旋翼飞机(cyclocopter)是一种奇怪的飞机,它使用围绕水平轴旋转的翼型以产生升力和推力。 这个概念其实在一个世纪以前就提出了,但这种飞机很难制造和飞行,所以旋翼飞机没有像直升机那样蓬勃发展。 事实上,只有少数几个研究小组在研究旋翼飞机,而且目前,他们只专注于小型旋翼飞机的研究。美国德克萨斯A&M飞行实验室的Moble Benedict教授以及他的团队就是其中之一,最近,他们成功研究出了一个小型旋翼飞机,重量只有29克。这可能是取代直升机、多轴飞行器的又一个进步。

旋翼飞机
旋翼飞机

[notification type=”alert-success” close=”false” ]具体的飞行过程可以看最上方的视频。[/notification]

如果看了视频还不明白旋翼是如何让无人机飞起来的,看下图你大概就能明白了。

cycloidal rotor

八个桨翼集中在一个滚筒式的结构上,滚筒自传的时候每个桨翼都会相应的发生变化,滚筒高速滚动让流经上下翼面的空气产生流速差,从而在底部产生强大的推理,使得无人机起飞。同时,滚筒在运行时推向后方的气流能够产生向前的推力。

Moble Benedict从事旋翼飞行器研究多年,他表示,在理论上来讲,旋翼方式动能效率更高,功耗更小,同时会更安静,更节省空间,更稳定,在速度上跟直升机也相差无几。

Moble Benedict介绍说,目前他们已经证明了,由于旋翼飞行器的结构的特殊性,其空气动力的转换效率要远高于传统的直升机,而且机动性更强,其控制方向和速度的能力要优于传统直升机很多。

说到这,大家肯定有一个疑问,既然这个东西好处这么多,无人机、飞行器发展了这么久,为什么没有大规模采用这种方式呢?

Moble Benedict的回答是,人们曾经试图探索旋翼式飞行器百十来年了,不过在20世纪初,直升机的巨大成功和广泛应用,让人们是去了对旋翼式无人机研究的兴趣。另外,旋翼式无人机在早前有一个致命的问题,就是其桨翼结构比较复杂,在运行时缺乏适合的飞控稳定,如今科技已经成熟,这方面不再是问题。他们自己研发了相应的陀螺仪、加速器和处理器等等,并且对其内在软件进行了长时间的调试,现在稳定性已经与市面上的无人机相差无几了。

并且,以前旋翼飞行器在运行时,桨片所承受的空气动力比较大,早前没有合适的材料能够适合这个承重,不过随着科技发展,各种符合材料的出现,这一问题也就解决了。他们在试验中使用了创新型的碳纤维复合材料来制作桨片,每片只有0.12克。

[notification type=”alert-success” close=”false” ]未来的研究方向[/notification]

Moble Benedict教授表示,在未来,会围绕着旋翼飞行器进行更精进的研究,从而让这种无人机更完善,更实用。

首先他们将会对材料进行研究,设计更轻、更结实的桨片,增加其在高速旋转下的荷载能力。

其次,需要对旋翼式飞行器的结构进行精简,让其更加简单,至少不能像目前这么复杂。

还有,对桨片形状的设计关乎无人机在悬停、高速飞行下的状态和效率,这方面还有待提升。

Benedict教授说,他们已经证明了这种旋翼飞行未来的潜力,他们接下来的目标之一是在大型飞行器上进行旋翼式的实验,未来也会延伸至有人驾驶飞机。目前他们已经得到了美国军方的资金上的支持。

其实,以摆线浆为升力的飞行器近两年也有出现,在2014年第五届无人机大会展览上,一架名为风火轮的旋翼机就十分抢眼,该机也采用了两个摆线浆为升力源,同时用作副翼控制,采用一个螺旋桨进行俯仰控制和偏航控制。不过,这架飞机在当时只是一架概念机,这两年已经没有了消息。

在飞行器(特别是消费级无人机)形态已经被固化的当下,众多从业者所进行的无人机研究很多都是“新瓶装旧酒”,并没有在形态上进行太多的思考,包括很多概念式的飞行汽车也使用了普通多旋翼无人机式的设计,这让人不免乏味。而Benedict教授表示,待旋翼飞行器技术成熟的时候,用在飞行汽车等方向会比传统的飞行器更加的合适,未来前景会十分广阔。

(译自IEEE Robotics