爱吱声

标题: 连排级无人机为什么只能是电动的 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 11:24
标题: 连排级无人机为什么只能是电动的
无人机改变了战场，但无人机有各种各样。有的无人机只是有人机的小型化、无人化，比如“死神”、“火力侦察兵”，有的就是完全新质、没有有人机对应的多旋翼及其变异，如各种大疆和新流行的eVTOL。
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6 F+ d" |9 i9 VMQ-9“死神”是小型化、无人化的固定翼飞机
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! O7 T" r+ P$ X; q8 @( r1 \MQ-8“火力侦察兵”就是小型化、无人化的直升机! O& U; Z, @0 V" x& B: C
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各种大疆是典型的多旋翼无人机，在有人飞机里没有对应( X9 w  j: b% p3 O* C+ @
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1 ~! b! I5 _5 A2 GElroy Air这样的eVTOL是固定翼和多旋翼的混合，航程和载重比纯多旋翼更大，但也更复杂
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小型化、无人化的有人机实际上还是较大，在飞机特点和使用上和有人机没有原则区别，一般也用涡桨、涡轴、内燃机作为动力，载重、航程都大，成本也高。5 t: |+ w, f+ p) v
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真正得到大发展的是多旋翼无人机，既可以是大疆这样的纯多旋翼，也可以是与固定翼混合的多旋翼，也称eVTOL。这是真正新质的，但也无一例外地为电动的。载重、航程较小，但成本低得多，使用更加便利。
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: u* }, C/ y3 [6 ?" j" `* u% a固定翼和直升机的特点很清楚了。固定翼的起飞重量更大，速度更快，航程更远，升限更高，油耗更低，维修简易，但需要跑道才能起飞、着陆。显然，连排级的野战军肯定伺候不了，不可能到处都找到跑道。直升机正好相反，哪里都能垂直起飞、着陆，还能做悬停、侧飞、倒飞、筋斗等特殊机动，但这是复杂的桨毂为代价的。看看那堆零碎，都是高磨损的活动部件，都需要高强度维修，都对恶劣环境敏感。连排级的野战军也伺候不了。
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这是桨叶系统的简化示意图
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黑鹰直升机的桨毂，倾转滑盘（上图红盘和蓝盘）在下面，看不见，那里还一堆啰嗦玩意。尾桨那里简单点，不需要滑盘，但还是一堆啰嗦玩意( T1 p- {$ c( u

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相比之下，大疆这样的多旋翼就简单得“不讲武德”了) {& I, B3 w5 ?4 w+ I
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直升机的旋翼不仅在转动中通过与空气的相对运动产生升力，还要通过桨盘的水平或者倾斜实现悬停、产生推力和实现各种特殊机动。为了补偿旋翼的扭矩，还需要尾桨提供反扭力。使得桨盘可控倾斜是伊戈尔·西科斯基的划时代发明，其中的关键是一对可倾转的滑盘。1 \% U# `5 w3 h" T! {

8 d6 N8 I" m. a1 A+ e3 [滑盘分上下两部分，下滑盘是可在连杆控制下倾斜，但不转动；上滑盘随桨叶转动，同时在贴面作用下“被迫”随下滑盘倾斜，带动连杆控制桨叶在旋转中的上下挥舞，使得桨叶叶尖形成的轨迹（桨盘）倾斜，形成推力、侧力等。
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* A- n" L2 q2 u3 `* Q+ n桨叶与桨毂需要通过挥舞铰连接，这是高载荷、高循环的活动部件。桨叶也有总距铰，控制桨叶相对于旋转方向的迎角，控制升力。桨叶转速的大小是改变升力的，但发动机的转速范围有限，需要与迎角相结合，才能达到升力控制的全范围，就像汽车发动机需要通过变速器才能控制全速度范围一样。这是又一个高载荷活动部件。连杆与滑盘和桨叶的连接也需要通过铰链。这么多高载荷活动部件的磨损很大，维修工作量很大。新型无铰桨毂用弹性部件代替部分铰链，只是转移了问题，把机械磨损变成材质老化了。. d9 x& g* U3 L5 |
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直升机的麻烦还不止这些。直升机需要反扭矩的尾桨，尾桨驱动不仅需要动力转递，还需要与主旋翼同步，所以长长的驱动轴不仅重量、磨损是问题，还特别怕损坏。大部分直升机失事都是因为尾桨故障后的失控。7 R2 ]$ A# i) k. I* Y2 b5 J( j3 r

