新時代下關于未來飛行器設計的理論研究

蔡親瑋 王瀟宇 郭蕾磊

摘要：隨著中國通用航空的蓬勃發展，通航飛行器日益受到行業的關注，包括載人航空、無人機等方面。針對以往的飛行器存在的續航性、安全性、經濟性提出一些改進。本文構建出一種采用雙軸旋翼控制，搭載動力單元冗余系統，同時具有機臂自動折疊功能的多用途飛行平臺。雙軸系統相比傳統的四、六軸飛行器續航時間更長，同時具有六軸的安全性能。此外，本飛行器具備機臂自動折疊系統，在不工作時可自動折疊，節約收納空間。以上優勢可應用于眾多領域例如：未來的飛行汽車、軍用航空器、商用無人機等方面。為未來的航空器設計提出了一種新的方案，獨特的創新性在未來具有較大的開發價值。

一、未來雙旋翼的一些設計思路

（一）減少多余軸數以延長續航時間

以四旋翼為例，目前純電四旋翼的續航時間一般不過30分鐘，其主要原因是受到動力布局的限制，為提升續航。我們采用雙軸矢量控制原理，雙軸控制需要使用矢量電機座，通過矢量電機座傾轉控制來達到飛行器的運動控制。在相同載重情況下，雙軸設計由于機械重量的減少和動力系統的優化，提升了飛行器的滯空時長。

（二）設計動力補償機制

在機械方面，根據雙軸的控制原理，將兩側的動力輸出定義為一個動力單元，一個動力單元串聯安裝到一個矢量電機座上。在控制方面，飛控需要單獨控制四套電動機。我們通過創新的飛控算法，結合優化的PID控制，實現了通過電機故障動力補償以達到平穩飛行的目的，即可解決過去電機失控導致墜毀的安全問題。

（三）多功能兼容性平臺

給飛行器的飛行模塊以下，設置可拆卸結構，用以方便得安裝特定功能模塊。多功能模塊可以另行設計，比如航拍設備，農業噴灑設備，環境監測傳感器等等以此增強飛行器的多功能性。

二、雙旋翼提出的一些創新設計

本文是研究的是一種采用雙軸設計的多用途飛行平臺。此飛行平臺主要具有以下三點優勢：滯空時間長、具備動力單元冗余系統、機臂可自動折疊。

以四旋翼為例，目前純電四旋翼的續航時間一般不過40分鐘，其主要原因是受到動力布局的限制，為提升續航。我們采用雙軸矢量控制原理，雙軸控制需要使用矢量電機座，通過矢量電機座傾轉控制來達到飛行器的運動控制。在相同載重情況下，雙軸設計由于機械重量的減少和動力系統的優化，提升了飛行器的滯空時長。

相比于現有的雙軸飛行器，如V-22魚鷹等。其最大的問題是當單邊動力出現故障時，飛行器無法穩定姿態，將會出現機毀人亡的事故。本飛行平臺的單軸動力單元串列安裝了兩臺電動機，通過飛控硬件檢測，輔以算法的計算，在一側動力單元的某一臺電動機因意外發生停機的情況下可自動補償單軸側動力單元的動力輸入，從而穩定飛行器的姿態，給飛行器的降落留足了充分的時間，保障了人員的生命財產安全。

（一）雙軸設計

航空器對重量特別敏感，重量的提升將會對飛行器的經濟性造成不利的影響。 如果一款航空器是四軸或者六軸甚至是八軸，總有一部分重量無法有效利用，就變成“死重”。這些死重會造成續航里程短，還會造成其飛行性能變差。相比于傳統垂直起降平臺的多軸設計，雙軸設計能有效減少動力系統與機臂機械結構的重量。避免帶來更多的空中的“死重”，同時能夠更加合理的利用動力。從多方面提高了飛行汽車的續航。

（二）多冗余設計

在機械方面，根據雙軸的控制原理，將兩側的動力輸出定義為一個動力單元，一個動力單元串聯安裝到一個矢量電機座上。在控制方面，飛控需要單獨控制四套電動機。可通過創新的飛控算法，結合優化的PID控制，實現了控制多冗余飛行平臺平穩飛行的目的，解決了過去可能機臂末端出現震蕩等問題。

（三）機臂自動折疊設計

通過伺服機帶動連桿機構使機臂向后折疊，減少了50%的收納空間，機臂能夠依靠折疊機構一鍵進行收放。同時本裝置包括機臂的鎖定機構，采用電磁控制插銷，在機臂完全展開時自動鎖定。由于需要對精準機臂角度進行控制，可采用了串行數字總線伺服，使機臂在任何工作位置時可監測機臂角度，機臂自動折疊系統還具有安全保護，在非飛行狀態下禁止解鎖電動機。

三、此飛行的一些應用價值

本飛行平臺同時具備多種新特性，可應用于眾多領域例如：未來的飛行汽車、軍用偵查運輸機、商用無人機等方面。為未來的航空器設計提出了一種新的方案，獨特的創新性在未來具有較大的開發價值。

以飛行汽車的應用說明，我們認為安全特性是任何載人交通工具的首要指標。次要的指標有：實用性、便捷性、安全性。為此，我們對飛行汽車提出了以下幾點設計理念。

①動力冗余，與傳統商用客機相似，飛行汽車在飛行中因意外失去部分動力時，仍能保持一定的動力冗余使飛行汽車安全降落，保障人員的生命財產安全。

②易用性，傳統的載人飛行器需要操作者具有較高的駕駛能力，而飛行汽車的研發目的是為了惠及大眾。在飛行器的前期準備和使用過程中，要具有易用性的特征。

③實用性，目前續航能力作為電動汽車的重要指標之一。續航能力也將成為一款飛行汽車優劣的重要指標。

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