多旋翼无人机设计：跷跷板结构

挥舞运动（Flapping Motion）是旋翼飞行器典型的特点之一。尤其在前飞状态下，由于叶片在前行区域和后行区域的气动力存在显著差异，进而导致叶片产生周期性的上下挥舞运动。而挥舞运动进一步产生惯性载荷，和气动载荷一起作用在桨毂上。该载荷的周期性成分是引起机体振动的主要原因。

下图为大疆T50无人机桨叶在风洞试验测量得到前飞状态下的滚转方向力矩载荷。其中0P分量代表由左右两侧升力差引起的稳定力矩。1P、2P、3P等分量则是由旋转和挥舞等因素引起的周期性激励分量。其中2P分量尤为显著，甚至高于0P分量。因此，对整机的振动特性而言，2P分量载荷是主要原因。

大疆T50桨叶滚转力矩载荷

通过引入跷跷板结构，可以给予叶片更大的挥舞自由度，利用离心力平衡部分惯性载荷，降低2P载荷分量。同时，由于“挥舞-变距等效”原理，也能降低滚转力矩的0P分量（均值部分），大大缓解桨毂承受的载荷。对驱动电机而言，降低了轴承载荷，能够大幅提升使用寿命。

尽管如此，跷跷板旋翼也没有看起来那样简单。如果要达到理想的减振效果，必须详细研究“转轴高度”、挥舞阻尼、摆振阻尼等因素的影响，进行综合折中设计。

接下来，我们盘点目前几款采用了跷跷板结构设计的多旋翼飞行器。

1 、KAMAN Kargo

Kargo大载重四旋翼无人机

上一篇推文对KAMAN Kargo做过较为详细的分析（从KAMAN KARGO看大载重四旋翼无人机设计）。这是目前起飞重量最大的、采用了跷跷板结构的四旋翼无人机。其最大起飞重量接近1吨。并且已经完成了多次飞行测试。得益于跷跷板式挥舞结构的设计，该机最大飞行速度据称可以达到224km/h。

Kargo桨毂设计

2、旋戈-300（AR-300）

AR-300是中航工业直升机研究所推出的纯电动6旋翼飞行器。其最大起飞重量360kg，最大载重量为 90kg，最大飞行速度100km/h，最大续航时间40分钟。从披露的照片看，该飞行器的桨叶也采用了跷跷板式挥舞结构设计。对于100km/h的最大飞行速度，虽然低于Kargo无人机，但是高于目前绝大多数物流运输类多旋翼飞行器的飞行速度。AR-300首次亮相于2023年9月的天津直博会，期待其后续的顺利开发。

AR-300采用了跷跷板结构

3、极飞科技P150 

P-150无人机简洁的跷跷板结构

P150是一款最大起飞重量达128kg的农业四旋翼无人机，搭载了直径约60英寸的碳纤复合材料桨叶。同时也采用了跷跷板式桨毂设计。从设计上而言，该跷跷板结构很简洁，相较于普通固定式桨毂设计并没有很复杂，甚至不需要用户进行特殊的维护动作。

4、Alta X

Alta X采用了挥舞调节跷跷板结构

Alta X是一款由Freefly公司研发的行业应用四旋翼无人机。其最大起飞重量约35kg，最大任务载荷15kg，采用33寸尼龙碳纤桨叶，最大飞行速度约20m/s。该无人机桨叶同样采用了跷跷板挥舞结构设计，不过与上述几种方案不同的是，该跷跷板结构的转轴位置与桨叶并不垂直，而是有一定的夹角。

Alta X叶片方向与桨毂挥舞轴方向存在夹角

该角度在直升机设计上被称为挥舞调节角，通过该角度可以利用叶片挥舞运动而改变自身桨距，使得前飞状态下整个桨盘的升力分布更加均匀，降低由升力偏置引起的稳定项、周期项的载荷。其官方给出的数据为：通过该结构设计，整机的振动水平降低至原来的1/5。更低的振动意味着更高的结构疲劳寿命、更高的电机轴承寿命以及机载相机可以拍摄出更高质量的素材。

相较于直升机来说，多旋翼飞行器省去了复杂的传动系统和周期变距机构，凭借结构简单、灵活易用等特点已经在农业、工业以及消费领域大放异彩。但是面对更大载重、更大飞行速度、更低振动水平的作业需求，多旋翼无人机需要不断引入新的技术来提升自身的场景适应性。未来，我们应该能看到更多的多旋翼无人机采用类似跷跷板结构。