行程無障救護(hù)車

文 湖南省株洲市第二中學(xué) 周康杰 饒壤 劉鑫燦

行程無障救護(hù)車處于陸地行駛模式時(shí)使用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，可根據(jù)不同的路況自動(dòng)切換駕駛模式。當(dāng)交通堵塞或遇到障礙時(shí)，行程無障救護(hù)車能自動(dòng)識(shí)別并切換到飛行模式，由智能控制系統(tǒng)控制飛行姿態(tài)，確保其起飛、著陸都保持平穩(wěn)。

行程無障救護(hù)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(shí)間，也可用于軍事和救災(zāi)搶險(xiǎn)等場(chǎng)合，便于救援人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

一、車體結(jié)構(gòu)探究

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

圖1機(jī)翼受力分析

結(jié)合旋翼和槳葉的相對(duì)氣流分析結(jié)論，當(dāng)飛行器具有前飛速度時(shí)，旋翼受到的力和力矩包括構(gòu)造旋轉(zhuǎn)軸的升力 、阻力 、扭矩和側(cè)向力矩 。上述力或力矩均與旋翼轉(zhuǎn)速的平方成一定比例關(guān)系。

上面四個(gè)等式中， 為槳葉半徑，=π2為槳盤面積， 為空氣密度，、 、 、 分別為旋翼的拉力系數(shù)、阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)和側(cè)傾力矩系數(shù)。由此可見，求解旋翼的力或力矩關(guān)鍵在于各項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)的求解。根據(jù)應(yīng)用的需要，得出單片旋翼的升力=k2。常數(shù)k表示這片旋翼的升力系數(shù)，它與旋翼的形狀、尺寸、安裝方式以及飛行狀態(tài)有關(guān)。由于涉及面過于復(fù)雜，在工程上把它看成近似于懸停狀態(tài)，仍當(dāng)作常量。

行程無障救護(hù)車車體結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)折疊旋翼設(shè)計(jì)，車體材料采用碳纖維和高性能復(fù)合材料，四組空心杯型電動(dòng)機(jī)組成動(dòng)力來源。四旋翼飛行器通過四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)飛行，四個(gè)旋翼位于一個(gè)幾何對(duì)稱的十字支架的前、后、左、右四端。

旋翼由電機(jī)控制，整個(gè)飛行器依靠改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。為便于控制，四旋翼飛行器采用對(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能垂直起降。

二、模擬行程無障救護(hù)車不同配置下的升力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

我對(duì)行程無障救護(hù)車三種不同的配置進(jìn)行了升力測(cè)試，探討技術(shù)參數(shù)對(duì)升力的影響。

1.第一種配置：Q6SKV320電機(jī)+6S鋰電池+T2255B螺旋槳。

2.第二種配置：Q9XLKV120電機(jī)+12S鋰電池+T2880螺旋槳。

3.第三種配置：T12KV85電機(jī)+14S鋰電池+T3895螺旋槳。

分析以上三種不同配置進(jìn)行的升力測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，電流與拉力之間的關(guān)系幾乎是線性正相關(guān)，電流與力效之間的關(guān)系幾乎是線性負(fù)相關(guān)。模擬行程無障救護(hù)車的關(guān)鍵部件是電機(jī)、電池和螺旋槳，其中電機(jī)是核心部件。

三、行程無障救護(hù)車旋翼電機(jī)估算

在飛行狀態(tài)時(shí)，從理論上講，行程無障救護(hù)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(duì)于多旋翼來說，升力除了保證飛機(jī)正常起飛外，還需要考慮行程無障救護(hù)車的前進(jìn)后退、左右橫滾，最關(guān)鍵的還有抗風(fēng)性、安全性、操縱性等因素。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，行程無障救護(hù)車屬于超載重旋翼飛行器，設(shè)計(jì)成四旋翼螺旋槳，四旋翼推重比應(yīng)設(shè)計(jì)為1.4∶1～1.8∶1范圍之內(nèi)為合理，即應(yīng)滿足根據(jù)實(shí)際使用需求，超大載重機(jī)取1.4～1.6時(shí)，在微風(fēng)環(huán)境下也可以正常使用。

通用比例螺旋槳拉力計(jì)算公式為（拉）（kg）=直徑（m）×螺距（m）×漿寬度（m）×大氣壓力（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）×經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.35）。

按已知車質(zhì)量為1.0t計(jì)算。采用共軸反槳可以抵消螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的扭矩，有利于減小飛機(jī)的偏航，但共軸反槳同時(shí)會(huì)損耗20%左右的升力，即四旋翼螺旋槳的有效升力大約為（有效升力）=（總）×80%，根據(jù)以上邊界條件可得：

假設(shè)所設(shè)大載重旋翼在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行多次動(dòng)力匹配，預(yù)設(shè)螺旋槳為70×40，最大槳寬0.2m。代入公式驗(yàn)算得到電機(jī)所需最高轉(zhuǎn)速為11762rpm，懸停額定轉(zhuǎn)速為7841.8rpm，功率74.34KW。所以，需選擇大于80KW的電機(jī)（轉(zhuǎn)換效率按0.95計(jì)算）。救護(hù)車質(zhì)量為1.0t，螺旋槳為共軸反槳，尺寸為70×40，電機(jī)功率100KW，車載電源通過逆變器變?yōu)?20V電壓并支持大電流輸出。

基于以上分析和論證，隨著電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制原理、空氣動(dòng)力學(xué)、新型材料學(xué)等多門學(xué)科的高速發(fā)展，行程無障救護(hù)車的研制和使用將成為現(xiàn)實(shí)。