多旋翼无人机的机架设计：选材与布局全解析
多旋翼无人机的机架设计：选材与布局全解析
多旋翼无人机的机架设计是无人机制造中的关键环节，它不仅需要承载各种设备，还直接影响无人机的性能与安全。本文将从选材、布局、轴距、起落架和涵道等多个维度，深入解析多旋翼无人机机架设计的核心要点。
一、选材
机架最重要的一个参数就是其自身的重量，为了克服机身的自重，机架需要被设计得尽可能轻。因此，在对机身材料的选择上需要谨慎考虑。常见的机身材料有塑料和碳纤维。
塑料机架：塑料的密度较小，重量较轻，但强度和刚度不大，制作比较容易。多个机身部件在组装时通常采用螺丝固定。在桨高速转动时产生的振动可能会使得螺丝变松，从而导致机身的轴臂有脱落的危险。而随着3D打印技术的成熟，使用3D打印机一次性将机架打印出来，既节省了螺丝钉的重量又避免了轴臂松动的危险。
碳纤维机架：采用碳纤维材料作为无人机的机架也是比较常用的选择。碳纤维的密度低，强度和刚度都很高，非常适合作为无人机的机架材料。但碳纤维的加工比较困难，需要对整个碳纤维板做切割、打孔，并与起落架等其他部件连接固定，相对来说比较困难。但由于其强度和刚度都较大，所以在飞机飞行过程中会有减振效果，使飞行更加稳定。
因此，塑料材质的机架价格低廉，更适合普通无人机和航模爱好者，而碳纤维材质的机架更多时候被用于商业或工业级无人机的设计当中。
二、布局
常见的多旋翼布局有三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼，当然也有一些比较特殊的布局，例如五旋翼。在开源飞行控制程序（以后简称飞控程序或飞控）中通常分为两大类：X型和I型，也就是我们常说的叉型布局和十字型布局。对于不同的布局有下面的简称：
三、轴距
轴距是多旋翼无人机中非常重要的一个参数，通常被定义为电机轴心轴围成的外接圆周的直径，单位毫米（mm）。对称多旋翼无人机中轴距即为对角线上的两个电机轴心的距离。轴距的大小确定了螺旋桨的尺寸上限，从而限定了螺旋桨能产生的最大拉力，直接影响到无人机的载重能力。
四、起落架
通常在多旋翼机的底部都会装有起落架。起落架的作用是使得机身与地面之间有一个安全距离，使飞机在离地面不远处起飞或降落时由于不稳定因素所造成的机身倾斜而不至于使螺旋桨与地面发生碰撞。另外，起落架使得螺旋桨与地面之间有足够的空间，飞机起飞和降落时，可以有效减小气流与地面产生的气流干扰。当然，起落架的安装加大了飞机自身的重量，也就减小了飞机的载重。
五、涵道
在螺旋桨一讲中我们已经介绍了涵道的作用。涵道可以在保护桨叶的同时也保证人的安全，还可以提高飞行的拉力效率和减少噪声。带有涵道的多旋翼的拉力由两部分组成：螺旋桨本身产生的拉力和涵道产生的附加拉力。根据伯努力原理，涵道内侧由于有螺旋桨的高速旋转，带动气流快速下降，涵道外侧气流流动缓慢，所以涵道外侧气压会大于内侧气压，于是空气会产生一部分向上的拉力。也就是会提高飞机的动力。
但是从机架设计上讲，如果增加了四个涵道，也就增加了飞机自身的质量，飞机需要克服飞机自重需要的拉力就更大。因此是否一定使用涵道，或是涵道的材料如何选择，就需要仔细斟酌。