小电直杂谈
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇小电直杂谈范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
三、“小电直”的结构
在模型直升机的机体结构中，最复杂的部分非旋翼系统莫属。“小电直”的发展也是在旋翼系统的不断进步与革新下实现的。
从希拉小翼到平衡杆
（1）希拉小翼旋翼系统
早期，单旋翼“小电直”都采用希拉小翼旋翼系统（图33）。所谓希拉小翼，是一对剖面为对称翼型、面积较小（与主旋翼相比）的旋翼。这对旋翼分别位于连杆两端。连杆装在旋翼头上，可带动希拉小翼跟随主旋翼一起旋转。通常模友也将希拉小翼称为“副翼”。
图34为典型的希拉小翼旋翼系统结构示意图。在旋翼头主轴上，从下到上依次穿过下十字盘、上十字盘、希拉小翼支架和旋翼夹头。控制舵机通过下连杆控制下十字盘的摆动角度，下十字盘带动上十字盘摆动，进而带动与后者相连的中连杆牵引希拉小翼支架摆动，希拉小翼支架则进一步带动希拉小翼连杆转动，改变希拉小翼迎角。与此同时，与希拉小翼支架相连的上连杆还会带动旋翼夹头摆动，从而改变主旋翼的迎角。这就是希拉小翼旋翼系统连接结构的动作简析。
接下来分析主旋翼运转（高速旋转）时的动作情况。当控制舵机处于中立位置（即操纵量为零）时，这对希拉小翼的迎角均为0°，其在高速旋转中不会上下摆动，旋翼系统处于稳定状态。而当控制舵机动作后，该动作经下连杆、下十字盘、上十字盘和中连杆的传递，会使希拉小翼支架带动连杆转动，从而改变希拉小翼迎角。此时，这对希拉小翼的迎角一端为正，另一端为负。正迎角一端的希拉小翼受向上的气动升力而向上运动，负迎角一端则向下运动。希拉小翼上下摆动的动作量经上连杆带动旋翼夹头动作，使主旋翼上的一对主桨叶迎角发生变化，其升力也随之变化。这一过程正好实现了由控制舵机操纵主旋翼桨叶升力变化的目的。上述动作状态的变化过程被称作“希拉效应”。
由于左右两端希拉小翼在舵机动作时的迎角变化相反，所受气动力分别增大、缩小，且大小基本相当，对舵机的作用力差不多相互抵消，因此可用扭矩较小的舵机对其进行控制。同时，希拉小翼在高速旋转时所产生的较大气动力矩，会通过上连杆带动旋翼夹头使主旋翼桨叶偏转。由此可见，“希拉效应”实质上是利用希拉小翼的空气动力效果放大控制舵机的操纵力矩。这一点对早期的模型直升机非常重要。因为早期的模型直升机体型较大，主旋翼所需的操纵量也大，而当时的舵机受性能所限，很难直接控制主旋翼桨叶的动作，所以不得不采用希拉小翼旋翼系统。
当然，任何事物都有两面性。希拉小翼虽能放大舵机的操纵量，但缺点也十分明显，即舵机动作要先经过一系列机械结构的运动传递，再通过小翼产生的气动力才能控制主旋翼桨叶动作。这就导致舵机动作会有明显的延迟，模型直升机的操纵反应变得很慢。因此，早期的模型直升机要求操纵手操纵动作必须有提前量。但掌握合适的提前量并非易事，需要经过长期的飞行练习不断体会、积累经验，才能逐渐熟练。另外，从“希拉效应”的原理分析可知，它仅能起到放大舵机操纵量的作用，而对模型直升机的稳定性却没什么贡献。要使模型直升机保持悬停状态，操纵手就必须一刻不停地进行修正，而这种修正还会因希拉小翼旋翼系统固有的结构及原理有所延迟。这也是早期的“小电直”难以操控的主要原因。
那时，为了提高“小电直”的稳定性，有些产品在希拉小翼连杆两头增加了配重，希望利用配重在高速旋转时的陀螺效应来增加模型的稳定性。但从原理分析和实际飞行体验来看，这种方法并不能给模型的稳定性带来多少好处。虽然希拉小翼增加配重后会在陀螺效应的影响下使模型的稳定性有所提高，但只有舵机没有操纵动作时，配重才能提高模型的稳定性。一旦希拉小翼在舵机动作下发生上下摆动脱离平衡位置后，配重就再也无法保持模型的平衡了。更严重的是，配重的稳定性会减小希拉小翼上下摆动的幅度，使整机的操纵性变差。可见，希拉小翼增加配重换来的稳定性是以牺牲操纵性为代价的，稳定性提升并不理想，反而使整机的操纵性变差。这种改进并不能从根本上改善希拉小翼旋翼系统的性能。
