翻译文章(三): 四旋翼无人机设计之机身框架

翻译文章（三）：四旋翼无人机设计之机身框架

机身框架

四旋翼飞机的框架通常分为三类：H、X和+，对应于下图中的结构：

根据所使用的底盘类型，对于四旋翼机的行为和操作模式，没有必要进行过于深入的分析。在操作方面，H和X是相同的。其唯一的区别在于四旋翼机承载元件的位置及其结构阻力的容易性和空间安排。一般来说，对于有一定尺寸和重量的设备，则H型结构更实用。事实上，它被许多商用四旋翼机所采用。

商用碳纤维框架通常采用X中的配置,类似以下设备：

+型的配置可能是使用最少的。在这种情况下，+框架在结构上与X框架一致。也就是说，对于X框架，您可以选择X或+配置，但控制和操纵程序会被修改。

只要观察图9，就可以意识到+型结构俯仰运动将仅通过前发动机和后发动机产生的升力的失补偿来实现，而滚转运动将在横向发动机上发生失补偿时发生。

在不考虑复杂的空气动力学因素的情况下，+型结构向前、向后和横向位移运动将仅由2个转子产生的升力差而发生，而在X或H配置中，它们将由于四个转子的推力差而发生。因此，可以说，在没有更复杂分析的情况下，X和H这种配置的效率较低。

螺旋桨

四旋翼机的部件分析将由螺旋桨开始，因为事实上，这是最重要的元素，因为对于多电机组来说，每个螺旋桨都是一个旋转的机翼。在这份文件中，旋转翼之所以被称为旋转翼，是因为随着自转旋翼飞行理论的发明，旋转翼得到了发展。

螺旋桨负责将发动机提供的动力转换为飞行的有用动力

螺旋桨是由一组类似于飞机机翼的空气动力学轮廓形成的，从螺旋桨中心到叶尖的角度可变。在螺旋桨的每个部分（每个剖面）中，产生的推力效应不超过升力。

鉴于本文件的特点，分析影响升力的变量或分析产生升力的流体动力学是没有意义的

只要明白，在水平状态下，螺旋桨轮廓的运动会在后部产生比前部更大的压力，从而产生垂直推力（升力）。下图（图12）显示了螺旋桨直径75%时横截面的空气动力学剖面。最高的边缘被称为前缘和最低的后缘。形成连接前缘和空气的线的角度（相对风）称为攻角。

如果你看下图中的螺旋桨，你可以看到每个叶片的扭转角从叶尖到中心都是不同的。它在末端较小，在中心更明显。叶片采用这种形状是因为翼型产生的升力与其相对于空气的相对运动速度成比例。因此，如果认为在半径较大的螺旋桨末端，位于该区域的剖面的线速度较高，则显然需要减小螺旋桨的扭转（迎角）。物理模型中的这一事实有时会变得非常极端。当计算小型号螺旋桨尖端的线速度时，可以看出，在使用小直径螺旋桨的情况下，其转速超过20000转/分，处于声速的极限。当这种情况发生时，它会进入所谓的超音速状态，在这种状态下，空气不再被视为不可压缩的流体。对于这些情况，螺旋桨的末端设计为具有负攻角。

在四旋翼直升机中，一对桨称为拉力桨（PULLER）,另一对称为推力桨（PUSHER）。这些名称指的是螺旋桨旋转方向，以产生有利于飞行器飞行的推力。

作用在任何螺旋桨上的已知的一系列力如图15所示，。转动它的扭矩A，它产生的推力C（推力）和A、C的合力B。

扭矩是在发动机转动时产生的扭矩。要知道一对运动的螺旋桨的扭矩是一个二次方对，这一点非常重要。也就是说，它的形式是KV。其中K是取决于螺旋桨特性的值，V是其旋转速度。

