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复合翼无人机的抗风设计(二):旋翼布局
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2022.09.02 北京

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复合翼无人机最常见的动力布局是四个升力旋翼,再配一个推进螺旋桨,这个技术鼻祖来源于美国Latitude Engineering 公司(现已被L3系统公司收购)的专利技术Hybrid Quadrotor(混合四旋翼)。在实际应用中,各种特殊应用的需求导致了多种布局形式的诞生,这里就对这些布局做个简述。

1.共轴反转多旋翼

共轴反转直升机现在很多了,优势就是无需尾桨,所有功率都用于提供升力,效率高。复合翼上也有采用,可获得类似效果。但是由于旋翼共轴反转配置后,飞机航向控制能力相比四旋翼变弱了。通常抗风只能采取跟风策略,即垂尾在气流的作用下产生偏航力矩,带动机头指向来流的方向,并可利用推进动力顶风。如果在悬停中要具备机头指向控制能力,并抵抗强风,也是可行的。空中客车公司的Quadcruiser QC11就给出了一种办法。将上下旋翼均向内或向外倾斜一定角度(是向内倾斜还是向外倾斜,需要看旋翼的旋转方向),一般是5-15°,这样上下轴之间不再是共轴了,而是会有了10-30°的夹角,在大风情况下,调整各旋翼的升力,升力分量将产生航向控制力矩,控制机头转向,抵抗侧风干扰。具体的角度需要根据旋翼转动方向、干扰情况进行设置。


1 Airbus Quadcruiser QC11

2.共轴同向多旋翼

共轴同向在复合翼飞行器上除了提高升力外,有时候还会有额外好处,比如获得更低噪声、获得更大的偏转力矩(调整姿态和抗风用)等。优步的多种城市飞行器方案中有采用,但是该设计对气动工程师要求挺高,搞不好就得不偿失了。

优步的eCRM-003有两组升力旋翼是远离飞机重心的,目的是加大作用力臂,提高悬停抗风能力和姿态改变能力。

2 Uber Elevate eCRM-003

3.多扁担形式

这个意思就是,平时复合翼就是两根撑杆,而这类布局是多于两根撑杆的,先看图吧:

3 Wisk Cora

Wisk公司是微软联合创始人拉里佩奇的Kittyhawk公司与波音公司联合创立的,开发了多种城市飞行器产品,包括Flyer、Cora、Heaviside;其中Cora是两座的自动驾驶飞行器。Cora所有6组升力旋翼并非竖直,均设置有相应的倾斜角度(见图),尤其外面两组离重心很远,力臂大,这种布局在起降时抗风和姿态调整能力是很强的,而相应的,其巡航阻力就会大于只有两根撑杆的飞机。不过对于该飞机的定位来讲(只飞行30分钟)无伤大雅。

早期测试机

在早期的时候,Kittyhawk的验证机(如上图)是采用的紧凑型多旋翼,便于停放于车位,旋翼虽然都有倾斜角,但是力臂非常短,后来试飞也表明没有足够抗风能力,这才有了Cora的诞生。

4.直列分布式

分布式动力的优点非常明显,就是系统简单并有足够的安全冗余。谷歌母公司Alphabet的 X Project Wing项目经历了多轮的迭代,最新的设计是开式撑杆上部署12个升力旋翼,机翼上两个拉进螺旋桨。由于这个无人机是要用于城市快递,对于安全性可靠性要求更高,所以升力和推进动力都是有冗余设计的。由于这个无人机都是短距离短时间飞行,升阻比并非优先考虑,飞机采用小展弦比,其升力旋翼并非常见的两叶桨,而是三叶或四叶的桨。机身前后均没有推进螺旋桨,便于某些自动化物流体系运行。在悬停遇到大侧风时,其12个螺旋桨中的8个(前后端)以及大间距的两侧推进螺旋桨将能发挥极大的抵抗能力。

5  Alphabet X Project Wing
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