SLT飘飘机

这应该是模式最简单也最容易理解的VTOL飞行器了。它就是一个固定翼驮着一个四旋翼。起飞时,四旋翼把飞机举起来,然后固定翼发动机开始工作,到达一定速度后四旋翼停机,随后按照固定翼的方式来飞行。降落则相反,飞机减速或是直接进入无动力滑翔,四旋翼工作,把飞机稳住直到降落。
这种模式的好处是由于主推力发动机和多旋翼随时都在待命,状态的切换可以非常的平滑;所有发动机的角度都是固定的,没有繁琐的矢量推力机构;控制逻辑也很简单,就是常规的多旋翼飞控加上一个主推发动机的控制通道。
SLT的缺点也很明显,四旋翼在固定翼模式下完全成了摆设,增加死重的同时多旋翼吊舱也增加了飞行中的阻力。当然在全尺寸的飞行器中,这些缺点有可能被克服:让主发动机通过传动机构把扭矩传给四旋翼,旋翼使用变桨矩的方式来进行推力控制;增加收桨机构,让四旋翼在高速飞行中收起至机身中,减少阻力。当然对于航模或是小型无人机而言,这些机构都过于复杂,因此一般还是使用独立的电机进行作业。
VTOLSeparate-Lift-Thrust独立升力、推力架构的垂直起降试验机
在此,我使用一款常见的上单翼练习机作为底盘,使用MT1806动力组制作了一台SLT试验机。控制部分依旧使用了MWC的代码作为基础开发了一套可用于SLT形式的VTOL飞行器飞控固件。主要的工作就是增加了三种飞行模式:HOV、SFF和FFF。
所有功能已经整合进我自己修改的MultiWii代码仓库:https://github.com/LazemanCY/CyMultiWii
HOV:多旋翼模式:主推发动机停机,四旋翼工作并自稳,所有操作和四旋翼一致。
SFF:慢速飞行模式:主推发动机按照预设的油门值工作,油门摇杆依旧直接控制四旋翼,四旋翼保持维持自稳。所有操作和四旋翼一致,只是空速逐渐增加。
FFF:快速飞行模式:这时空速已经允许飞行器使用固定翼的模式来飞行,四旋翼停机,主推发动机油门由操作人员给定,所有操作和固定翼一致。
VTOLSeparate-Lift-Thrust独立升力、推力架构的垂直起降试验机
最后,为了简单起见,舵面在任何模式下均响应于摇杆信号。
VTOLSeparate-Lift-Thrust独立升力、推力架构的垂直起降试验机
由于这台固定翼底盘是尾杆式结构,表面积很有限,安装升力发动机略为繁琐。前电机臂安装在机头处,尾电机臂只能通过转接块锁在尾杆上。
通过试飞,发现的飞机自身的几个问题:
1.这款固定翼练习机原本建议起飞重量不超过450g,而我的起飞重量达到了620g+,飘飘机的特性荡然无存,FFF模式下油门没有下过50%。
2.四个MT1806电机作为升力电机略为吃力,动力冗余不足,HOV模式下操控性抗风性差。
3.机身强度较差,旋翼机臂不够牢靠。
VTOLSeparate-Lift-Thrust独立升力、推力架构的垂直起降试验机
同时也发现了VTOL式飞行器需要解决的一个重要问题,就是对飞行环境的适应能力。我之前的Tail-Sitter和这台SLT都有一个明显的不足,就是在无风环境下飞行十分自如,模式切换平滑,但是在有风的环境下,HOV模式难以驾驭,主要原因就是固定翼飞机与身俱来的大翼面。
固定翼相比同级别的多旋翼,受风面积大大增加,而在悬停的情况下,舵面几乎是没有作用的,只能靠几个旋翼来保持稳定。多旋翼对飞机的控制主要靠改变姿态角,才能有水平方向的分力,但对于有机翼的飞行器来说,姿态角的改变将连锁改变机翼的迎角,在有风的情况下,迎角的变化又带来了升力的变化,给飞行器引入额外的力矩,又进一步加重了旋翼保持稳定的开销。这样更是对多旋翼的动力性能提出了更高的要求。
此外由于尾翼的存在,在侧风的作用下,飞机有一个平转的趋势,仅仅靠旋翼差速来抵消这个力矩几乎是不可能的,要么保持机头一直顶风,要么使用电机外拉的方式来增加yaw方向的操控性。