换种思路做四轴飞行器（上）

韩旭

为什么是四轴

四轴飞行器一直都是无人机行业的热点。那么，为什么无人机大多制造成四轴飞行器，而不是一轴、二轴或三轴呢？

这还要从飞行器的起源讲起。人类制造飞行器，无非是在解决两个问题：第一，如何从空气中获得某种力，对抗地球引力；第二，如何保持这种力的稳定，并且可以操控这种力。飞行器的所有技术发展都是围绕这两个问题展开的。人们不断改进和优化解决这两个问题的方法，以尽量少的成本，制造出更大载重、更安全、飞得更远更快的飞行器。

提到螺旋桨这种动力机械，关于它的起源有很多种说法，如中国古代玩具“竹蜻蜓”、古代的车轮、古代的风车……而螺旋桨被用于飞机的设计则是18世纪以后的事情了。螺旋桨作为旋翼设计的出现，使飞机家族分化成了两大阵营：旋翼飞机与固定翼飞机。螺旋桨作为旋转的机翼，它最大的优点在于可以原地产生升力而不需要长长的跑道，这使得直升机与垂直起降飞行器成为现实。

然而，螺旋桨技术的缺点在于，它在产生升力的同时，不可避免地会产生阻力，而且阻力的作用会使机身产生反向旋转。想象一下，一架仅靠一个螺旋桨产生动力的直升机起飞之后，它只能在原地打转，那么驾驶员非得晕过去不可。所以直升机一定要有后机身和尾桨来抵消反扭力。

然而，后机身和尾桨的设计不仅会增加飞行器的重量，而且对制作后机身的材料要求也比较高。那么能不能有一种新的设计，使飞行器不需要尾桨呢？为了解决这个问题，共轴直升机应运而生，它的主轴是空心的，拥有一正一反两套旋翼，产生的反扭力则是一反一正，刚好抵消。此外，这种结构还有一个好处：如果两套旋翼一个加快、一个减慢，那么正向扭力与反向扭力会一大一小，多出来的这部分力刚好可以用来控制飞行方向。

多么聪明的设计！但是，这种共轴结构也并不完美。

当两套螺旋桨工作时，上层旋翼的气流会干扰下层旋翼，从而造成“1+1<2”的飞行效果。只有当两个旋翼互不重叠，才能达到“1+1=2”的效果。

在科幻电影《阿凡达》中就出现过这种设计思路的飞行器——蝎式战斗机。影片中，蝎式战斗机两组旋翼一左一右，默契配合：需要前进的时候，两组旋翼前倾；需要转弯的时候，两组旋翼一前一后；需要左右平移的时候，两组旋翼一快一慢。影片中的这种设计，理论上确实可以使两套旋翼互不重叠、互不干扰，有效地提高了飞行效率。

可是这么好的结构，为什么没有普及呢？主要原因还是机械结构太复杂，制作材料无法满足条件。

想象一下，你的左手和右手分别拿着一个吊式电风扇，每个风扇都以极快的速度旋转，产生巨大的力量把你吊到空中。与此同时，你的手臂还需要挥舞风扇前后倾斜，从离地到落地，一秒都不能停止。这一定需要十分结实的骨骼、强劲的肌肉才能做到。而机械肩膀和机械肌肉会增加额外的重量，并且难以保证不出故障。

那么三轴飞行器会不会更好呢？

三轴飞行器拥有两正一反3个螺旋桨的设计，其中必然有一个螺旋桨产生额外的反扭力，因此需要尾部的一组机械结构摆动尾桨，抵消反扭力。但采用这种设计的话，三轴飞行器的驱动力将减少2/3。

如果不需要复杂的机械结构，只控制电机转速就能前后、左右飞行，并且保持稳定，旋翼互不重叠，那就完美了。这样的飞行器存在吗？当然存在，那就是四轴飞行器。这就是为什么目前市场上售卖的无人机大多为四轴飞行器了。

不幸的是，四轴飞行器也有致命的弱点。当四轴布局的任意一个电机出现故障，飞机必然坠地，无可挽救。而六轴飞行器如果其中一个电机发生故障，还有其他五个电机可以勉强维持飞行器降落，至少不会砸到人。这对于那些挂着昂贵相机进行航拍的飞行器具有重要意义。但是，六轴飞行器与四轴飞行器相比，每个螺旋桨的尺寸都更小，这意味着需要更高的转速和产生更多的能量损耗。 所以，它必然没有四轴飞行器飞的时间长。另外，六轴飞行器还多出两套电机和调速器，成本也比四轴飞行器更高。

综合考虑，小型飞行器一般都使用四轴布局，因为它结构简单、易操作；而大型飞行器由于机身、摄影设备造价昂贵，通常使用六轴或八轴等安全性更高的旋翼布局。

新的设计思路

为了提高四轴飞行器的安全性，很多厂家都将机架做得十分结实，所以常使用碳纤维板与铝合金柱作为机身。

采用这样结构的好处是，需要很大的外力才能使其损坏。不过这样做的直接后果是飞机整机更重，整机重量动辄超过500克。当发生坠机时，冲击力也更大。就算机架不会坏，飞行器的电池、线路、螺旋桨、电机外壳等部件也容易损坏。

由此想到了现在常用的3D打印技术，它可以快速地复制零件，而四轴飞行器的四个机架臂又是相同尺寸，很容易复制。机架臂与主板、电机都采用螺丝连接，是一种容易拆装的连接方式。

如果设计一种机架臂，正常飞行时够结实，在坠毁的时候故意让其折断，吸收撞击能量，捡起后拆几个螺丝，换一个新的机架臂就又可以飞行，从而实现保护机身的效果。由于悬停时受力不大，机架臂可以做得十分轻盈，进而减轻总重量，这又进一步减轻了冲击力，提高了操控性、载重、动力系统效率和续航时间。 （未完待续）