螺旋桨风阻是速度的二次方的这一事实对多旋翼飞机的运行具有重要意义。只需考虑以下示例即可。它设计了一种p-WEIGHT四旋翼机，由2000mAh电池供电。考虑到它的自主性非常低，电池组被替换为4000mAh电池，重量高出3倍。在第一个近似值中，人们可能期望自主性加倍。然而，为了使设备保持飞行状态，有必要提升电池的额外重量，为此有必要提高电机的转速。由于螺旋桨提供的阻力扭矩是二次方的，如果我们夸张地假设有必要将转速提高一倍，那么产生电机的扭矩将大4倍。在这些条件下，无刷直流发动机消耗的电流大约是初始条件下的4倍。因此，自主性将降低到轻型电池的一半。

（译者注：P-weight是安装在所有标准背板上的背板捆扎的重量。与标准间距为280mm（11英寸）的储罐螺纹连接可以很容易地添加，而无需从罐子上拆下背板和机翼

P-Weights是将重量放置在潜水系统上的一种很好的方式，可以从重量带上移除一些重量。在紧急情况下，这意味着可以减少重量，从而实现更安全的上升速度，同时在水面上仍然具有更大的浮力。类似一种配重。大概后来应用到无人机上。实物见下图）

尽管这个例子是极端的，因为它是基于将旋转速度加倍的必要性，这个假设是表明，由于重量的增加，方程是二次方的这一事实与旋转速度的合理增加一样具有严重的影响，导致消耗比线性关系的情况下要明显得多。

螺旋桨由两个数值参数定义：直径（英寸）和螺距（PITCH）。例如，9x5、10x4.7、11x3.3是实际的螺旋桨配置。直径对定义没有任何疑问。接下来，将定义螺距（pitch）的概念。

螺旋桨的航程可以定义为当螺旋桨完全旋转一周时，飞机在水平飞行中的前进距离。也就是说，9x5螺旋桨以其5英寸的螺距表示，由其推动飞行的飞机每一转向前推进5英寸。

这个作为螺旋的定义给出的是几何步骤。由于空气动力学现象，在西班牙语中可以定义为滑动，因此飞机的实际推进将较差。在不涉及流体力学的复杂细节的情况下，可以通过将螺旋桨与拧入材料的螺钉进行比较来直观地解释滑动。当处理流体材料时，螺丝刀每转一圈，螺丝不会像在固体材料中那样前进，因为它会“滑动”。下图显示了以前的概念。

选择螺旋桨

在为四旋翼机设计选择螺旋桨时，必须首先考虑其制造质量和刚度。重要的是不要忘记，四旋翼机是一种具有旋转机翼的飞机，因此，4个螺旋桨是在静态条件下必须支撑重量的机翼，在离心力导致载荷系数增加的机动条件下更是如此。因此，螺旋桨应选择尽可能坚硬的，最好是碳纤维或木材。任何低成本的柔性螺旋桨都会以锥形的形式变形，从而降低飞行和设备的稳定性。

关于直径和螺距，必须与电机的直径和螺距一起进行选择，尽管有一个参数可以分割：直径。正如螺旋桨的性能所表明的那样，直径越大，第一近似值就越好（除非空间受到严重限制），以试图使螺旋桨的直径适应在转弯过程中占据的框架的直径，尽可能大，而不会明显干扰转子之间。

需要知道的是，通过使用尽可能大直径的双叶片螺旋桨可以获得最高的空气动力学性能。这一事实从航空业开始就为人所知，尽管也就是说，看到配备多叶片螺旋桨的经典飞机可能会令人惊讶。然而，考虑到传统飞机起飞和降落的空间限制，就足以理解通过增加叶片数量来减少直径的必要性。关于多旋翼的设计，螺旋桨的直径应选择为包含底盘的最大可能面积，前提是没有实现串联空气动力学干扰，其中旋翼的涡流在是之间相互作用。下图显示了这种现象：

在该图中，转子的涡流被表示为电机轴线之间的不同距离。在图中，电机的轴线之间的距离D等于螺旋桨直径的2倍。在图b中，为直径的1.5倍，在图C中为直径的1.25倍。

第三张图已经显示了串列涡流干扰的影响。因此，不应使用低于该值的间距。

对最受欢迎的四旋翼机进行审查：QuantumNova、Phantom等。可以看出制造商是如何尊重这两个标准的：一方面，他们试图占据最大可用面积，另一方面，推荐的螺旋桨建立了略高于1.25的距离标准。

本节完。