行程无障救护车

周康杰++饶壤++刘鑫灿

行程无障救护车处于陆地行驶模式时使用油电混合动力系统，可根据不同的路况自动切换驾驶模式。当交通堵塞或遇到障碍时，行程无障救护车能自动识别并切换到飞行模式，由智能控制系统控制飞行姿态，确保其起飞、着陆都保持平稳。

行程无障救护车可以用于城市急诊人员抢救病人，避免因交通阻塞而延误抢救時间，也可用于军事和救灾抢险等场合，便于救援人员及时到达现场。

一、车体结构探究

根据流体力学的基本原理，大气施加于机翼下表面的压力（方向向上）比施加于机翼上表面的压力（方向向下）大，二者的压力差便形成升力。机翼受力分析见图1 。

结合旋翼和桨叶的相对气流分析结论，当飞行器具有前飞速度时，旋翼受到的力和力矩包括构造旋转轴的升力r、阻力D、扭矩Q和侧向力矩L。上述力或力矩均与旋翼转速的平方成一定比例关系。

T=■ρACrR2ω2 D=■ρACDR2ω2

Q=■ρACQR2ω2 L=■ρACLR2ω2

上面四个等式中，R为桨叶半径，A=πR2为桨盘面积，ρ为空气密度，Cr、CD、CQ、Cr分别为旋翼的拉力系数、阻力系数、扭矩系数和侧倾力矩系数。由此可见，求解旋翼的力或力矩关键在于各项空气动力学系数的求解。根据应用的需要，得出单片旋翼的升力f =kω2。常数k表示这片旋翼的升力系数，它与旋翼的形状、尺寸、安装方式以及飞行状态有关。由于涉及面过于复杂，在工程上把它看成近似于悬停状态，仍当作常量。

行程无障救护车车体结构采用自动折叠旋翼设计，车体材料采用碳纤维和高性能复合材料，四组空心杯型电动机组成动力来源。四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，四个旋翼位于一个几何对称的十字支架的前、后、左、右四端。

旋翼由电机控制，整个飞行器依靠改变每个电机的转速实现飞行姿态控制。为便于控制，四旋翼飞行器采用对称分布的结构形式，机械结构简单，能垂直起降。

二、模拟行程无障救护车不同配置下的升力测试实验

我对行程无障救护车三种不同的配置进行了升力测试，探讨技术参数对升力的影响。

1.第一种配置：Q6S KV320电机+6S锂电池+T2255B螺旋桨。

2.第二种配置： Q9XL KV120电机+12S锂电池+T2880螺旋桨。

3.第三种配置：T12 KV85电机+14S锂电池+T3895螺旋桨。

分析以上三种不同配置进行的升力测试实验数据得出，电流与拉力之间的关系几乎是线性正相关，电流与力效之间的关系几乎是线性负相关。模拟行程无障救护车的关键部件是电机、电池和螺旋桨，其中电机是核心部件。

三、行程无障救护车旋翼电机估算

在飞行状态时，从理论上讲，行程无障救护车的升力等于重力即可保持悬停；升力大于重力即可上升飞行。但对于多旋翼来说，升力除了保证飞机正常起飞外，还需要考虑行程无障救护车的前进后退、左右横滚，最关键的还有抗风性、安全性、操纵性等因素。

根据空气动力学原理及工程实践经验，行程无障救护车属于超载重旋翼飞行器，设计成四旋翼螺旋桨，四旋翼推重比应设计为1.4∶1～1.8∶1范围之内为合理，即应满足 ■=1.5～2.0。根据实际使用需求，超大载重机取1.4～1.6时，在微风环境下也可以正常使用。

通用比例螺旋桨拉力计算公式为 F（拉）（kg）=直径（m）×螺距（m）×浆宽度（m）×V2转速（rps）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.35）。

按已知车质量为1.0t计算。采用共轴反桨可以抵消螺旋桨转动所产生的扭矩，有利于减小飞机的偏航，但共轴反桨同时会损耗20%左右的升力，即四旋翼螺旋桨的有效升力大约为L （有效升力）=L （总）×80%，根据以上边界条件可得：

■=1.4～1.6

F（单桨有效拉力）=■

又因为Mmax=1 200kg，由上式可得：

F（单桨有效拉力）=420kg～480kg。

假设所设大载重旋翼在标准大气压下进行多次动力匹配，预设螺旋桨为70×40，最大桨宽0.2m。代入公式验算得到电机所需最高转速为11 762rpm，悬停额定转速为7 841.8rpm，功率74.34KW。所以，需选择大于80KW的电机（转换效率按0.95计算）。救护车质量为1.0t，螺旋桨为共轴反桨，尺寸为70×40，电机功率100KW，车载电源通过逆变器变为220V电压并支持大电流输出。

基于以上分析和论证，随着电机学、自动控制原理、空气动力学、新型材料学等多门学科的高速发展，行程无障救护车的研制和使用将成为现实。endprint