（2）平衡杆旋翼系统
事实证明：提高“小电直”的稳定性，必须从根本上改变希拉小翼产生的一系列问题；要使“小电直”具有良好的稳定性，必须有专门“负责”飞行稳定的结构，且不会影响操纵性。经过对旋翼系统的不断改进，一种全新结构的4通道遥控单旋翼“小电直”终于诞生了。这种“小电直”摒弃了希拉小翼结构，取而代之的是一种利用“贝尔效应”的操纵结构，并且使用了专门的平衡杆结构保证“小电直”的稳定性。此外，将这两种控制结构揉合在一起操纵模型直升机，还需在它们之间设置一个混控装置。这样既能保证“小电直”有足够的稳定性，又能使它具有优良的操纵性。
图35是平衡杆旋翼系统的结构示意图，乍看似乎与希拉小翼旋翼系统结构很相似，但其实两者有本质的区别。在平衡杆旋翼系统中，中连杆与旋翼夹头上的混控摇臂相连，能直接控制主旋翼桨叶迎角变化。同时，混控摇臂另一端连接的上连杆还会带动平衡杆上下摆动。
分析主旋翼运转（高速旋转）时的动作情况。平衡杆两端的重锤使其具有较大的转动惯量，可认为它在高速旋转时产生的陀螺效应能使自身保持固定的空间位置。这样上连杆及与之相连的混控摇臂的连接点在空间的高度位置也相对固定。因此，该连接点可看作旋翼系统动作的一个“支点”。同样，当控制舵机不动作时，中连杆与混控摇臂连接点的高度位置也相对固定，可看作旋翼系统动作的另一个“支点”。这两个“支点”可在不同情况下分别发挥作用：当舵机不动作时，中连杆与混控摇臂连接点为“支点”，即使主旋翼桨叶迎角因外界扰动而发生变化，由于平衡杆的稳定作用，其波动会被减小，使“小电直”逐渐恢复平衡；而当舵机动作时，上连杆与混控摇臂连接点为“支点”，主旋翼桨叶迎角会随舵机动作而变化。这就是“贝尔效应”。可见，混控摇臂两端的连接点在不同情况下是互为“支点”，可分别传递舵机操纵动作和平衡杆修正动作。该结构的操纵性和稳定性相对独立，不存在相互制约、互相抵消的问题。这就是平衡杆旋翼系统既能使“小电直”稳定飞行又能灵活操纵的根本原因。
具体分析平衡杆的作用原理，可拿一架“小电直”模拟其在不同姿态下平衡杆旋翼系统的运行状态（图36）。当“小电直”受扰动飞行姿态突然改变（如突然“低头”）时，整机姿态已经改变，而平衡杆仍基本保持初始飞行状态（图37）。由于此时平衡杆与机体间的相互位置改变，因此它会拉动混控摇臂改变旋翼夹头的摆动角度，促使主旋翼产生恢复力矩，进而使“小电直”恢复初始平稳飞行姿态。而当“小电直”在人为操纵下处于某种状态（如保持低头持续前进）时，平衡杆会逐渐跟随整机进入该状态，直至与其保持相对稳定（图38）。可见，平衡杆不会干扰人为的操纵动作，不影响“小电直”的操纵性。
笔者刚接触的“小电直”都采用希拉小翼旋翼系统，要用几个星期才能勉强把它们飞起来；连续练习几个星期后，才能使它在空中飞行十多秒。而且飞行目的只有一个——不要让它撞墙，它飞到哪里，我就去哪里“挽救”，疲于奔命。当时这种飞行可谓“小电直”在操纵我。真正做到“我来控制‘小电直’”是几个月后的事儿了。而自从采用平衡杆旋翼系统的新型“小电直”问世后，一些以前从未飞过模型直升机的朋友第一次就能长时间操纵它在空中飞行，体会飞行乐趣。这种“奇迹”的一次次出现，使很多人忘记了早期“小电直”难飞的历史，认为单旋翼“小电直”就是如此好飞。随着采用平衡杆旋翼系统的微型“小电直”陆续推出，很快被更多的普通大众接受，并受到玩家的追捧。可以说，这种新型“小电直”为单旋翼模型直升机的普及创造了必要条件。
2. 从上平衡杆到下平衡杆
