问题

为什么没有四轴(四旋翼)直升机?

回答


四轴(四旋翼)飞行器通常被称为四旋翼无人机,而非“直升机”。两者在结构、工作原理和应用场景上存在本质区别,以下是详细解释:



一、四旋翼飞行器与直升机的核心区别
1. 结构设计
四旋翼飞行器:由四个旋翼(通常为电动电机+螺旋桨)组成,通过调整各旋翼的转速产生升力和控制姿态。
直升机:通常由主旋翼(产生升力)和尾桨(抵消反扭矩)组成,部分直升机还配备旋翼变距系统(调整桨叶角度)。
关键差异:四旋翼飞行器没有主旋翼和尾桨,而是通过四个旋翼的协同旋转实现飞行;直升机依赖单个主旋翼的旋转。

2. 动力系统
四旋翼飞行器:依赖电动电机驱动旋翼,动力来源为电池,结构简单且易于维护。
直升机:通常使用燃气涡轮发动机(如螺旋桨发动机或涡轴发动机),动力系统复杂,维护成本高。

3. 控制方式
四旋翼飞行器:通过调整四个旋翼的转速(如前、后、左、右旋翼)实现升力和姿态控制,依赖多轴控制算法。
直升机:通过变桨距(调整桨叶角度)和尾桨的转速控制升力与方向,依赖飞行操纵杆(如周期变距杆、俯仰杆、方向杆)。

4. 应用场景
四旋翼飞行器:主要用于小型无人机,如航拍、物流、农业监测、灾难救援等,体积小、成本低、操作灵活。
直升机:用于载人运输、重型货物运输、空中侦察、紧急救援等,具有更高的载重能力和飞行性能。



二、为什么四旋翼飞行器不被称为“直升机”?
1. 技术原理不同
四旋翼飞行器:本质上是多旋翼飞行器(Multirotor),通过四个旋翼的协同旋转实现升力和控制,属于无人飞行器(UAV)的一种。
直升机:属于旋翼飞行器(Helicopter),依赖主旋翼的旋转产生升力,属于有人飞行器(HVT)或无人直升机(UH60等)的范畴。

2. 分类标准
直升机:根据国际航空联合会(FAA)的定义,直升机是通过主旋翼旋转产生升力的飞行器,通常有尾桨或共轴旋翼结构。
四旋翼飞行器:属于多旋翼无人机,其核心是多旋翼协同控制,而非单个主旋翼的旋转。

3. 历史发展
直升机:从1939年意大利工程师弗朗西斯科·德·维克托(Francesco Depero)的早期设计到现代直升机,经历了从单旋翼到共轴旋翼的发展。
四旋翼飞行器:起源于20世纪末的遥控模型飞行器,21世纪初发展为商用无人机,属于微型飞行器(Micro Air Vehicle, MAV)的范畴。



三、四旋翼飞行器的结构与工作原理
1. 基本结构
四个旋翼:通常为两两对称(前、后、左、右),每旋翼由电机和螺旋桨组成。
飞行控制系统:包括飞控主板、IMU(惯性测量单元)、GPS、遥控器等。
动力系统:电池组(如锂电池)和电机(通常为无刷电机)。

2. 工作原理
升力生成:通过调整旋翼转速,改变气流速度和方向,从而产生升力。
姿态控制:通过调整不同旋翼的转速(如前旋翼加速、后旋翼减速),使飞行器倾斜或旋转。
悬停与移动:通过平衡四个旋翼的升力,实现悬停或前进、后退、上升、下降等动作。

3. 优点与局限性
优点:体积小、成本低、操作简单、适应复杂环境(如城市、丛林)。
局限性:载重能力弱、飞行速度慢、续航时间短(通常为2040分钟)。



四、四旋翼飞行器与直升机的对比表格

| 项目 | 四旋翼飞行器 | 直升机 |
||||
| 结构 | 四个旋翼(无主旋翼/尾桨) | 主旋翼+尾桨(或共轴旋翼) |
| 动力 | 电动电机+电池 | 燃气涡轮发动机 |
| 控制方式 | 多轴旋翼转速控制 | 变桨距+尾桨控制 |
| 应用场景 | 航拍、物流、农业监测 | 载人运输、重型货物运输、救援 |
| 飞行性能 | 悬停能力强、机动性高 | 高速飞行、长续航、载重能力强 |
| 体积/重量 | 小型(如100500克) | 大型(如5005000千克) |



