系统相对应的驱动部件、操纵部件等各种系统都要增加一套 ， 这样一来 ， 多旋翼飞行器的重量性能相比于单个旋翼的直升机很可能并不占优势 ， 甚至是处于劣势 。
▲对于航空器来说 ， 重量的增长速度往往会超过尺寸的增长速度 ， 图示为一系列中重型直升机
而且 ， 对于直升机来说 ， 其最大的特点就是可以悬停 ， 且具备较高的悬停效率 ， 四旋翼飞行器从本身的设计上来说 ， 在悬停效率方面是并不出彩的 。 从基础理论上来说 ， 悬停效率与桨盘载荷负相关 ， 也就是说 ， 桨盘载荷越小 ， 往往悬停效率越高 ， 而桨盘载荷表征的是旋翼拉力与桨盘面积的比值 ， 显而易见 ， 在全机尺寸类似的情况下 ， 四旋翼飞行器的桨盘载荷是要比单旋翼直升机更大的 ， 其悬停效率也不如直升机来的高 。 这个结论同样适用于倾转旋翼机与直升机之间的对比 。
▲直升机出色的悬停效率使其能够胜任许多其他类型飞行器无法完成的任务
现在来假设两个场景 ， 一个是采用涡轴发动机和复杂传动系统的四旋翼飞行器 ， 一个是采用多个电机 ， 机械结构较为简单的四旋翼飞行器 。
对于第一个场景 ， 我们可以发现这种四旋翼飞行器和直升机已经非常类似了 ， 但是其复杂程度实在很高 ， 首先 ， 你不可能采用四台涡轴发动机来驱动四副旋翼 ， 毕竟发动机的采购成本、维护费用会按照数量翻倍；采用一台或者两台涡轴发动机驱动四副旋翼的话 ， 你就需要设计很复杂的传动系统 ， 和多套减速器等装置 ， 这样一来 ， 全机的机械复杂性和空重比都会迅速上升 ， 这当然也不是你想看到的 ， 这时候你可能就会想——为什么不选择单旋翼（最多双旋翼）的直升机 ， 而要选择四旋翼飞行器呢？
▲V-22的结构标注图 ， 感受一下双旋翼的复杂传动系统设计 ， 然后再想象一下四旋翼的复杂机械结构
对于第二个场景 ， 我们可以发现这种四旋翼飞行器相比于直升机有一些显著的优势 ， 比如说 ， 由于采用的是电机 ， 所以其结构特别简单、噪音特别小 ， 似乎成本也特别低 。 但是你必须要搞清楚的是 ， 现在才2020年 ， 当前的电池技术可以说还没有达到令人满意的水平 ， 要实现与直升机相同的起重能力、速度和航程的话 ， 似乎有些天方夜谭 。
▲这一类的“载人多旋翼飞行器”似乎除了当成娱乐玩具之外 ， 并没有什么实际的价值 ， 更遑论取代直升机了
从这个角度来说 ， 在可以预见的未来 ， 四旋翼飞行器或许能在某些领域部分辅助现有的直升机执行任务 ， 两者的功能会有一定的重叠区域 ， 但要说取代直升机——暂时既没有这个可能 ， 也没有这个必要 。
推荐阅读
- 科学探索|为什么科学会在需要时让我们失望？
- 不起眼的朗姐|和老人出去旅游，为什么会觉得心累？网友：只要老妈身体允许以后还要带她去，哈哈哈哈
- SS9赛季手册值得买吗？爱神SLR首款皮肤不是亮点，飞行器实测完爆军需
- 科学探索|NASA火星勘测轨道飞行器捕获深褐色的雪崩照片
- 终于|十四年后，那句“不是你撞的为什么要扶”, 终于酿成了恶果
- 历史真相：印度为什么要年复一年谋求“入常”，有哪些国家支持？
- 中华冷兵器课堂|斩马刀为什么被大家称为“古兵神器”？它有什么妙处？
- 苦要自己尝|宝宝为什么更爱吃妈妈做的饭？“妈妈的味道”竟藏着大的秘密
- 村民|有的离任村干部，为什么比普通村民还清贫？原因就是这3个！
- 科普知识大揭秘：为什么喷火器能烧毁对方而不会引燃自己?