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8 n$ U0 ~3 q( b& U1 N5 {, V) t9 _/ R尾桨的动力从主旋翼减速器引出，长轴需要在中间有支承轴承，避免下垂和转动时的抖晃，但增加磨损: z' q& Q4 m6 e3 }# n& O. i$ K
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各种双桨可以免去尾桨，但卡莫夫那样的共轴反转双桨需要轴套轴，而且为了避免上下旋翼在挥舞中互相碰撞，需要增大间隔，增加阻力，增加结构刚性的要求，更要命的是，旋翼控制机构更加复杂。找任何一架卡莫夫来，看看桨毂，不头皮发麻算你赢。
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7 X9 e! q: r+ ~: g; V$ E卡莫夫的共轴反转双桨需要双套桨毂机构，还有轴套轴的问题，世界上只有一家玩这个，不是没有道理的/ u+ F2 s+ X! Z0 x7 V
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CH-47那样的串列双桨不仅有双套滑盘、铰链、连杆的问题，还需要把发动机的动力汇总后，用传动-同步轴分配到前后旋翼，而不是两台发动机分别驱动前后旋翼。只有这样，才能保证前后旋翼同步。长长的大功率传动-同步轴穿过整个机顶，这是又一个维修人员问候设计、制造方先人的地方。单旋翼-尾桨也有常常的传动-同步轴，但功率一大，幺蛾子就多啊。# ~2 L: f; r9 A- i0 g8 R

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CH-47用串列双桨，需要贯穿全长的大轴进行动力传递和同步，重量和磨损很厉害2 t* I$ A% w6 n* s

1 t' [- ]! J. AMV-22那样的倾转旋翼并列双桨看似简单点，但根本不简单，因为还是有直升机模式下的操控问题。左右双发之间还有复杂的交联传动-同步轴，不仅确保同步，还在两侧发动机出力不均匀或者单发停车时能驱动两侧旋翼，继续飞行。否则并列双桨一旦单发故障，立刻失控坠毁，连挽救的时间都没有。发动机短舱倾转的复杂性、可靠性和直升机-飞机模式转换的飞控问题就不多说了。3 y6 B! K0 {; K3 ]4 b, N* p4 ?
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简言之，直升机机械上的那么多麻烦事是由于集中动力的关系。不管是涡轴还是内燃机，发动机沉重，成本高，机械同步困难，只能集中动力，然后用各种办法保证同步。再白菜化，直升机只能是鱼子酱煮白菜，注定机械复杂、使用麻烦、购置和运作成本高。
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在讨论无人机问题的时候，必须牢记成本和体系。0 j4 [# e; t' u) q9 Z3 `
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中国是无人机大国，什么无人机都造得出来，而且成本一定低于欧美国家。但这还不够，碾压性优势还不够，要气化级优势嘛。
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* _) ~/ D: }1 a  j+ i多旋翼没有那么多事。对角上的旋翼自然抵消互相的扭力，多旋翼的各种“抬压”自然控制姿态和前飞、侧飞、倒飞，翻筋斗更是不在话下。
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多旋翼的旋翼总是成双作对的，不仅两两抵消反扭力，还便于控制姿态/ \$ @( K7 b: ^4 X7 l
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在理论上，多旋翼依然可能采用集中动力，但各种同步轴将使得机械复杂性之高、重量之大、可靠性之低达到不可思议的程度，彻底抵消了任何好处。必须采用分布动力。! K# d! j1 B; h# s

