行程無障救護車

周康杰++饒壤++劉鑫燦

行程無障救護車處于陸地行駛模式時使用油電混合動力系統，可根據不同的路況自動切換駕駛模式。當交通堵塞或遇到障礙時，行程無障救護車能自動識別并切換到飛行模式，由智能控制系統控制飛行姿態，確保其起飛、著陸都保持平穩。

行程無障救護車可以用于城市急診人員搶救病人，避免因交通阻塞而延誤搶救時間，也可用于軍事和救災搶險等場合，便于救援人員及時到達現場。

一、車體結構探究

根據流體力學的基本原理，大氣施加于機翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機翼上表面的壓力（方向向下）大，二者的壓力差便形成升力。機翼受力分析見圖1 。

結合旋翼和槳葉的相對氣流分析結論，當飛行器具有前飛速度時，旋翼受到的力和力矩包括構造旋轉軸的升力r、阻力D、扭矩Q和側向力矩L。上述力或力矩均與旋翼轉速的平方成一定比例關系。

T=■ρACrR2ω2 D=■ρACDR2ω2

Q=■ρACQR2ω2 L=■ρACLR2ω2

上面四個等式中，R為槳葉半徑，A=πR2為槳盤面積，ρ為空氣密度，Cr、CD、CQ、Cr分別為旋翼的拉力系數、阻力系數、扭矩系數和側傾力矩系數。由此可見，求解旋翼的力或力矩關鍵在于各項空氣動力學系數的求解。根據應用的需要，得出單片旋翼的升力f =kω2。常數k表示這片旋翼的升力系數，它與旋翼的形狀、尺寸、安裝方式以及飛行狀態有關。由于涉及面過于復雜，在工程上把它看成近似于懸停狀態，仍當作常量。

行程無障救護車車體結構采用自動折疊旋翼設計，車體材料采用碳纖維和高性能復合材料，四組空心杯型電動機組成動力來源。四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產生的升力實現飛行，四個旋翼位于一個幾何對稱的十字支架的前、后、左、右四端。

旋翼由電機控制，整個飛行器依靠改變每個電機的轉速實現飛行姿態控制。為便于控制，四旋翼飛行器采用對稱分布的結構形式，機械結構簡單，能垂直起降。

二、模擬行程無障救護車不同配置下的升力測試實驗

我對行程無障救護車三種不同的配置進行了升力測試，探討技術參數對升力的影響。

1.第一種配置：Q6S KV320電機+6S鋰電池+T2255B螺旋槳。

2.第二種配置： Q9XL KV120電機+12S鋰電池+T2880螺旋槳。

3.第三種配置：T12 KV85電機+14S鋰電池+T3895螺旋槳。

分析以上三種不同配置進行的升力測試實驗數據得出，電流與拉力之間的關系幾乎是線性正相關，電流與力效之間的關系幾乎是線性負相關。模擬行程無障救護車的關鍵部件是電機、電池和螺旋槳，其中電機是核心部件。

三、行程無障救護車旋翼電機估算

在飛行狀態時，從理論上講，行程無障救護車的升力等于重力即可保持懸停；升力大于重力即可上升飛行。但對于多旋翼來說，升力除了保證飛機正常起飛外，還需要考慮行程無障救護車的前進后退、左右橫滾，最關鍵的還有抗風性、安全性、操縱性等因素。

根據空氣動力學原理及工程實踐經驗，行程無障救護車屬于超載重旋翼飛行器，設計成四旋翼螺旋槳，四旋翼推重比應設計為1.4∶1～1.8∶1范圍之內為合理，即應滿足 ■=1.5～2.0。根據實際使用需求，超大載重機取1.4～1.6時，在微風環境下也可以正常使用。

通用比例螺旋槳拉力計算公式為 F（拉）（kg）=直徑（m）×螺距（m）×漿寬度（m）×V2轉速（rps）×1大氣壓力（1標準大氣壓）×經驗系數（0.35）。

按已知車質量為1.0t計算。采用共軸反槳可以抵消螺旋槳轉動所產生的扭矩，有利于減小飛機的偏航，但共軸反槳同時會損耗20%左右的升力，即四旋翼螺旋槳的有效升力大約為L （有效升力）=L （總）×80%，根據以上邊界條件可得：

■=1.4～1.6

F（單槳有效拉力）=■

又因為Mmax=1 200kg，由上式可得：

F（單槳有效拉力）=420kg～480kg。

假設所設大載重旋翼在標準大氣壓下進行多次動力匹配，預設螺旋槳為70×40，最大槳寬0.2m。代入公式驗算得到電機所需最高轉速為11 762rpm，懸停額定轉速為7 841.8rpm，功率74.34KW。所以，需選擇大于80KW的電機（轉換效率按0.95計算）。救護車質量為1.0t，螺旋槳為共軸反槳，尺寸為70×40，電機功率100KW，車載電源通過逆變器變為220V電壓并支持大電流輸出。

基于以上分析和論證，隨著電機學、自動控制原理、空氣動力學、新型材料學等多門學科的高速發展，行程無障救護車的研制和使用將成為現實。endprint