汽油驱动、超长待机的四桨飞行器

前提警告：这篇文章的针对观众是机械极客，机械工程师，航空极客等等人群。程序员请绕行，文科生请别觉得智商低

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直升机的机动性和稳定性有目共睹

如果说单桨直升机是二战结束后航空业的一大明星，那么多桨无人机则是21世纪的宠儿。一般来讲，稳定性和机动性是两个相对的特性，有了稳定性高的航空器，机动性则会大打折扣；同样，机动性高，稳定性自然会打折扣。这就是为什么战斗机都是稳定性不存在的货，为了机动性牺牲太多，而客机气动稳定性高得一比，机动性就渣渣。

但是旋翼/转桨飞行器可谓是在机动性和稳定性中找到了绝佳的平衡点，而多桨飞行器，又比单桨要更牛逼。单桨飞行器，因为质量巨大且转速极快的螺旋桨，在一个旋转轴上产生了可观的角动量，想抗拒这个角动量在另外两个轴上做机动就难上加难，这也是为什么直升机做横滚比原地转圈要慢。相比起来，多桨飞行器因为每个旋转轴带动的质量不大，角动量也相对不那么难以克服，并且根据利用电控，随时改变各个旋桨的功率，可以在瞬时间做出难以想象的机动动作。这几年电控系统的发展如日中天，玩具型四桨飞行器的电控都能做到每秒百次的调整，稳定性大夫提高。这也是为什么，稳定航拍可以用多桨飞行器，竞速也可以用多桨飞行。

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竞赛型六桨飞行器，也可以用来航拍

不过呢，多桨飞行器现在也不是没有问题。因为需要控制的旋翼/转桨多，需要的操控信息量也大，而且任何一点不到位的控制都会引起整个航空器的不稳定——相对于单桨的控制，多桨控制需要调配各个螺旋桨的输出。同时，能达到这么精准控制转速的，只有电动机，有时还必须是感应无刷电机，才能对电控系统每秒百次的调整做出合适的反应。汽油机由于活动件多，活动质量较大，非常不适合这么频繁的调整，所以现在多桨飞行器，不论大小，都是清一色的电机。

不过电机的缺点也很明显，就是在目前的科技下，电池的能量储存密度真的是太感人了。且不说普通电池，就是能量密度最高的航空用锂电池，能量密度也只有1.8KJ/kg，而汽油则是46KJ/kg，氢气是142KJ/KG。举个简单的例子，特斯拉Model S的电池重量大约是在半吨以上，只能开400公里。想想半吨汽油，给同样重量的汽车能开多久？

正是因为电池的短板，使得现在的多桨飞行器的续航能力也很感人，并且载重能力基本没有。DJI新出的M200，双电池供电，飞半个小时已经是行业领先了；英国某个大学的氢动力无人机飞过一个小时，不过由于高压氢罐本身很重，而且很贵，大规模生产非常不实际。还有人试过汽油+电力混合无人机，汽油机带动发电机再驱动电动机，结果载重负载太大，载重能力微薄。

其实吧，也不是没有大胆的用汽油机来带动多桨飞行器。比如前年有个挪威还是瑞典的小哥就用8个汽油机螺旋桨给自己做了个飞行澡盆。后来证明内燃机真的不适合多桨，那个视频看着大家都觉得胆寒。再后来，德国一家公司尝试了汽油机+电动机的混合动力飞行器，用来提高飞行时间，这家公司叫Yeair! ，用四个二冲程汽油内燃机做主要动力，每个旋翼/转桨附加一个电动机作为辅助。这样，内燃机提供长时间的巡航，电动机负责瞬时的调整，整个配合是不是很巧妙？

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Yeair!的混动飞行器

其实，说了这么多，大家可能还忘了，直升机是如何控制自己的状态的。大部分直升机只有单桨，是怎么控制在俯仰、横滚轴上的动作呢？机械和航空的同学可能知道，直升机的每片旋翼的攻角是可以变的，根据改变每侧旋翼的攻角，可以改变这一侧升力的大小，从而对相隔90度的一边产生力矩(原理很复杂，主要就是记住直升机旋翼不是固定死的，可以上下浮动，扇出更多/更少的风)。这样在不费力加速/减速旋翼的情况下，可以立刻改变飞机的状态。

说到这里，大家可能想到了，如果把直升机改变旋翼攻角的机构放到多桨无人机上呢？汽油机没法快速改变转速，那就以恒一转速就好了。旋翼/转桨之间的协调，为什么不能通过改变桨叶的攻角来完成呢？

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直升机旋翼攻角改变机构

这就是今年堪培拉一架无人机公司的思路。这家SOAPdrones公司，以下简称“肥皂”公司，想到的就是用汽油机来增加无人机航程，同时使用直升机的攻角改变结构来回应电控系统的指令。现在公司展出的无人机，由一个两冲程汽油机硬式连接四个旋翼，中间只有传统的传动件，没有电机介入。四个旋翼的攻角由自带的电动舵机来操控，在不改变旋翼转速的情况下，改变攻角，适时改变各个旋翼的升力，达到控制姿态的作用。因为不需要改变旋翼转速，没有旋翼的惯性需要考虑，因此理论上，此套系统的反应速度应该比使用定角桨的，传统多桨飞行器要快。

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肥皂公司的攻角改变系统

肥皂公司现在这套无人机原型机还没有飞过，不过他们预计能载重10公斤，悬停3-4个小时，而且稳定性不输传统的多桨飞行器。之前肥皂公司公开了他们小型机的视频，使用了120cc的双缸二冲程汽油机，直接是从模型店里买来的。之后公司将会上升到使用CASA航空局认证的内燃机，并且增大飞行器尺寸。

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航模用内燃机

另外，为了操控这一套新型的旋翼系统，肥皂公司没有办法使用现成的多桨飞行器控制器，必须从头开始做实验垒代码。不过呢，因为有很多直升机旋翼的操控经验，肥皂公司的进度很快，而且不像其他多桨操作系统，尺寸和惯性对于操控有很大的影响，肥皂系统对于尺寸扩大和缩小不敏感，因为毕竟不改桨叶速度，整个软件结构就简单了好多。公司最终目标是制作出载重200公斤，飞行时间3个小时，能从堪培拉到悉尼的通勤无人机，时速至少要100KMH。

话又说回来，肥皂的系统相对于传统多桨无人机，机械结构复杂程度增加了不是一点点，而且设计冗余也不如电动无人机多。四桨，飞行器最大的优势，就是在于其简单的结构，和自带的冗余——最少的活动零件，且少了25%的动力依旧能平稳降落，并且多个个电动机之间互不干扰，在紧急情况下能随时改变策略。现在还不了解肥皂系统是如何解决这些问题的，只能说拭目以待了。

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颇为复杂的机械结构，不知可靠性如何

本文译自 Atlas，由 小鱼儿 编辑发布。