3 C) K2 y) G# S' f. G; _/ O电池动力的电动与多旋翼是天生的一对。电动机的转速范围很大，特斯拉就不需要变速器，一档到底，这就省却了总距铰。用旋翼之间相对升力控制姿态，这就省却了挥舞铰。4 N! @, i4 u8 |" o* B& K

0 C+ h+ @& V  C. s多旋翼的桨毂简单得不能再简单了，简单的驱动轴直接连到无铰链、固定桨距的旋翼，这是多旋翼低成本和实际上无维修的第一秘诀。
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# O0 o+ v- t( K3 C  ~电动机之间同步简单多了，用电气和电子方法实现，不需要任何机械同步，这是多旋翼低成本和实际上无维修的第二秘诀。. |# f! _6 G% |: |% I& o
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电池动力的问题是电池重量和容量。这是多旋翼较难做大的拦路虎，但不是没有办法的，油电或者涡电啊，功率更大，续航时间更长。9 D" S$ o$ d: p4 x) J- H; s3 @, w
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油电就是用内燃机驱动发电机，油耗较低；涡电则用涡轴驱动发电机，功率更大。问题是交流发电容易，但交流电动机要变速，需要一套复杂的变频系统。直流发电本身就较复杂。全系统的重量、复杂性急剧升高，完全抵消了无人机的简单、低成本、无忧虑使用的优点。
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" {. h$ ], E1 R" M+ u! P0 k1 _涡电作为航空动力正在得到高度重视，但重量、复杂性和成本使得这还在很长时间里不适合在低成本无人机使用。还是只能电池动力。
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电池动力的多旋翼成本低，使用简单，已经成为人们对无人机的认知。要在连排级部队装备大量无人机，只能是这样的无人机，不可能是油机。. f/ }6 H- l4 K1 d: L

3 V" O4 B9 J  F; j1 `- K空军、海军的无人机是完全不同的要求，不去说它。陆军的集团军、合成旅级也是不同的要求油机无人机或许更加合适。连排以下的甚至到班和个人的，首先数量巨大，而且是半可消耗的，对成本必须敏感；其次小分队里人手紧张，没法伺候。必须是使用最简单、携带最方便、结构最皮实、无维修、性能够用的。还是只有电池动力的多旋翼。
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1 O2 u- l* ]' X5 Y唯一例外可能是彩虹817这样的微型无人机。这是很特别的设计，以前专门写过一段，这里不重复了。这对班用甚至单兵使用很好，但结构上决定了只能是这样的微型的，能力有限，连排用有点不够给力。7 w7 g. m6 D( E* \& }5 h. i- _

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彩虹817是非常有潜力的微型无人机，但在本质上就做不大，班用很好，连排级有点嫌小了
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eVTOL是多旋翼和固定翼飞机的独特组合，因此动力系统也可以更加灵活。多旋翼部份肯定是电动的，但固定翼状态下的推进可以用普通的内燃机或者涡桨驱动，同时为电池充电，用于短时间的垂直起飞和降落。
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eVTOL对于合成旅侦察连这样的“专业单位”很适合。在平飞状态下，速度、航程比直升机或者多旋翼大得多，但可以垂直起飞、着陆，比固定翼无人机更容易运作，机械和维修简单，不需要太多伺候，但对于营以下的分队还是太大、太费事了。( c% o& `1 T6 i( U

- h# s) A( d% f单兵巡飞弹在很多方面符合要求，但只能一次性使用，成本还是高。战争不是只要打赢就行，还需要在对经济和社会负担最小的情况下打赢，这才是真赢。在不影响任务完成的情况下，成本最低的手段才是最好的手段。这也是飞机投炸弹不可能被导弹所取代的原因，无动力或者短程武器的成本大大低于远程武器。单兵到连排级也是一样。巡飞弹很有用，但不是无人机的替代。
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即用即扔实际上也是很大的后勤负担，在前方大体确认有敌情、只是需要查明、攻击时使用比较合适。否则机步连沿道路搜索前进，以巡飞弹作为前方侦察、搜索工具的话，一天可能就要消耗十几个、几十个巡飞弹？有的巡飞弹是可回收的，没有自爆就收回来，充电后下次使用。这和可消耗无人机没有两样了。5 L& y7 |/ [% S) L1 @

