如何設計無(wú)人機飛行

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

　　“旋翼飛行器”（Rotorcraft）包含的機型種類(lèi)非常多，一般將結構上帶旋翼的飛行器都納入這一范疇如：直升機，旋翼機，傾轉旋翼機，復合直升機，ABC（Advancing Blade Concept）旋翼式等等。

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

　　而“旋翼機”在國內一般特指“自轉旋翼飛行器”（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(lèi)型，本文不會(huì )涉及到其它種類(lèi)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)現說(shuō)的不是一碼事。

　　一般愛(ài)好者甚至從業(yè)者最容易陷入的誤區是將旋翼機與直升機混同起來(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型。

　　很多媒體在報道相關(guān)事件時(shí)也經(jīng)常會(huì )用錯名詞。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題為“美國郵遞員駕直升機闖入華盛頓國會(huì )山降落”的新聞中使用的插圖。該飛行器明顯屬于旋翼機而非直升機。事實(shí)上直升機的駕駛環(huán)境與操作難度都是大大殘酷于旋翼機的。

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

　　結構原理

　　直升機型飛行器結構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。

　　主旋翼機械結構比較復雜，一般會(huì )稱(chēng)之為“主旋翼系統”。雖然這兩年開(kāi)始扔掉副翼，扔掉Bell-Hiller轉而采用電子增穩，但依然包括變距控制輸入（周期變距，總距控制），Swash Plate結構以及基本傳動(dòng)裝置等。

　　直升機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，負荷大。

　　從上圖看旋翼機結構主要包括

　　1、自轉旋翼

　　2、推進(jìn)裝置（如螺旋槳Push/Pull、噴氣推力）

　　3、尾部方向舵（Rudder）。

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

　　優(yōu)勢與劣勢

　　優(yōu)勢

　　1、從乘坐舒適性而言，直升機存在許多旋轉部件，尤其旋翼轉速、負荷都很大，造成機身的顛簸，機艙內噪聲很大。而旋翼機在平飛中則更加平穩，噪音也小。

　　2、旋翼機自轉旋翼槳尖速度較小，因此不容易出現前行槳葉激波失速，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Carter公司在NASA項目合同中研發(fā)的旋翼機高速型：Cartercopter。最大平飛速度達到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。

　　3、旋翼機沒(méi)有復雜的主旋翼鉸接結構，自轉旋翼結構簡(jiǎn)單，整機結構也非常簡(jiǎn)單，操控方式直接因此容易操作、容易制作。這也正是旋翼機常見(jiàn)于民間的重要原因。

　　劣勢

　　旋翼機的優(yōu)勢確實(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

　　旋翼機不具備定點(diǎn)懸停能力。原因很簡(jiǎn)單，直升機具備定點(diǎn)懸停是因為主旋翼提供的升力在垂直方向上完全等于整機重力。而旋翼機的自轉旋翼無(wú)法提供等同于整機重力的升力，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

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

　　大家可能注意到了，旋翼機底部往往是要有些輪子（如果在海上起飛則是氣墊）的。

　　旋翼機一般采用旋翼預轉技術(shù)，起飛前通過(guò)簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置將旋翼預先驅轉，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整個(gè)機身負載，因此它并不具備定點(diǎn)垂直起降能力。

　　旋翼機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)現點(diǎn)式著(zhù)陸而非垂直降落，但好在并不需要專(zhuān)用機場(chǎng)。

　　3、機動(dòng)性

　　和直升機相比，旋翼機的機動(dòng)性還是比較弱的。

　　直升機的機動(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！而自轉旋翼不與動(dòng)力連接，無(wú)法提供快速機動(dòng)所需要的旋翼力矩。

　　旋翼機現階段主要用于載人機設計。

　　小型無(wú)人機飛行線(xiàn)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)人機更看重飛行器的穩定性能、VTOL、懸停能力，因此不具備定點(diǎn)懸停與VTOL能力的旋翼機并非當下無(wú)人機設計的上佳之選。但隨著(zhù)載人自動(dòng)飛行器趨勢的到來(lái)，未來(lái)也許會(huì )有很多炫酷的自動(dòng)飛行旋翼機載具出現倒也真未可知。