为什么四轴飞行器没有载人应用

Answer 1

我最近买了一架四轴飞行器的遥控飞机来玩，玩了两天之后，我必须承认，在我玩过的所有飞机中，四轴飞行器无论是操作性还是稳定性都非常优秀，在无人机领域里面最顶尖的大疆，也是做这样形状的四轴飞行器的。但是我发现，四轴飞行器的飞行结构，似乎只出现在无人机里面，而并没有载人的四轴飞行器。

这里面的原因十分值得学习。

一个垂直的旋翼旋转，可以产生升力，带动飞行器上升，但是这有一个显著的问题：螺旋桨朝一个方向旋转，会给整个飞行器带来这个方向的扭力，使得整个飞行器都在旋转，为了克服这个问题，大部分直升机采用的办法是在后端加一个侧面的小旋翼，这个旋翼的气流抵消大旋翼的扭力，使得整个直升机能够平稳的上升。

改变后端小旋翼的旋转速度，可以提供不同的力量，使得飞机按照需要来水平旋转，而诸如前进，侧飞等行为则通过直升机的大桨叶的改变来实现。

四轴飞行器拥有四个旋翼，但是每个旋翼的旋转方向并不是相同的，然而每个桨叶有着不同的角度，使得最终的气流都是下行的。旋转方向的不同，使得每个桨叶的扭力能够相互作用从而保持平衡，四轴飞行器有着一套全自动的控制系统，这套系统的中枢是诸如陀螺仪，气流仪等感应仪器，飞行器可以实时获得自己的姿态，一旦有一阵风吹来之类的，通过调节各轴电机速度，可以使得飞行器快速再次获得平衡状态。

四轴飞行器看似非常完美，事实上当它作为无人机或者玩具，体积不太大的时候，也确实如此，但是一旦它的体积长大到能够载人，那么问题就来了。

我们知道，桨叶越大，转速越慢，效率就越高，四轴的桨比较小，所以效率比较低，而且四个桨的气流还会互相干涉。另一个方面，如果载人四轴使用电动，那么续航是个问题，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。因此，在电池技术有着革命性的突破之前，四轴电动飞行器的体积注定不会太大，在重量和续航中间寻找一个平衡，也就是这样了。

一阵风吹来，机身吹歪了，有桶滚的趋势。电动四轴，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。而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。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。

总结一下原因，可能就是在于：当体积很小的时候，四轴飞行器比其它飞行器都稳定，但是当体积和重量大到一定程度之后，这种稳定优势就体现不出来了，并且四轴飞行器的效率很低，且机动性能难以达标。

事实上，历史上曾经有过不少四轴载人飞机，但都由于上述的一些问题而放弃了。

1907年8月24日，Breguet兄弟设计制造的第一架旋翼飞行器“Breguet-Richet Gyroplane”进行了试飞，成功离地50厘米。该机采用四副双层四叶旋翼结构。

1921年，George De Bothezat与其助手Ivan Jerome设计制造了De Bothezat直升机，由一个发动机带动四个直径26英尺的旋翼。该机实现了多次低空、低速飞行，巡航高度仅为5米，存在动力不足、反应慢和可靠性差等问题。

标致汽车公司工程师Etienne Oemichen设计了历史上最早的能够悬停的四旋翼飞机，将当时的直升机飞行时间世界纪录刷新至14分钟。

早期的四轴飞行器都额外设置有垂直于主翼的旋翼，用于驱动飞行器前进。20世纪50年代，Convertawings公司设计制造了Convertawings Model A飞行器。该机通过两台互为备份的引擎驱动四个直径达5.79旋翼，通过改变每个螺旋桨上的推力，来控制飞行器的姿态，实现悬停和机动。该机并未添加额外的旋翼来提供机动所需的拉力或推力，因此更接近现代意义上的四轴飞行器。