最初，平衡杆旋翼系统的平衡杆都位于旋翼夹头上方，随后又出现了另一种类似的新型结构——平衡杆位于旋翼夹头下方（图39）。
从整体布局看，下平衡杆旋翼系统的结构与希拉小翼旋翼系统外形差不多，似乎仅是用重锤替换了希拉小翼。但两者有本质不同。首先，中连杆控制的目标不同：前者通过牵引混控摇臂直接控制主旋翼桨叶的迎角，而后者则控制希拉小翼的迎角；其次，前者有混控装置，后者则没有；再次，前者的平衡锤不会绕连杆旋转，后者的希拉小翼则绕连杆轴线转动（以连杆为旋转轴），以控制自身迎角的变化；最后，前者的平衡锤基本没有气动力，后者的希拉小翼则要利用自身的气动力放大舵机操纵力矩使主旋翼桨叶随之动作。因此，两种旋翼系统的工作原理截然不同，飞行性能也有天壤之别（图40）。当然，平衡锤不一定是圆柱形，很多产品将平衡锤做成对称翼型样式，类似希拉小翼，但外形的改变并未改变其结构属性，更没有改变工作原理。所以，判断两种旋翼系统，不能仅从平衡杆或希拉小翼的外形判断，而要观察其具体结构。有些平衡锤即使做成希拉小翼的形状，但作用却完全不同。
3.从有副翼到无副翼
对于采用希拉小翼或平衡杆旋翼系统的单旋翼“小电直”而言，它们都使用了一个陀螺仪来稳定飞行航向。这种陀螺仪是一种单轴的角速度传感器，通过感知“小电直”绕其竖轴旋转的角速度大小输出相应的信号给控制电路，进而产生修正指令控制尾桨推力，达到维持“小电直”航向稳定的目的。
设想再增加两个单轴陀螺仪分别稳定模型直升机横轴和纵轴的飞行姿态，就能取代传统旋翼系统的平衡机构，进而简化模型直升机的旋翼结构。随着电子陀螺仪技术的发展，其性能越来越好、价格越来越低、体积也越来越小，于是人们开始采用3个电子陀螺仪控制模型直升机，使上述设想变为现实。3个陀螺仪分别检测模型直升机横轴、纵轴和竖轴三个轴向的角速度，当任意轴向出现偏转，相应的陀螺仪就会发出信号，控制电路据此进行必要的修正，使模型直升机保持稳定的飞行姿态。至此，模型直升机的平衡功能完全通过电子技术得以实现，操纵机构大大简化，这就是无副翼模型直升机。之后，3个独立的电子陀螺仪又被封装成一体，组成一个三轴陀螺仪，进一步减少了元器件数量，控制电路的尺寸也随之缩小，无副翼“小电直”问世了（图41）。
4.“小电直”的尾桨结构
普通模型直升机常用的尾桨结构有轴传动和同步带传动等形式，优点是尾桨和主旋翼的转速通过传动机构联动，控制技术相对简单（图42、图43）。但这些结构要配备传动机构和控制舵机，一方面尺寸与重量增加不少，另一方面尾桨桨叶角的控制机构复杂、制造精度要求较高。此外，控制尾桨桨叶角的舵机反应速度要快，才能满足模型直升机机动飞行时对尾桨的控制要求。而如果采用满足要求的高速舵机，产品的成本将大大增加。上述这些不足阻碍了这些结构在“小电直”上的应用。
“小电直”的尾桨结构则相对简单。最初，大都采用尾电机配减速齿轮驱动尾桨的结构形式（图44）。随着电机性能的提高和尾桨设计的改进，电机直驱尾桨的结构也能满足飞行需要。这种更简单的结构被越来越多的产品采用。但电机直驱设计方案的难点在于对尾电机驱动控制程序算法的掌握。随着各模型厂商对控制程序的不断完善，无论是对陀螺仪信号的PID处理，还是对主、尾两种电机不同性能的匹配补偿技术都已相当成熟。由于主电机与尾电机的外形尺寸和结构类型都有很大不同，因此要将它们的不同驱动特性按飞行要求做到完美匹配非常困难。如果两者不匹配，“小电直”就会出现航向不稳定的问题。根据与主电机配合的需要，尾电机的类型主要有铁心微电机、空心杯电机和无刷电机。而匹配技术经过多年发展完善，技术难题已被攻克，模型厂商对尾电机的驱动控制可谓“得心应手”。目前，即使主电机和尾电机的特性曲线有很大差别，也能通过程序达到预期的控制目标。因此，无论是4通道还是6通道“小电直”，大多数都采用尾电机直驱的结构（图45）。（未完待续）