便宜又好飞？既像直升机又像固定翼的旋翼机

xiao小菜鸟 · 发表于 2017-10-3 16:54:40

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前段时间有模友在后台问有没有旋翼机的制作教程，其实小编找了很久是没找到模型旋翼机的制作教程的，但是也一直想跟大家介绍下旋翼机，因为它的飞行原理是如此的特别，以至于必须拿出来说一说。虽然在模型中关于它们的产品目前并不多见，但是在实际载人飞机中，旋翼机正蓬勃发展，同时由于它的安全性和低成本，在自制载人飞机的爱好者中旋翼机也占据重要比例，所以小编认为了解旋翼机的飞行及控制原理对于我们加深理解飞行是很有必要的。
图1 载人旋翼机

旋翼机的原理既不同于常规的固定翼飞机，也不同于直升机和多旋翼类飞机。虽然它看起来和直升机更像一些（如下图2和图3），都有一个大直径的旋翼在机身顶部用来产生升力，但它跟直升机的飞行原理是有本质的不同的。另外一个有着同样特别的飞行原理的飞机也一直存在，扑翼机，以后我们也会介绍，欢迎讨论。
图2 模型AC10 旋翼机

今天先说说旋翼机，其实准确的说应该是自转旋翼机，因为我们之前也称呼直升机和多旋翼类的飞机为旋翼飞机。当然了，其实只要主升力机翼是旋转类的运动方式的飞机都可以称为旋翼机，但是本文中的飞机主旋翼运动方式为被动转动，也就是靠飞机向前运动产生的相对运动气流吹动旋转，而直升机类的主旋翼是靠飞机自身动力驱动的，为主动转动，这是最本质的区别，因而本文中的旋翼机指定为自转旋翼机以示区别。
图3 模型直升机

那么旋翼机是怎么飞的呢？它都有哪些组成部分呢？
我们先来看看旋翼机的构造吧。常规布局的旋翼机是有一个高悬在机身上方的主旋翼和一个后置的螺旋桨（如下图4所示），在机身尾部还布置有方向舵和水平安定面。如果图4看不清楚也可以看图5，图5是模友自制的旋翼机模型。
图4 模型AC10 旋翼机

图5 自制三叶型旋翼机模型

这个自制的旋翼机，构造简单，看起来略显简陋，但是却是实现旋翼机运动控制的完全系统，麻雀虽小，五脏俱全。
在旋翼机尾部有两个固定的翼面，一个垂直，一个水平，分别是垂直安定面和水平安定面，具有辅助稳定机身的作用。在垂直安定面上有方向舵，如下图6可以清楚的看到，可以在空中控制机头指向（航向），不同旋翼机的尾部可能设计造型和美观程度不同，但是功能都是相同的，起稳定机身和航向控制的作用。
图6 前拉布局旋翼机

旋翼机除了发动机在尾部的常规布局之外，也有发动机置于机头的前拉布局（如图6所示）但是不管前拉还是后推的模型旋翼机，它的动力系统都是提供飞机向前运动的动力，这一点旋翼机跟固定翼飞机很像。
如果想要自己制作一架模型旋翼机，最主要的难点，应该要算旋翼头和支撑旋翼头的控制总成了。因为这些零件并不是通用型，在其它模型上并不会用到，所以想要DIY的话可能比较难做。当然了现在网上有卖旋翼机模型零件的，如果想自制旋翼机模型也可以在网上买。
图7 旋翼头

图7所示的是旋翼头，主要是用来固定各个主旋翼，在蓝色的桨盘中心装有轴承来支持旋翼转动，是承受主旋翼升力的主要部件。旋翼头的蓝色中心盘和白色桨固定夹之间的连接并不是刚性连接，而是具有类似挥舞铰功能的柔性连接。
不知道啥是挥舞铰？
挥舞铰主要是用来抵消旋翼在向前运动的过程中的不平衡震动。由于旋翼在向前运动的过程中同时自转，因而左右两边旋翼相对气流的速度不同，速度不同就会引起升力不同，体现在飞行上就是不平衡震动，解决方法就是让旋翼在垂直方向上一定角度内自由挥舞，通过挥舞中的自适应性来改善气流攻角从而改善升力差，抵消不平衡力。挥舞铰也是首先在自转旋翼机上发明应用，后来大范围应用在直升机上的一个例子。
下图8所示为控制总成，它由两个成呈90度的铰结构组成，在上面的铰机构上开有螺纹孔可以固定旋翼头的固定轴，控制总成可以在一定角度范围内往前后和左右等任意方向倾斜，是控制旋翼机俯仰和滚转运动的主要机构。
图8 旋翼控制总成

控制总成的安装方式如下图9和图10所示，两根长长的控制杆连接着两个伺服舵机另一端连接总成控制杆，当两个伺服舵机同时向上运动推控制杆时，控制总成平面向前倾斜，固定在控制总成上的主旋翼平面也向前倾斜，飞机低头俯冲；舵机同时向下运动拉控制杆时，控制总成平面向后倾斜，旋翼旋转平面也向后倾斜，飞机抬头上升；左右差动控制舵机的时候，控制总成左右倾斜，带动旋转平面左右倾斜，从而实现飞机的左右滚转运动。
图9控制总成安装图

