问题

依据什么在飞机旋翼数量上做减法呢?

回答
飞机旋翼的数量,这个看似简单的数字,背后其实是工程师们权衡再三、不断博弈的智慧结晶。要给旋翼“做减法”,可不是随意拆几个零件那么简单,而是要解决一系列复杂的问题,主要围绕着几个核心维度展开:

首先,得从稳定性与控制说起。最直观的,比如早期直升机,通常采用单旋翼加尾桨的布局。这套设计的好处在于,主旋翼提供升力和前进的推力,而尾桨则平衡主旋翼产生的反向扭矩,并提供航向控制。但是,尾桨本身需要消耗一部分发动机功率,而且在某些飞行状态下,尾桨的效率和稳定性也会受到影响,比如高速飞行时的“咬尾”现象。

如果想在旋翼数量上做减法,比如尝试双旋翼共轴反转布局,也就是两副旋翼同轴反向旋转。这样一来,两副旋翼产生的反向扭矩可以互相抵消,就无需尾桨了。这样做的“减法”,直接省去了尾桨系统,意味着更少的零件、更轻的重量,理论上也就更低的维护成本和更高的燃油效率。而且,这种布局取消了尾桨,使得飞机可以在空中更稳定地悬停,甚至可以实现原地转向,机动性更强。比如,著名的卡莫夫直升机系列就是这种布局的代表。

然后,我们得聊聊效率与功耗。旋翼越多,通常意味着需要更多的发动机功率来驱动它们。每多一个旋翼,就意味着多一套传动系统,多一套操纵系统,这些都会增加飞机的复杂性,也意味着能量的损失。在设计时,工程师会计算每种旋翼布局所需的总功率,以及在不同飞行状态下的效率。如果某种布局,比如传统的双旋翼串列布局(两副旋翼前后排列,各自反向旋转),在提供足够升力的同时,由于旋翼间气流的相互干扰,可能会影响效率。这时候,考虑去掉其中一个旋翼,或者调整旋翼的尺寸、转速,甚至改变它们的间距和角度,来达到更好的整体燃油经济性和更远的航程。

再者,结构与重量也是一个关键的考虑因素。旋翼系统本身就是飞机上最复杂的机械部分之一,它包含着桨毂、桨叶、变距控制机构等等,这些都是需要精密加工和可靠性极高的部件。旋翼越多,整体的结构就越复杂,重量也越大。减去一个旋翼,意味着减少了大量的结构件,降低了飞机的结构重量。这对于追求极致性能的飞行器来说,尤其重要。更轻的飞机意味着能携带更多的有效载荷(比如人员、货物),或者在相同的载荷下,能够飞得更快、更远。

当然,我们不能忽略运行成本与维护。旋翼叶片需要定期检查、维修,甚至更换。复杂的旋翼系统意味着更多的检查项目和更长的维护时间。如果一个飞机设计,比如四旋翼无人机,虽然可以通过简单地增加旋翼来提升升力和稳定性,但如果目标是大型运输或者人员搭载,那么四旋翼的复杂性、能量损耗以及潜在的故障点(比如同时损坏两到三个旋翼的可能性)可能会让它在成本和可靠性上不如一些更精简的设计。比如,将一个复杂的多旋翼无人机设计简化成一个拥有两个旋翼(可能是串列或共轴)的固定翼飞机,虽然失去了垂直起降的能力,但可能在巡航效率和维护成本上更具优势。

最后,还有性能需求与飞行环境。不同的任务对飞机有不同的要求。如果需要超强的机动性和快速响应,一些复杂的多旋翼布局或许是最佳选择。但如果任务是长时间的空中侦察或者货物运输,那么追求稳定、高效、低成本的布局就显得更为重要。比如,一些早期的垂直起降飞机(VTOL)尝试过很多种旋翼组合,有的甚至有多个独立的旋翼。但随着技术的发展,人们发现,很多时候,将垂直起降能力与固定翼飞机的巡航能力结合起来,通过更巧妙的设计,比如倾转旋翼或者涵道风扇,可以在保证垂直起降的同时,大幅提升巡航效率,这本身也是一种“减法”,将原先分散的旋翼功能整合或替代,以获得更优的整体性能。

所以,说到底,在飞机旋翼数量上做减法,就像是在给一辆车减重,同时还要考虑它跑得稳不稳、油耗高不高、修起来便不便宜一样,是一个多维度、系统性的优化过程,目标是找到那个在稳定性、效率、重量、成本和任务需求之间达到最佳平衡点的方案。

网友意见

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这不是减法啊,我觉得你老师可能没说明白他到底想问你们啥……

如果从大趋势上看,飞行器上提供主升力旋翼轴数量甚至可能是“增多”的。

从世界上第一个“旋翼飞行器”年代看,此处泛指所有直升机(helicopter)、自转旋翼机(autogyro,旋翼无动力连接,靠旋翼迎风自转产生升力,只能STOL)、复合旋翼机(gyrodyne,旋翼有动力连接,可以接动力旋转产生升力,可以VTOL),他们都是单升力轴。

第一款实际可用的直升机是1939年9月,西科斯基设计的VS-300


第一款旋翼机是上世纪20年代初,Juan de la Cierv设计的。

第一款复合旋翼机,1947年12月,Fairey公司的FB-1


究其原因,同时控制多个旋转轴要么需要多个发动机分别输出调速,要么需要一套能够比较快速响应的动力分配系统进行调平。(和多发动机固定翼不一样,固定翼多发动机飞行器产生的牵引力不均对升力和机身姿态的影响可以直接用操纵面配平)。

比如上世纪20年代研发的de Bothezat helicopter项目虽然大胆的采用了四轴驱动,但是

“it suffered from complexity, control difficulties, and high pilot workload, and was reportedly only capable of forward flight in a favorable wind”

简单来说就是,旋翼飞行器发展早期,低效率的分动调速系统死重大,控制响应速度慢)/低效率主发动机功率/重量比低)/调节控制难度大(多旋翼分别调控需要高速计算姿态)使得先驱者普遍选择了更易于控制的旋翼头+尾桨/无动力单旋翼/有动力单旋翼。

随后在发展中,由于载荷或者特殊的飞行任务需求,多旋翼系统应运而生。

比如交叉式布局(一眼看上去非常鬼畜)

K-MAX直升机

比如串列布局

CH-46,还有个大一号的CH-47

还有横着排的Mi-12


至于现在很流行的多轴遥控飞行器,属于高速姿控调节系统成熟+电动调速响应速度快+电机功率密度高+电机便宜的直接产物。在短期来看,由于电池技术的限制,除去实验型号外,难以应用到载人/载重飞行器上。

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