多旋翼无人机气动布局及设计实例

旋翼是气动部件，所以多旋翼无人机可以以旋翼的排列形式来进行气动布局分类，而不像固定翼那样以配平的方式。

（1）按旋翼数量

根据多旋翼无人机所具有的旋翼（螺旋桨）数量，可分为四、六、八、十二、十六旋翼等多种类型，如图1.17所示。不同旋翼数量的构型，其空气动力特性也各具特色。

这其中，四旋翼是结构简单、飞行效率相对高效的一种常见的多旋翼结构，也是目前市场上保有量最大的多旋翼飞行器类型。但需注意：四旋翼没有动力冗余，任何一个电机出现问题停转，飞行器都将无法控制而“炸”机。而六旋翼以上的设计则实现了动力冗余，即在出现一个电机停转的情况下依然可将飞行器安全降落，方法是让对角的电机也停止转动。所以四旋翼机动性好，能够做出3D特技飞行，是许多玩家的最爱，而六旋翼、八旋翼等稳定性佳，是航空摄影摄像的良好平台。

（2）按旋翼分布位置

根据最前与最后两个旋翼轴的连线与机体前进方向是否在同一直线上，可将多旋翼无人机划分为“+”（或称“I”型）和“X”型两种。如果连线与前进方向在同一直线上则为“+”型多旋翼，否则为“X”型多旋翼，如图1.17所示。

由于“X”型结构在搭载实用载荷时，其前方的视野比“+”型的更加开阔，所以在实际应用中，多旋翼无人机大多采用“X”型外形结构。

“X”型多旋翼气动布局还有“H”型和环型结构两种拓展形式，“H”型多旋翼与“X”型的气动布局类似，通常被设计为折叠结构，因便于携带而受到广泛青睐，如图1.18所示为DJI大疆航拍旗舰新品御Mavic2；环型结构多旋翼在植保和测绘领域应用较多，由于增加了机架结构强度，可有效避免飞行中机架所产生的振动；但机架质量增加也会导致转动惯量增大，灵活性降低，如图1.19所示为极飞C2000型智能测绘无人机。

图1.17　多旋翼气动布局图例(https://www.xing528.com)

图1.18　大疆御Mavic2四轴飞行器

图1.19　极飞C2000智能测绘无人机

（3）按共轴发动机数量

图1.20　IY型共轴双桨三轴六旋翼

为了在不增大体积的情况下使多旋翼无人机的马力（总功率）更大，最简单的办法是把两个电机上下叠放，分别驱动两个大小相同、转向相反的旋翼，达到平衡反扭矩的目的。其气动构型如图1.17中（7）和（8）所示，具体包括IY型共轴双桨三轴六旋翼（图1.20）、Y型共轴双桨三轴六旋翼和V型共轴双桨四轴八旋翼等。

共轴双桨多旋翼虽然能节省空间，增加载重并减少螺旋桨对相机视场的遮挡，但由于上下叠放的两个旋翼之间存在着较大的空气动力干扰，会导致效率下降20%，即双桨一般相当于1.6个单桨。