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三种飞行器性能对比(bǐ)

 

1、固定翼(fixed wing)。平时坐的波音747空客A380,还有(yǒu)F-16-15之类的都是固(gù)定翼飞(fēi)机。顾名思义就(jiù)是(shì)翅膀形状固定,靠流过机(jī)翼的风提供升力。动力系统(tǒng)包括桨(jiǎng)和助推发动(dòng)机。固定翼根据机翼尺寸的不同还(hái)有(yǒu)很多小(xiǎo)的分类,在(zài)此不细说。固(gù)定翼飞行(háng)器(qì)的优点是在三类飞行器里续航时间最长(zhǎng)、飞行效率最(zuì)高、载荷最大,缺点是(shì)起飞(fēi)的时候(hòu)必须要助跑,降(jiàng)落的时候必须要滑行。固定翼是自稳定系统,简单说就是固定翼飞上(shàng)天、助推发动机(jī)稳定工作(zuò)之后(hòu),不需要怎么控制,固定翼就能(néng)自己抵抗气流的干扰保持稳定。此外对于飞行器姿态控制来说,固定(dìng)翼是完整驱(qū)动系统,意思(sī)是它(tā)在任(rèn)何姿(zī)态下可(kě)以(yǐ)调整(zhěng)到任何姿态,并且保持住这个姿态。

2、直升(shēng)机(helicopter)。特(tè)点是(shì)靠一个(gè)或者两(liǎng)个主(zhǔ)旋(xuán)翼提供升力。如果只有一个主(zhǔ)旋翼的话,还必须要(yào)有一(yī)个小(xiǎo)的尾翼抵消主旋翼产生(shēng)的自旋(xuán)力。为(wéi)了能往前后左(zuǒ)右飞,主旋翼有极(jí)其复杂的(de)机械(xiè)结(jié)构,通(tōng)过控制(zhì)旋翼桨面的变化(huà)来调整升力的方向。动(dòng)力系统包括发(fā)动机、整套复杂的桨(jiǎng)调节(jiē)系统、桨。直升机的优点(diǎn)是可以垂直起降(jiàng),续航时间比较中庸,载荷也比较中庸(yōng)。缺点是极其复杂的机械结构导致了(le)比较(jiào)高的维护成本。直升机(jī)是不(bú)稳定(dìng)系统,飞上天(tiān)之(zhī)后(hòu)如果不施加控制,一阵(zhèn)风吹(chuī)来就翻了。不(bú)过还好的是,直(zhí)升机也是(shì)完整驱动系统(tǒng),可以(yǐ)自由调整姿态。这(zhè)是(shì)因为直升机的桨面不(bú)但可(kě)以产生相对机身向上(shàng)的推力,也(yě)可以产生(shēng)相对机身向下的推力。而且(qiě)直升机没(méi)有(yǒu)失速的问题,什么时候(hòu)都能调整姿(zī)态,可以在天上如散步一般(bān)自由运动。所以直升机虽然不稳定、很难控制(zhì)好,但是姿态翻了(le)的(de)时候完全可以控(kòng)制回(huí)到正(zhèng)常的姿态(tài)。

3、多旋翼(multi-rotor)。四个或者更多个旋翼的直升机,也能垂直起降,但是通常只有(yǒu)直升(shēng)机叫直升机,多旋翼就(jiù)叫多(duō)旋翼,而不叫多旋翼直升(shēng)机。四旋翼特别叫做quadrotor。多旋翼机械结构非(fēi)常简单,动力系(xì)统只需要电机直接连桨就行。下图是直升机的动力系统(tǒng)结构,再(zài)下图是多旋(xuán)翼的动力系统结构。不懂(dǒng)机械的人也能看出多旋翼简单得(dé)多。多旋翼(yì)的(de)优点是机械简单,能垂直起降(jiàng),缺点是续航时间最短,载荷也最小(xiǎo)。多旋翼(yì)是不稳定系(xì)统,也不是完整驱动系统(或(huò)者叫欠驱动系统)。它的桨只能产(chǎn)生相对机身向上的升力。所以它(tā)不稳定、很难控(kòng)制好(hǎo),飞行器(qì)翻过来(lái)之后基本没办法控(kòng)制(zhì)回来(lái),就坠机了。

上述飞行(háng)器作(zuò)为系(xì)统有(yǒu)稳(wěn)定不稳定、驱(qū)动完整不(bú)完整(zhěng)的区别,所以固定翼和直(zhí)升机让人控制难度相对不高;多(duō)旋翼让人来控制难度相对高,最好有自动控(kòng)制(zhì)器来控制飞行(háng)器的(de)姿态。对于自动控制器,固(gù)定翼的自动(dòng)控制器比(bǐ)较好(hǎo)做(zuò),直升机和多(duō)旋翼的自动控制器比(bǐ)较难做。让事情更加难办的(de)是,飞行器自动控制器通(tōng)常需(xū)要惯性导(dǎo)航系(xì)统获取(qǔ)自身的姿态,而在20世纪90年代之前,惯性导(dǎo)航系统一般是十(shí)几(jǐ)公斤的大铁(tiě)疙瘩。为了(le)把这么重的东西放到一个多旋翼(yì)飞行(háng)器上,飞行器的载荷必须很(hěn)大,可(kě)是人们发现,不管(guǎn)是用油机还是(shì)电机做多旋翼飞行器的动力系统,都(dōu)很难(nán)得到足够的载荷。同(tóng)时,因为固定(dìng)翼和直升机已经很(hěn)够实际使用了(le),所(suǒ)以没有人(rén)愿意多花功夫(fū)去研究多旋(xuán)翼飞行器这(zhè)个棘手的问(wèn)题。很长一段时间里(lǐ),只有美国一些(xiē)研发性的项目(mù)做(zuò)出了多(duō)旋(xuán)翼飞行器的样机。

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