@ 2017.03.05 , 11:00

汽油驱动、超长待机的四桨飞行器

前提警告:这篇文章的针对观众是机械极客,机械工程师,航空极客等等人群。程序员请绕行,文科生请别觉得智商低

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直升机的机动性和稳定性有目共睹

如果说单桨直升机是二战结束后航空业的一大明星,那么多桨无人机则是21世纪的宠儿。一般来讲,稳定性和机动性是两个相对的特性,有了稳定性高的航空器,机动性则会大打折扣;同样,机动性高,稳定性自然会打折扣。这就是为什么战斗机都是稳定性不存在的货,为了机动性牺牲太多,而客机气动稳定性高得一比,机动性就渣渣。

但是旋翼/转桨飞行器可谓是在机动性和稳定性中找到了绝佳的平衡点,而多桨飞行器,又比单桨要更牛逼。单桨飞行器,因为质量巨大且转速极快的螺旋桨,在一个旋转轴上产生了可观的角动量,想抗拒这个角动量在另外两个轴上做机动就难上加难,这也是为什么直升机做横滚比原地转圈要慢。相比起来,多桨飞行器因为每个旋转轴带动的质量不大,角动量也相对不那么难以克服,并且根据利用电控,随时改变各个旋桨的功率,可以在瞬时间做出难以想象的机动动作。这几年电控系统的发展如日中天,玩具型四桨飞行器的电控都能做到每秒百次的调整,稳定性大夫提高。这也是为什么,稳定航拍可以用多桨飞行器,竞速也可以用多桨飞行。

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竞赛型六桨飞行器,也可以用来航拍

不过呢,多桨飞行器现在也不是没有问题。因为需要控制的旋翼/转桨多,需要的操控信息量也大,而且任何一点不到位的控制都会引起整个航空器的不稳定——相对于单桨的控制,多桨控制需要调配各个螺旋桨的输出。同时,能达到这么精准控制转速的,只有电动机,有时还必须是感应无刷电机,才能对电控系统每秒百次的调整做出合适的反应。汽油机由于活动件多,活动质量较大,非常不适合这么频繁的调整,所以现在多桨飞行器,不论大小,都是清一色的电机。

不过电机的缺点也很明显,就是在目前的科技下,电池的能量储存密度真的是太感人了。且不说普通电池,就是能量密度最高的航空用锂电池,能量密度也只有1.8KJ/kg,而汽油则是46KJ/kg,氢气是142KJ/KG。举个简单的例子,特斯拉Model S的电池重量大约是在半吨以上,只能开400公里。想想半吨汽油,给同样重量的汽车能开多久?

正是因为电池的短板,使得现在的多桨飞行器的续航能力也很感人,并且载重能力基本没有。DJI新出的M200,双电池供电,飞半个小时已经是行业领先了;英国某个大学的氢动力无人机飞过一个小时,不过由于高压氢罐本身很重,而且很贵,大规模生产非常不实际。还有人试过汽油+电力混合无人机,汽油机带动发电机再驱动电动机,结果载重负载太大,载重能力微薄。

其实吧,也不是没有大胆的用汽油机来带动多桨飞行器。比如前年有个挪威还是瑞典的小哥就用8个汽油机螺旋桨给自己做了个飞行澡盆。后来证明内燃机真的不适合多桨,那个视频看着大家都觉得胆寒。再后来,德国一家公司尝试了汽油机+电动机的混合动力飞行器,用来提高飞行时间,这家公司叫Yeair! ,用四个二冲程汽油内燃机做主要动力,每个旋翼/转桨附加一个电动机作为辅助。这样,内燃机提供长时间的巡航,电动机负责瞬时的调整,整个配合是不是很巧妙?

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Yeair!的混动飞行器

其实,说了这么多,大家可能还忘了,直升机是如何控制自己的状态的。大部分直升机只有单桨,是怎么控制在俯仰、横滚轴上的动作呢?机械和航空的同学可能知道,直升机的每片旋翼的攻角是可以变的,根据改变每侧旋翼的攻角,可以改变这一侧升力的大小,从而对相隔90度的一边产生力矩(原理很复杂,主要就是记住直升机旋翼不是固定死的,可以上下浮动,扇出更多/更少的风)。这样在不费力加速/减速旋翼的情况下,可以立刻改变飞机的状态。

说到这里,大家可能想到了,如果把直升机改变旋翼攻角的机构放到多桨无人机上呢?汽油机没法快速改变转速,那就以恒一转速就好了。旋翼/转桨之间的协调,为什么不能通过改变桨叶的攻角来完成呢?

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直升机旋翼攻角改变机构

这就是今年堪培拉一架无人机公司的思路。这家SOAPdrones公司,以下简称“肥皂”公司,想到的就是用汽油机来增加无人机航程,同时使用直升机的攻角改变结构来回应电控系统的指令。现在公司展出的无人机,由一个两冲程汽油机硬式连接四个旋翼,中间只有传统的传动件,没有电机介入。四个旋翼的攻角由自带的电动舵机来操控,在不改变旋翼转速的情况下,改变攻角,适时改变各个旋翼的升力,达到控制姿态的作用。因为不需要改变旋翼转速,没有旋翼的惯性需要考虑,因此理论上,此套系统的反应速度应该比使用定角桨的,传统多桨飞行器要快。

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肥皂公司的攻角改变系统

肥皂公司现在这套无人机原型机还没有飞过,不过他们预计能载重10公斤,悬停3-4个小时,而且稳定性不输传统的多桨飞行器。之前肥皂公司公开了他们小型机的视频,使用了120cc的双缸二冲程汽油机,直接是从模型店里买来的。之后公司将会上升到使用CASA航空局认证的内燃机,并且增大飞行器尺寸。

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航模用内燃机

另外,为了操控这一套新型的旋翼系统,肥皂公司没有办法使用现成的多桨飞行器控制器,必须从头开始做实验垒代码。不过呢,因为有很多直升机旋翼的操控经验,肥皂公司的进度很快,而且不像其他多桨操作系统,尺寸和惯性对于操控有很大的影响,肥皂系统对于尺寸扩大和缩小不敏感,因为毕竟不改桨叶速度,整个软件结构就简单了好多。公司最终目标是制作出载重200公斤,飞行时间3个小时,能从堪培拉到悉尼的通勤无人机,时速至少要100KMH。

话又说回来,肥皂的系统相对于传统多桨无人机,机械结构复杂程度增加了不是一点点,而且设计冗余也不如电动无人机多。四桨,飞行器最大的优势,就是在于其简单的结构,和自带的冗余——最少的活动零件,且少了25%的动力依旧能平稳降落,并且多个个电动机之间互不干扰,在紧急情况下能随时改变策略。现在还不了解肥皂系统是如何解决这些问题的,只能说拭目以待了。

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颇为复杂的机械结构,不知可靠性如何

本文译自 Atlas,由译者 小鱼儿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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