簡化版的3D打印直升機只需要兩個電機
對于飛行物是很多人的最愛，那么今天中國3D打印網(wǎng)帶來的這款直升機到底有什么特異之處？老實說，它甚至不是全新的，因為它主要依靠簡單的3D打印部件和從商店買來的組件。但它的了不起之處在于將一架直升機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計簡化到了極處，最大限度地去除了各種不同的發(fā)動機和零件，從而為未來開發(fā)更加經(jīng)濟、可靠的直升機技術(shù)鋪平了道路。從這個角度看，James的設(shè)計意義非凡。
所以，這部直升機的與眾不同就在于驅(qū)動其升降的電機及運動部件的數(shù)量上。正如James在2013年在日本一次學(xué)術(shù)會議上發(fā)表的論文里提出的，傳統(tǒng)的直升機依靠大型螺旋槳發(fā)動機和兩三個小伺服電機來控制推力、俯仰和滾轉(zhuǎn)力和力矩。而四軸飛行器則需要四個獨立的葉片來達到同樣的效果。“從廣義上說，推力來自平均速度和螺旋槳葉片的迎角，而姿態(tài)則是有每次旋轉(zhuǎn)時通過加上一個帶迎角的周期震蕩獲得。該環(huán)狀俯仰葉片的運動是由一個旋轉(zhuǎn)斜盤聯(lián)動裝置規(guī)范，并由兩到三個額外的伺服電機驅(qū)動的，有時會通過一個動力穩(wěn)定平衡翼來增強。”
這帶來了許多設(shè)計上的挑戰(zhàn)。“一臺旋轉(zhuǎn)斜盤控制的共軸直升機必須為其四個致動器（兩個大轉(zhuǎn)速馬達、兩個旋轉(zhuǎn)斜盤伺服馬達）和一個復(fù)雜的連桿組件的質(zhì)量、尺寸和成本預(yù)算找到空間。而一臺四軸飛行器必須同樣支持四臺電機，并且面對急劇萎縮的轉(zhuǎn)子帶來的實際問題。” 這不僅增加了組裝成本，這也意味著更多的部件。
但James想出的設(shè)計則巧妙地保留了常規(guī)直升機上所有這些控制上的優(yōu)勢，而又顯著簡化了系統(tǒng)。“我們通過嵌入轉(zhuǎn)子的欠驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動一個單一的螺旋槳和一個馬達產(chǎn)生推力、翻滾、俯仰。這使得新的常規(guī)微型飛行器，只需要兩個電機就可以控制。與此相反，許多伺服系統(tǒng)和常規(guī)直升機或四軸飛行器則需要許多驅(qū)動馬達。”
主電動機直接驅(qū)動直升機螺旋槳槳轂，其依次通過兩個巧妙設(shè)計的傾斜鉸鏈連接到螺旋槳葉片。“鉸鏈幾何耦合葉片的朝前和滯后振蕩，來改變?nèi)~片的俯仰。與使用帶穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的電機驅(qū)動，我們在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相位上添加了一個正弦分量以誘導(dǎo)周期性的俯仰變化。振幅和控制信號的相位決定了直升機響應(yīng)的量級和方向。”
這意味著該直升機能夠使用單個馬達，通過選擇性地提升和降低它的葉片產(chǎn)生姿態(tài)矩飛行。其中必要的聯(lián)動可以通過增加一個簡單經(jīng)濟的塑料改裝葉片來實現(xiàn)。而這也正是3D打印的用武之地。
所有這一切都意味著一個充滿了非常規(guī)零部件的復(fù)雜控制系統(tǒng)，但James通過3D打印和從商店購買一些零部件就達到了設(shè)計要求。“驅(qū)動電機是一個Park 400、12桿、740 Kv的無刷電機，可直接驅(qū)動大型螺旋槳。由三個部件組成的槳轂是用一臺Object 3D打印機使用塑料聚合物打印的。”
當(dāng)然這樣的設(shè)計會使控制變得比一般常規(guī)的直升機更為復(fù)雜。盡管節(jié)省了發(fā)動機和其他部件，但這通常意味著其它方面的成本必然會上升。不過，James和他的教授認(rèn)為：“動力設(shè)備的成本減少了，并轉(zhuǎn)移到了控制方面。 然后，我們可以利用先進的計算能力，減小體積、功耗和電子系統(tǒng)的成本。”
最重要的是，它是能夠發(fā)揮作用的。為了使其更有說服力，James在其論文中提交了關(guān)于其巧妙設(shè)計的各種空氣動力學(xué)測試和分析（點擊閱讀其論文），下面是這架革命性的直升機試飛的一些有趣視頻。
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