如何設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行

　　旋翼機(jī)和旋翼飛行器一般不當(dāng)做同一個(gè)概念。旋翼機(jī)如果從中文字詞的組成來(lái)看和旋翼飛行器的區(qū)別應(yīng)該是在名詞的后面：一個(gè)是“機(jī)”，另一個(gè)是“飛行器”，然而更多的區(qū)別卻是在前面“旋翼”兩個(gè)字當(dāng)中。

　　“旋翼飛行器”（Rotorcraft）包含的機(jī)型種類非常多，一般將結(jié)構(gòu)上帶旋翼的飛行器都納入這一范疇如：直升機(jī)，旋翼機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，復(fù)合直升機(jī)，ABC（Advancing Blade Concept）旋翼式等等。

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

　　而“旋翼機(jī)”在國(guó)內(nèi)一般特指“自轉(zhuǎn)旋翼飛行器”（Autogyro）。后文如無(wú)特別說(shuō)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(huì)涉及到其它種類旋翼飛行器。

　　這種“概念混亂”經(jīng)常會(huì)給研究人員和行業(yè)從業(yè)者帶來(lái)很多麻煩，如大家聊了半天飛行器，用的名詞都差不多，最后卻發(fā)現(xiàn)說(shuō)的不是一碼事。

　　一般愛好者甚至從業(yè)者最容易陷入的誤區(qū)是將旋翼機(jī)與直升機(jī)混同起來(lái)。從外型來(lái)看兩者確實(shí)非常相像，比如上面兩幅圖中就是不同機(jī)型。

　　很多媒體在報(bào)道相關(guān)事件時(shí)也經(jīng)常會(huì)用錯(cuò)名詞。比如上面這一幅圖是去年在眾多主流網(wǎng)路媒體中可以看到的標(biāo)題為“美國(guó)郵遞員駕直升機(jī)闖入華盛頓國(guó)會(huì)山降落”的新聞中使用的插圖。該飛行器明顯屬于旋翼機(jī)而非直升機(jī)。事實(shí)上直升機(jī)的駕駛環(huán)境與操作難度都是大大殘酷于旋翼機(jī)的。

　　MR.城堡會(huì)從兩者對(duì)比中進(jìn)行旋翼機(jī)飛行與操作的原理解釋。

　　結(jié)構(gòu)原理

　　直升機(jī)型飛行器結(jié)構(gòu)的最明顯特征是主旋翼和尾槳（或尾部涵道）。尾槳非常直接地提供飛行器偏航姿態(tài)變換力矩。

　　主旋翼機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般會(huì)稱之為“主旋翼系統(tǒng)”。雖然這兩年開始扔掉副翼，扔掉Bell-Hiller轉(zhuǎn)而采用電子增穩(wěn)，但依然包括變距控制輸入（周期變距，總距控制），Swash Plate結(jié)構(gòu)以及基本傳動(dòng)裝置等。

　　直升機(jī)主旋翼完全提供飛行器所需升力，并通過(guò)TPP（Tip-Path-Plane）控制來(lái)提供俯仰、橫滾兩個(gè)方向上的姿態(tài)力矩，因此主旋翼槳尖速度快，負(fù)荷大。

　　從上圖看旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括

　　1、自轉(zhuǎn)旋翼

　　2、推進(jìn)裝置（如螺旋槳Push/Pull、噴氣推力）

　　3、尾部方向舵（Rudder）。

　　與直升機(jī)主旋翼不同，旋翼機(jī)的推進(jìn)裝置提供前飛動(dòng)力，自轉(zhuǎn)旋翼在飛行過(guò)程中不與動(dòng)力部分連接（有些旋翼機(jī)采用旋翼預(yù)轉(zhuǎn)技術(shù)），而是通過(guò)相對(duì)來(lái)流自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)旋翼后傾提供升力。通過(guò)Rudder來(lái)控制偏航姿態(tài)。

　　優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

　　優(yōu)勢(shì)

　　1、從乘坐舒適性而言，直升機(jī)存在許多旋轉(zhuǎn)部件，尤其旋翼轉(zhuǎn)速、負(fù)荷都很大，造成機(jī)身的顛簸，機(jī)艙內(nèi)噪聲很大。而旋翼機(jī)在平飛中則更加平穩(wěn)，噪音也小。

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

　　如上圖為美國(guó)Carter公司在NASA項(xiàng)目合同中研發(fā)的旋翼機(jī)高速型：Cartercopter。最大平飛速度達(dá)到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。

　　3、旋翼機(jī)沒有復(fù)雜的主旋翼鉸接結(jié)構(gòu)，自轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整機(jī)結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，操控方式直接因此容易操作、容易制作。這也正是旋翼機(jī)常見于民間的重要原因。

　　劣勢(shì)

　　旋翼機(jī)的優(yōu)勢(shì)確實(shí)非常明顯，但正如世間的一切，完美僅僅屬于上帝，除此之外皆存瑕疵。

　　1、定點(diǎn)懸停能力

　　旋翼機(jī)不具備定點(diǎn)懸停能力。原因很簡(jiǎn)單，直升機(jī)具備定點(diǎn)懸停是因?yàn)橹餍硖峁┑纳υ诖怪狈较蛏贤耆扔谡麢C(jī)重力。而旋翼機(jī)的自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)法提供等同于整機(jī)重力的升力，并且需要借助推動(dòng)裝置提供前飛速度以便獲得更多來(lái)流。因此一切垂直懸停的場(chǎng)合與其無(wú)緣。

　　2、VTOL能力

　　相比于直升機(jī)和多旋翼機(jī)型明顯清晰的定點(diǎn)起降能力，旋翼機(jī)并不具備優(yōu)勢(shì)。

　　大家可能注意到了，旋翼機(jī)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(jī)一般采用旋翼預(yù)轉(zhuǎn)技術(shù)，起飛前通過(guò)簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置將旋翼預(yù)先驅(qū)轉(zhuǎn)，然后通過(guò)離合器切斷傳動(dòng)鏈路后起飛。由于旋翼本身不承擔(dān)整個(gè)機(jī)身負(fù)載，因此它并不具備定點(diǎn)垂直起降能力。

　　旋翼機(jī)一般采用鷂躍式或超短距起飛。而在其降落時(shí)，通過(guò)操縱旋翼錐體后傾，需要一塊比旋翼直徑大一些的地方才可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式著陸而非垂直降落，但好在并不需要專用機(jī)場(chǎng)。

　　3、機(jī)動(dòng)性

　　和直升機(jī)相比，旋翼機(jī)的機(jī)動(dòng)性還是比較弱的。

　　直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性來(lái)自于主旋翼升力在各個(gè)方向上分量的快速變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是既夠力，又夠快！而自轉(zhuǎn)旋翼不與動(dòng)力連接，無(wú)法提供快速機(jī)動(dòng)所需要的旋翼力矩。

　　旋翼機(jī)現(xiàn)階段主要用于載人機(jī)設(shè)計(jì)。

　　小型無(wú)人機(jī)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(wèn)題。而小型無(wú)人機(jī)更看重飛行器的穩(wěn)定性能、VTOL、懸停能力，因此不具備定點(diǎn)懸停與VTOL能力的旋翼機(jī)并非當(dāng)下無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的上佳之選。但隨著載人自動(dòng)飛行器趨勢(shì)的到來(lái)，未來(lái)也許會(huì)有很多炫酷的自動(dòng)飛行旋翼機(jī)載具出現(xiàn)倒也真未可知。