換種思路做四軸飛行器（上）

韓旭

為什么是四軸

四軸飛行器一直都是無人機行業的熱點。那么，為什么無人機大多制造成四軸飛行器，而不是一軸、二軸或三軸呢？

這還要從飛行器的起源講起。人類制造飛行器，無非是在解決兩個問題：第一，如何從空氣中獲得某種力，對抗地球引力；第二，如何保持這種力的穩定，并且可以操控這種力。飛行器的所有技術發展都是圍繞這兩個問題展開的。人們不斷改進和優化解決這兩個問題的方法，以盡量少的成本，制造出更大載重、更安全、飛得更遠更快的飛行器。

提到螺旋槳這種動力機械，關于它的起源有很多種說法，如中國古代玩具“竹蜻蜓”、古代的車輪、古代的風車……而螺旋槳被用于飛機的設計則是18世紀以后的事情了。螺旋槳作為旋翼設計的出現，使飛機家族分化成了兩大陣營：旋翼飛機與固定翼飛機。螺旋槳作為旋轉的機翼，它最大的優點在于可以原地產生升力而不需要長長的跑道，這使得直升機與垂直起降飛行器成為現實。

然而，螺旋槳技術的缺點在于，它在產生升力的同時，不可避免地會產生阻力，而且阻力的作用會使機身產生反向旋轉。想象一下，一架僅靠一個螺旋槳產生動力的直升機起飛之后，它只能在原地打轉，那么駕駛員非得暈過去不可。所以直升機一定要有后機身和尾槳來抵消反扭力。

然而，后機身和尾槳的設計不僅會增加飛行器的重量，而且對制作后機身的材料要求也比較高。那么能不能有一種新的設計，使飛行器不需要尾槳呢？為了解決這個問題，共軸直升機應運而生，它的主軸是空心的，擁有一正一反兩套旋翼，產生的反扭力則是一反一正，剛好抵消。此外，這種結構還有一個好處：如果兩套旋翼一個加快、一個減慢，那么正向扭力與反向扭力會一大一小，多出來的這部分力剛好可以用來控制飛行方向。

多么聰明的設計！但是，這種共軸結構也并不完美。

當兩套螺旋槳工作時，上層旋翼的氣流會干擾下層旋翼，從而造成“1+1<2”的飛行效果。只有當兩個旋翼互不重疊，才能達到“1+1=2”的效果。

在科幻電影《阿凡達》中就出現過這種設計思路的飛行器——蝎式戰斗機。影片中，蝎式戰斗機兩組旋翼一左一右，默契配合：需要前進的時候，兩組旋翼前傾；需要轉彎的時候，兩組旋翼一前一后；需要左右平移的時候，兩組旋翼一快一慢。影片中的這種設計，理論上確實可以使兩套旋翼互不重疊、互不干擾，有效地提高了飛行效率。

可是這么好的結構，為什么沒有普及呢？主要原因還是機械結構太復雜，制作材料無法滿足條件。

想象一下，你的左手和右手分別拿著一個吊式電風扇，每個風扇都以極快的速度旋轉，產生巨大的力量把你吊到空中。與此同時，你的手臂還需要揮舞風扇前后傾斜，從離地到落地，一秒都不能停止。這一定需要十分結實的骨骼、強勁的肌肉才能做到。而機械肩膀和機械肌肉會增加額外的重量，并且難以保證不出故障。

那么三軸飛行器會不會更好呢？

三軸飛行器擁有兩正一反3個螺旋槳的設計，其中必然有一個螺旋槳產生額外的反扭力，因此需要尾部的一組機械結構擺動尾槳，抵消反扭力。但采用這種設計的話，三軸飛行器的驅動力將減少2/3。

如果不需要復雜的機械結構，只控制電機轉速就能前后、左右飛行，并且保持穩定，旋翼互不重疊，那就完美了。這樣的飛行器存在嗎？當然存在，那就是四軸飛行器。這就是為什么目前市場上售賣的無人機大多為四軸飛行器了。

不幸的是，四軸飛行器也有致命的弱點。當四軸布局的任意一個電機出現故障，飛機必然墜地，無可挽救。而六軸飛行器如果其中一個電機發生故障，還有其他五個電機可以勉強維持飛行器降落，至少不會砸到人。這對于那些掛著昂貴相機進行航拍的飛行器具有重要意義。但是，六軸飛行器與四軸飛行器相比，每個螺旋槳的尺寸都更小，這意味著需要更高的轉速和產生更多的能量損耗。 所以，它必然沒有四軸飛行器飛的時間長。另外，六軸飛行器還多出兩套電機和調速器，成本也比四軸飛行器更高。

綜合考慮，小型飛行器一般都使用四軸布局，因為它結構簡單、易操作；而大型飛行器由于機身、攝影設備造價昂貴，通常使用六軸或八軸等安全性更高的旋翼布局。

新的設計思路

為了提高四軸飛行器的安全性，很多廠家都將機架做得十分結實，所以常使用碳纖維板與鋁合金柱作為機身。

采用這樣結構的好處是，需要很大的外力才能使其損壞。不過這樣做的直接后果是飛機整機更重，整機重量動輒超過500克。當發生墜機時，沖擊力也更大。就算機架不會壞，飛行器的電池、線路、螺旋槳、電機外殼等部件也容易損壞。

由此想到了現在常用的3D打印技術，它可以快速地復制零件，而四軸飛行器的四個機架臂又是相同尺寸，很容易復制。機架臂與主板、電機都采用螺絲連接，是一種容易拆裝的連接方式。

如果設計一種機架臂，正常飛行時夠結實，在墜毀的時候故意讓其折斷，吸收撞擊能量，撿起后拆幾個螺絲，換一個新的機架臂就又可以飛行，從而實現保護機身的效果。由于懸停時受力不大，機架臂可以做得十分輕盈，進而減輕總重量，這又進一步減輕了沖擊力，提高了操控性、載重、動力系統效率和續航時間。 （未完待續）