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* G# ~6 o( ]: j7 ]“折刀”是典型的单兵巡飞弹3 i1 n5 `( X/ `9 S: R
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发射后自动打开，就成了一架微型固定翼飞机5 n7 p% G2 J$ T( K1 T+ a

) x  C3 v- v6 o% f巡飞弹一般相当于微型固定翼飞机，可以盘旋，但不能悬停和抵近观察。在特别狭小的街道上和建筑之间不便使用。一掠而过有时不能仔细观察，悬停和抵近观察常常是不能取代的。多旋翼、垂直起飞着陆的无人机还是必要的。, m$ k0 I0 B; m8 Q" s" _/ Z- c
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充电是个问题，但这不是无人机独特的问题。士兵数字化后，夜视仪、单兵数据链、激光测距-照射仪、敌我识别器（Blue Tracker）都需要充电。新一代军车大到步战，小到悍马级，发动机都额外强化，具有更大的发电能力，车上座位都有充电口。这是10年前的军车都不具备的，但也是现在新一代军车必备的。; v$ t" B% t1 Z
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徒步步兵比较麻烦一点，但他们的麻烦不只是充电了。背上一大堆巡飞弹一样不现实，还是需要某种随行的战术拖车或者什么东西来解决。. S, _, `0 P5 y! _0 D  D9 v
作者: MacArthur    时间: 2022-3-24 11:50
多旋翼的旋翼总是成双作对的，不仅两两抵消反扭力，还便于控制姿态

' S/ r5 I" A8 Z+ S有三翼的。。。 有个大学同学就是专业玩这个的，在他的实验室里见过。。。: \! t+ ~, @6 N' z! b9 G' Q1 A+ Y
作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 12:07
MacArthur 发表于 2022-3-23 21:50
% O$ y! {/ @8 R; O有三翼的。。。 有个大学同学就是专业玩这个的，在他的实验室里见过。。。2 E& l' k- s3 _! f+ D
...
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那有什么？还有独轮的自行车呢。有可能不等于就是合理的。
作者: 三力思    时间: 2022-3-24 12:58
本帖最后由 三力思 于 2022-3-24 13:02 编辑
  {/ z; E( Q# M8 R7 d" s: S! ]  @3 X$ I8 v
https://www.youtube.com/watch?v=3uNboCgDOKQ
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变翼无人机，其实应该有更简单的变形方式
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作者: MaverickZ    时间: 2022-3-24 12:58
本帖最后由 MaverickZ 于 2022-3-24 13:07 编辑
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晨枫 发表于 2022-3-24 12:07
1 G' V+ L; a0 _9 [# ]/ [那有什么？还有独轮的自行车呢。有可能不等于就是合理的。

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1 e; z; H9 i; P7 {4 Z三轴的无人机早实用了，dji的哪吒系列就支持。4 B+ y, {2 K7 Q; D2 l, _
上下各三个螺旋桨的，三轴感觉可靠性最高，只要同一轴上2个不要都坏掉就能飞回来。
  X0 c3 q  f  z& @6 Q! Y10几年前的东西了
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作者: 沉宝    时间: 2022-3-24 14:11
晨大讲得好。补充几点：
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1）多旋翼的最大好处是容错性强。比如说8旋翼，只要不是相邻的3个旋翼同时失效，那么都有可能通过计算机调整所剩旋翼的输出功率维持飞行。另外，旋翼成双作对不是必须，但成双旋翼的数学模型简单，飞控好写。早先多旋翼机是业余爱好者玩起来的，当然越简单越好，而军用机肯定能够组织人力开发足以应付各种复杂情形的飞控程序。" v  m# ~: {9 h9 W. G; R  C# W

