汽油驅動、超長待機的四槳飛行器
前提警告：這篇文章的針對觀眾是機械極客，機械工程師，航空極客等等人群。程序員請繞行，文科生請別覺得智商低
直升機的機動性和穩定性有目共睹
如果說單槳直升機是二戰結束後航空業的一大明星，那麼多槳無人機則是21世紀的寵兒。一般來講，穩定性和機動性是兩個相對的特性，有了穩定性高的航空器，機動性則會大打折扣；同樣，機動性高，穩定性自然會打折扣。這就是為什麼戰鬥機都是穩定性不存在的貨，為了機動性犧牲太多，而客機氣動穩定性高得一比，機動性就渣渣。
但是旋翼/轉槳飛行器可謂是在機動性和穩定性中找到了絕佳的平衡點，而多槳飛行器，又比單槳要更牛逼。單槳飛行器，因為質量巨大且轉速極快的螺旋槳，在一個旋轉軸上產生了可觀的角動量，想抗拒這個角動量在另外兩個軸上做機動就難上加難，這也是為什麼直升機做橫滾比原地轉圈要慢。相比起來，多槳飛行器因為每個旋轉軸帶動的質量不大，角動量也相對不那麼難以克服，並且根據利用電控，隨時改變各個旋槳的功率，可以在瞬時間做出難以想像的機動動作。這幾年電控系統的發展如日中天，玩具型四槳飛行器的電控都能做到每秒百次的調整，穩定性大夫提高。這也是為什麼，穩定航拍可以用多槳飛行器，競速也可以用多槳飛行。
競賽型六槳飛行器，也可以用來航拍
不過呢，多槳飛行器現在也不是沒有問題。因為需要控制的旋翼/轉槳多，需要的操控信息量也大，而且任何一點不到位的控制都會引起整個航空器的不穩定——相對於單槳的控制，多槳控制需要調配各個螺旋槳的輸出。同時，能達到這麼精準控制轉速的，只有電動機，有時還必須是感應無刷電機，才能對電控系統每秒百次的調整做出合適的反應。汽油機由於活動件多，活動質量較大，非常不適合這麼頻繁的調整，所以現在多槳飛行器，不論大小，都是清一色的電機。
不過電機的缺點也很明顯，就是在目前的科技下，電池的能量儲存密度真的是太感人了。且不說普通電池，就是能量密度最高的航空用鋰電池，能量密度也只有1.8KJ/kg，而汽油則是46KJ/kg，氫氣是142KJ/KG。舉個簡單的例子，特斯拉Model S的電池重量大約是在半噸以上，只能開400公里。想想半噸汽油，給同樣重量的汽車能開多久？
正是因為電池的短板，使得現在的多槳飛行器的續航能力也很感人，並且載重能力基本沒有。DJI新出的M200，雙電池供電，飛半個小時已經是行業領先了；英國某個大學的氫動力無人機飛過一個小時，不過由於高壓氫罐本身很重，而且很貴，大規模生產非常不實際。還有人試過汽油+電力混合無人機，汽油機帶動發電機再驅動電動機，結果載重負載太大，載重能力微薄。
其實吧，也不是沒有大膽的用汽油機來帶動多槳飛行器。比如前年有個挪威還是瑞典的小哥就用8個汽油機螺旋槳給自己做了個飛行澡盆。後來證明內燃機真的不適合多槳，那個視頻看著大家都覺得膽寒。再後來，德國一家公司嘗試了汽油機+電動機的混合動力飛行器，用來提高飛行時間，這家公司叫Yeair! ，用四個二衝程汽油內燃機做主要動力，每個旋翼/轉槳附加一個電動機作為輔助。這樣，內燃機提供長時間的巡航，電動機負責瞬時的調整，整個配合是不是很巧妙？
Yeair!的混動飛行器
其實，說了這麼多，大家可能還忘了，直升機是如何控制自己的狀態的。大部分直升機只有單槳，是怎麼控制在俯仰、橫滾軸上的動作呢？機械和航空的同學可能知道，直升機的每片旋翼的攻角是可以變的，根據改變每側旋翼的攻角，可以改變這一側升力的大小，從而對相隔90度的一邊產生力矩(原理很複雜，主要就是記住直升機旋翼不是固定死的，可以上下浮動，扇出更多/更少的風)。這樣在不費力加速/減速旋翼的情況下，可以立刻改變飛機的狀態。
說到這裡，大家可能想到了，如果把直升機改變旋翼攻角的機構放到多槳無人機上呢？汽油機沒法快速改變轉速，那就以恆一轉速就好了。旋翼/轉槳之間的協調，為什麼不能通過改變槳葉的攻角來完成呢？
直升機旋翼攻角改變機構
這就是今年堪培拉一架無人機公司的思路。這家SOAPdrones公司，以下簡稱「肥皂」公司，想到的就是用汽油機來增加無人機航程，同時使用直升機的攻角改變結構來回應電控系統的指令。現在公司展出的無人機，由一個兩衝程汽油機硬式連接四個旋翼，中間只有傳統的傳動件，沒有電機介入。四個旋翼的攻角由自帶的電動舵機來操控，在不改變旋翼轉速的情況下，改變攻角，適時改變各個旋翼的升力，達到控制姿態的作用。因為不需要改變旋翼轉速，沒有旋翼的慣性需要考慮，因此理論上，此套系統的反應速度應該比使用定角槳的，傳統多槳飛行器要快。
肥皂公司的攻角改變系統
肥皂公司現在這套無人機原型機還沒有飛過，不過他們預計能載重10公斤，懸停3-4個小時，而且穩定性不輸傳統的多槳飛行器。之前肥皂公司公開了他們小型機的視頻，使用了120cc的雙缸二衝程汽油機，直接是從模型店裡買來的。之後公司將會上升到使用CASA航空局認證的內燃機，並且增大飛行器尺寸。
航模用內燃機
另外，為了操控這一套新型的旋翼系統，肥皂公司沒有辦法使用現成的多槳飛行器控制器，必須從頭開始做實驗壘代碼。不過呢，因為有很多直升機旋翼的操控經驗，肥皂公司的進度很快，而且不像其他多槳操作系統，尺寸和慣性對於操控有很大的影響，肥皂系統對於尺寸擴大和縮小不敏感，因為畢竟不改槳葉速度，整個軟體結構就簡單了好多。公司最終目標是製作出載重200公斤，飛行時間3個小時，能從堪培拉到悉尼的通勤無人機，時速至少要100KMH。
話又說回來，肥皂的系統相對於傳統多槳無人機，機械結構複雜程度增加了不是一點點，而且設計冗餘也不如電動無人機多。四槳，飛行器最大的優勢，就是在於其簡單的結構，和自帶的冗餘——最少的活動零件，且少了25%的動力依舊能平穩降落，並且多個個電動機之間互不干擾，在緊急情況下能隨時改變策略。現在還不了解肥皂系統是如何解決這些問題的，只能說拭目以待了。
頗為複雜的機械結構，不知可靠性如何
[小魚兒 via Atlas]
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