多旋翼构型类UFO原型飞行器结构设计

　　这一点在室内科普展演场景里优势尤其明显，观众近距离围观时，哪怕误触到机体外侧，光滑的弧面也不会造成剐蹭伤害，比外露桨叶的常规机型安全冗余高不少。再讲功能特性，中心球形舱体的内部预留了三层安装空间，最上层是飞控、GPS模块与数传天线的安装位，做了隔振泡棉的安装卡槽，避免旋翼振动传递到飞控影响飞行姿态解算精度；中间层是电池仓，适配常规3S-4S航模锂电池，做了快拆卡扣设计，换电时不需要拆解整个舱壳，拨开侧方的卡扣就能抽出电池托架，外场作业换电能控制在十秒以内；最下层是任务载荷挂载位，预留了通用的M3螺纹孔阵，可以挂载小型可见光相机、气体检测模块或者喊话器，满足不同场景的搭载需求。六个机臂采用一体化的变截面设计，做航空类概念原型结构设计快十年，经手的旋翼类构型少说也有几十版，这次做的类UFO多旋翼原型，最初的需求是做一款视觉辨识度高、旋翼防护性优于常规四轴/六轴布局的验证机型，用来做低空近距巡检、科普展示场景的搭载测试。先从实际应用场景说，常规多旋翼的机臂外伸布局，在室内场馆、林区近树冠、建筑外立面贴附巡检这类窄空间作业时，突出的旋翼很容易剐蹭障碍物，轻则打坏桨叶炸机，重则碰损巡检目标或者伤及周边人员，这款构型把中心舱体做了球形弧面过渡，六个机臂沿球舱径向等角度均布，机臂末端的动力舱做了内收式的桨座设计，作业时哪怕碰到墙面或者树枝，最先接触的是球舱的光滑弧面或者机臂的加强筋结构，不会直接让高速旋转的桨叶剐蹭外物，

　　从根部与球舱衔接位置的22mm直径，逐步收窄到末端动力舱的12mm直径，内部走动力线的线槽做了封闭式设计，避免线材外露在飞行中被气流吹动产生振动噪声，机臂与中心舱的衔接位置做了三角加强筋结构，做有限元分析的时候，给每个机臂施加50N的侧向载荷，最大形变量不到0.3mm，完全能抵消飞行时的机动载荷与桨叶反扭力。设计思路上，最初也考虑过常规四轴布局，但四轴的动力冗余度不够，单桨失效后很难维持姿态迫降，六轴布局哪怕单动力单元出故障，剩下五个旋翼也能通过动力分配维持稳定迫降，安全冗余更适合做验证类飞行；中心舱的球形设计除了防撞，还能降低飞行时的空气阻力，常规平板式中心板的机型在高速前飞时，中心板会产生不小的压差阻力，

　　球形弧面能让气流顺滑地从舱体表面流过，实测同等动力配置下，悬停续航能比常规六轴机型长8%左右。再讲外形尺寸与安装边界，这款原型机整机最大外接圆直径是420mm，中心球舱的直径是180mm，机臂末端的桨座适配5寸螺旋桨，桨叶转动时的最大扫掠直径是380mm，比整机最大外接圆小40mm，也就是说桨叶尖端到机体最外侧的防护距离有20mm，日常作业碰到普通的树枝、墙面都不会碰伤桨叶；整机的安装基准面选在中心球舱的水平中分面，所有机臂的安装孔位都以这个中分面为基准做同轴度校准，安装时只要把六个机臂的定位卡榫卡进球舱对应的卡槽，拧上固定螺丝就能保证机臂的安装角度误差在0.5度以内，不需要反复校准机臂角度，装配效率比常规碳管机臂的机型高很多。

　　另外，舱体顶部的半圆整流罩做了快拆设计，拧开侧边的一颗手拧螺丝就能掀开整流罩，直接调试内部的飞控接线，外场调试的时候不需要带螺丝刀，徒手就能完成接线检查与参数调试；机臂末端的动力座预留了电调安装位，电调直接嵌在机臂末端的空腔里，靠机臂的塑料结构散热，长时间飞行时电调的温度能控制在55摄氏度以内，不会出现过热降功率的问题。实际做风洞测试的时候，这款构型在5m/s的侧风环境下，姿态保持的稳定性比常规六轴高12%，因为球形舱体的侧风受力是对称的，不会像常规平板中心板那样产生偏航力矩，飞控的修正量更小，飞行时的功耗也更低。做这类原型设计的时候，最容易忽略的就是重心配平，这款机型把电池仓设计在中心球舱的几何中心位置，不管挂载什么载荷，只要调整电池在仓内的前后位置，就能快速把整机重心调整到旋翼升力的中心位置，不需要额外加配重块，能有效降低整机的死重。