; p0 r4 n, ~1 C/ F1 C2）现代电力电子技术使得直流发电较之交流发电在成本、可靠性等指标上并无严重短板，美欧忌讳用直流发电是工程能力的问题。* U9 c' M3 S# l4 L% Z
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3）充电问题。士兵数字化后，可以考虑电池模块标准化。无人机比其它仪器耗电，多用几个标准模块就是了。军车上可以直接内置大容量充电器，一次冲几倍的电池供轮番使用。徒步步兵可以考虑使用一次性电池以期获得远高于充电电池的能量密度。
作者: 数值分析    时间: 2022-3-24 15:32
MaverickZ 发表于 2022-3-24 12:585 R, |3 w' K: W
三轴的无人机早实用了，dji的哪吒系列就支持。' }9 n0 e$ d3 J, U% Z1 }
上下各三个螺旋桨的，三轴感觉可靠性最高，只要同一轴上2 ...

+ w/ _- C( D6 E( e* b6 q" {- ~这个三轴实际上是六轴啊，上下两个螺旋桨是反转的，实际上是两根轴啊。
作者: testjhy    时间: 2022-3-24 17:11
我来说两句，首先回一下晨大在巷战中使用农用无人机的问题，当时，我说的是农用无人机不会用大疆这类电动无人机，可不是说巷战中不能用多旋翼无人机，巷战中多侦查和点杀型任务，时间跨度小，10分钟都可以完成一系列复杂动作和任务，1公斤高爆炸药对城市攻坚都是威力巨大的杀伤武器。就象前面同学说的，制式军用小无人机都是标准电池，统一充电。- i! m" Z4 n) O/ V1 O; l! D
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其次，想到十五年左右前，学校一个课题组帮助部队试图改造特种大队的“三蹦子”--军用旋翼机，让它无人化，“三蹦子”有点介于直升机和旋翼无人机之间，载重3-500公斤，飞行距离能达数百公里。无人化的目的是减少战士伤亡，“三蹦子”目标不小，防护很弱。但在敌后侦察、后勤保障和战场救援等方面还有一定优势。最重要的是成本很低，据说少量装备的情况下成本低于百万。不过可能太土了，后来似乎没有进一步发展。
作者: 大黑蚊子    时间: 2022-3-24 17:23
DJI这种民用旋翼机其实直接下放到班用就好，每个班每次出任务带3架，每台配3个电池' G5 b. A0 c6 F2 o, v
轮续使用，即使不能充电，也能保证长达三小时的滞空侦察时间，一个小背包就能装完，也不占编制。9 ?; _- t& ~3 h* |6 u
几千块钱的侦察旋翼机，当成一次性消耗品来用，比一支步枪都便宜
作者: MacArthur    时间: 2022-3-24 22:00
晨枫 发表于 2022-3-23 23:07
; d( [, y! A  M7 l- g) w那有什么？还有独轮的自行车呢。有可能不等于就是合理的。

) d7 ]$ j1 b% r8 L; ?这不是“有可能”的问题，更无所谓“合理”不合理。。。 三翼drone已经是很成熟的产品啦。。。8 f/ a/ j1 B0 |2 R7 R! A4 ^

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作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 22:09
三力思 发表于 2022-3-23 22:58
& J- y8 ^) X. I* _5 O8 ^9 \  o- \变翼无人机，其实应该有更简单的变形方式

) C# n2 z  P6 K; b复杂性和成本啊，伙计！
作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 22:10
MaverickZ 发表于 2022-3-23 22:58$ m2 m3 `( ]$ I5 e
三轴的无人机早实用了，dji的哪吒系列就支持。2 R9 D3 P. G1 U+ `  W
上下各三个螺旋桨的，三轴感觉可靠性最高，只要同一轴上2 ...

  H9 H( E# I9 `3 c0 C  N这个是六螺桨，和三轴三螺桨是两回事啊
作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 22:11
MacArthur 发表于 2022-3-24 08:00  D* c1 k+ {" {5 M$ Y; c. j9 F0 l
这不是“有可能”的问题，更无所谓“合理”不合理。。。 三翼drone已经是很成熟的产品啦。。。
. o5 I; a# n! k# U9 ]0 j0 O5 V2 a) s, X! U5 x. X# ]2 H% c
...