五、为什么有人误称四旋翼飞行器为“直升机”?
1. 名称混淆:中文中“直升机”一词可能被误用于描述四旋翼飞行器,但实际是不同类型的飞行器。
2. 功能相似性:四旋翼飞行器能实现悬停和垂直起降,与直升机的某些功能相似,但原理完全不同。
3. 技术发展:四旋翼飞行器的出现是无人机技术的突破,但并未改变其分类。



六、总结
四旋翼飞行器(四旋翼无人机)与直升机是两种完全不同的飞行器类型,前者属于多旋翼无人机,后者属于传统旋翼飞行器。它们在结构、动力、控制和应用上存在本质区别,因此四旋翼飞行器不会被称为“直升机”。理解这一点有助于区分无人机与传统直升机的技术差异。

网友意见

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随便写两句把。

首先是,蓝鲸四旋翼直升机,实际不能算作严格意义上的四轴飞行器,而是跟V-22鱼鹰类似的倾斜旋翼机。

传统意义上四轴飞行器,是依靠陀螺仪、加速度传感器和电子调速器(控制板和电调)来调节各个电动机的输出功率,实现各种机动动作的。

比如:

水平移动是降低前方两个电动机的转速,提高后方两个电动机的转速,机身自然倾斜,实现向前飞行;

旋转是调节对角螺旋桨的转速,通过反扭力来实现;

升降是靠调节转速完成升降。

此外,四轴的重心可以不落在正中间,因为平衡和稳定完全是靠控制板和电调自动完成。

直升机,则是依靠周期距、总浆距和尾桨距来控制。

比如:

前进是改变周期距,整个浆盘向前倾斜,直升机实现水平方向上的运动;

旋转是调节尾桨的浆距实现转身;

升降则是改变总浆距(大旋翼的浆距改变,同时也会引起反扭力的变化,所以也会同时调节尾桨浆距)来实现升降,旋翼的转速基本不变。

所以说,四轴飞行器和直升机完全是两码事儿。

那为什么直升机不能做成四轴的呢?

原因有很多方面。

比如,四轴飞行器的平稳悬停是依靠加速度传感器和陀螺仪的数据来实时调节电机输出功率,但直升机上明显不适用:

一阵风吹来,机身吹歪了,有桶滚的趋势。四轴的话,反向的电机提高输出功率,提高转速只需要加点儿电压就够了,全部电子自动化控制,基本不会有什么延迟功率输出就上来了;

采用的涡轮轴发动机的话,那就得改变总距,同时增加供油,提高发动机出力。但这样一来,无论如何也得有那么点儿延迟吧?很有可能1/10秒的延迟就已经导致升力指向出现不可逆转的变化,造成坠机。

所以,在传统的内燃机动力的飞行器上采用四轴飞行器的控制方式,很难。

那为什么不采用电动机动力的大型四轴飞行器呢?

原因很简单,续航。

好点儿的四轴能飞20来分钟,差点儿的7、8分钟就没电。

加大电池能提高续航,但也增加了载重,拖累了续航。

四轴跟普通的飞机不一样,升力100%依靠螺旋桨带来的下洗气流,

飞行器的螺旋桨无时无刻不在克服着地心引力;

而电池又不会随着电力的释放而降低重量。

所以,电池电量增加带来的是大量的死重。

最终大家会发现,在电池技术有着革命性的突破之前,四轴电动飞行器也就是这么大了,在重量和续航中间寻找一个平衡,也就是这样了。

还有人问,那干嘛不采用内燃机—发电机—电动机的电传动模式呢?

还是一句话,重量。

如果内燃机+燃油+发电机的重量优势,不能明显优于电池重量的话,那也没啥必要。

更何况电传动的传输效率极低,发电机的出力也有着一定的延时。

总之,四轴飞行器如果想要采用内燃机动力,还有很长的一段路要走。

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