图10 旋翼头控制总成

关于控制总成，以上的控制方法被称为混控式控制，这种混控方式也是载人旋翼机的主要控制方法，通过两个连杆联合控制，优点是稳定性好，对控制力的要求比较小。还有另一种控制方法，被称为90度单独控制，主要就是俯仰和滚转都用单一的控制杆控制，如下图11所示，载人旋翼机上比较少见，模型上用的稍多，主要是它不要求遥控器具有混控功能，四通道即可。90度控制与混控模式的区别有点像直升机的ccpm混控和普通模式的区别。
图11 90度单独控制总成

图12 90度控制总成安装

在模型旋翼机中90度的控制总成控制方式从直观上更好理解一些，因为要往左右滚转就推拉左边的滚转摇臂就行，要爬升和俯冲就推拉前边的俯仰摇臂即可。90度控制的方式主要缺点就是对于控制力的要求比较大，相应的也就是对舵机的力要求比较高。
介绍到这里，那么一架旋翼机的主要组成就介绍完了。

当我们飞行的时候，首先我们推油门杆，旋翼机开始向前直线加速滑行，主旋翼在气流的作用下开始慢慢加速转动，当飞机滑行达到一定速度的时候，主旋翼的转速也达到某一转速，升力开始略大于重力，轻轻往后一拉升降舵，主旋翼平面往后倾斜一点，飞机抬头，就起来了。飞机飞起来之后通过操纵旋翼控制总成的两个舵机（副翼和升降舵）来调整旋翼平面角度从而使飞机平飞，通过改变尾舵机（方向舵）可以调整机身指向（航向）。
图13 载人旋翼机

从滑跑起飞和操纵方式的角度来说，旋翼机和固定翼飞机的操作是一样的。固定翼飞机，当飞机滑跑速度达到某一速度的时候，固定的机翼的上下表面产生的压差(就是升力)足够大的时候，就将飞机托起来了，然后通过各个舵面的控制来改变飞机运动姿态（如果不了解固定翼飞行原理可以参考帖子不知道怎么玩航模？来看这里）。
从产生升力的方式来看，它跟直升机又有些类似，都是靠大旋翼旋转产生升力，但是旋翼机旋翼的转动依靠气流来吹动，有点像风车，这也是为什么早期的旋翼机被称为“风车飞机”的原因，而直升机则需要依靠自身动力系统来驱动主旋翼，当然了，这一区别也直接带来了直升机可以悬停而旋翼机不能悬停的的功能差别。
图13 西科斯基 X2 高速直升机

在目前航空器的设计追求直升机的垂直起降不挑场地的优点同时又追求固定翼的长航时高效率的目标下，有人说旋翼机是集合了直升机不能悬停和固定翼需要跑道两者的缺点，这个观点小编是不敢苟同的。
图14 固定翼飞机

首先旋翼机需要的跑道长度比一般的固定翼短，现在旋翼机装有预旋功能，即在地面的时候预先给旋翼加速旋转，之后再脱开，可以显著缩短滑跑距离甚至在风速合适时原地起飞，降落也可以短距甚至定点降落，对场地要求比固定翼要低的多，此外，旋翼机的安全性和低成本是固定翼和直升机不可比拟的，它的发动机即使在低飞行高度失效，主旋翼也可以利用自旋升力降落，这点不同于直升机，同时它构造简单，门槛低，小编觉得作为低空开放以后的普及类航空器还是很有竞争力的，欢迎留言讨论。
图15 共轴双桨旋翼机

那么作为一个关注和介绍航模类产品的公众号，旋翼机模型对我们模友又有什么意义呢？
首先除了它作为一款航模飞机用来飞行的娱乐属性之外，小编认为可以进行开发的方面还很多。例如加装飞控，实现传统无人机的测绘和巡线功能？作为植保喷洒的载机？参照旋翼机的飞行原理，制作类似直升机的共轴双旋翼机呢？四旋翼呢？总有适合旋翼无人机的应用场景。
如果说载人旋翼机在行业应用上已经开始欣欣向荣了的话，那么在航模产品和无人机的行业应用上至少目前还很少见到旋翼机产品，小编希望能有更多人的关注旋翼机，旋翼机能更好的发展。
毕竟以后能不能玩上便宜又好玩的旋翼机模型，开得起便宜又安全的旋翼机飞机，还是要靠你们滴(◡‿◡)。

本文中介绍旋翼头和控制总成所引用图片6-图12所示的模型是淘宝网站上萝卜V2旋翼机模型，首图是优雷特旋翼机模型，如果你感兴趣也可以搜来看看，其他图片来源于互联网。航大航模飞行航拍爱好者致力于普及航模知识，让更多的人能够享受航模的乐趣，欢迎分享关注。