$ T. O; C. K/ B" }那就想想为什么没有成为主流吧
作者: 晨枫    时间: 2022-3-24 22:14
testjhy 发表于 2022-3-24 03:11
1 A+ _# B% e+ h$ @% R0 {! c0 f我来说两句，首先回一下晨大在巷战中使用农用无人机的问题，当时，我说的是农用无人机不会用大疆这类电动无 ...

% ^# V3 I4 I& n& Z旋翼机是很特别的一种构型，但连排级使用太大，而且需要几十米平坦场地，不能悬停和侧飞。悬停和侧飞的战术作用太重要了。
作者: sumigdai    时间: 2022-3-24 22:58
testjhy 发表于 2022-3-24 17:11
  O# j% r! i/ C- K" T4 m我来说两句，首先回一下晨大在巷战中使用农用无人机的问题，当时，我说的是农用无人机不会用大疆这类电动无 ...
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五百架三蹦子能带一千人和装备，突袭安东诺夫机场的效果应该比那几十架米八强多了把。三蹦子防护为0，还是突袭好一些，强攻肯定没法用了。
作者: 三力思    时间: 2022-3-25 02:50
晨枫 发表于 2022-3-24 22:09
8 v3 j6 y4 c1 Q8 U" U1 m复杂性和成本啊，伙计！

7 L/ \/ O- z' V. J9 s如果去掉必须要在空中变形的自动装置，只是比雨伞复杂一点。
作者: 晨枫    时间: 2022-3-25 02:53
三力思 发表于 2022-3-24 12:50
& V$ j: j9 b; U( A' Z如果去掉必须要在空中变形的自动装置，只是比雨伞复杂一点。

# ]) h; L6 d4 P+ {雨伞结构可是不结实啊。你这是一次性使用的无人机？
作者: 三力思    时间: 2022-3-25 03:17
晨枫 发表于 2022-3-25 02:53, N: c6 }$ z1 _5 d
雨伞结构可是不结实啊。你这是一次性使用的无人机？

; [6 ]1 z' ~: ^. a% L连排级的无人机战场寿命不会很长， 民用旋翼机的平均飞行寿命也都不到300小时，玩特技飞行的出行一般都带两架，因为当场炸机的经历人人都有，当天炸，当天修的很多。
作者: 晨枫    时间: 2022-3-25 03:34
三力思 发表于 2022-3-24 13:17$ V" c( V7 y6 U- h9 n8 m7 J: p4 Z
连排级的无人机战场寿命不会很长， 民用旋翼机的平均飞行寿命也都不到300小时，玩特技飞行的出行一般都带 ...

6 P5 ~( t( T, b0 R6 r2 ~300小时很长了。这样的多旋翼一次出动民用的30分钟，军用也不会超过2小时。300小时都远远超过期望了。
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2022-3-25 03:40
我去过国内的一家做eVTOL的初创公司，最大起飞重量1.35吨，载重量大概400公斤，航程大概600~800km，真正垂直起降，不需要跑道。还可以通过增加一个小型马达和煤油腔，变身增程式飞机，1200km续航。可以通过变成，变成自动往返。
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" O. U3 c; o3 P( d. X% ?- M% D- X* x成本很低，大概一部特斯拉的价钱。好家伙，居然全数传电控。现在在开发全自动驾驶，里面可以做2个人。双套驱动系统，加上固定翼，安全系数非常高，将来民用有望。
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设想一下驱逐舰携带20架这样的东西出发，加上几枚类似于红箭12改良型导弹，周围几百公里的军舰真是无法生存。
作者: 晨枫    时间: 2022-3-25 04:00
陈王奋起挥黄钺 发表于 2022-3-24 13:40
3 G6 w( V3 [2 `2 l  Z, Y我去过国内的一家做eVTOL的初创公司，最大起飞重量1.35吨，载重量大概400公斤，航程大概600~800km，真正垂 ...
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是的，这已经是航空科技的新突破口，前途不可限量。



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