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準設計簡化到了極處，最大限度地去除了各種不同的發動機和零件，從而為未來開發更加經濟、可靠的直升機技術鋪平了道路。從這個角度看，James的設計意義非凡。
所以，這部直升機的與眾不同就在于驅動其升降的電機及運動部件的數量上。正如James在2013年在日本一次學術會議上發表的論文里提出的，傳統的直升機依靠大型螺旋槳發動機和兩三個小伺服電機來控制推力、俯仰和滾轉力和力矩。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，而姿態則是有每次旋轉時通過加上一個帶迎角的周期震蕩獲得。該環狀俯仰葉片的運動是由一個旋轉斜盤聯動裝置規范，并由兩到三個額外的伺服電機驅動的，有時會通過一個動力穩定平衡翼來增強。”
這帶來了許多設計上的挑戰。“一臺旋轉斜盤控制的共軸直升機必須為其四個致動器（兩個大轉速馬達、兩個旋轉斜盤伺服馬達）和一個復雜的連桿組件的質量、尺寸和成本預算找到空間。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想出的設計則巧妙地保留了常規直升機上所有這些控制上的優勢，而又顯著簡化了系統。“我們通過嵌入轉子的欠驅動機構驅動一個單一的螺旋槳和一個馬達產生推力、翻滾、俯仰。這使得新的常規微型飛行器，只需要兩個電機就可以控制。與此相反，許多伺服系統和常規直升機或四軸飛行器則需要許多驅動馬達。”
主電動機直接驅動直升機螺旋槳槳轂，其依次通過兩個巧妙設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，來改變葉片的俯仰。與使用帶穩定轉矩的電機驅動，我們在轉子旋轉的相位上添加了一個正弦分量以誘導周期性的俯仰變化。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生姿態矩飛行。其中必要的聯動可以通過增加一個簡單經濟的塑料改裝葉片來實現。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零部件的復雜控制系統，但James通過3D打印和從商店購買一些零部件就達到了設計要求�！膀寗与姍C是一個Park 400、12桿、740 Kv的無刷電機，可直接驅動大型螺旋槳。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。”
當然這樣的設計會使控制變得比一般常規的直升機更為復雜。盡管節省了發動機和其他部件，但這通常意味著其它方面的成本必然會上升。不過，James和他的教授認為：“動力設備的成本減少了，并轉移到了控制方面。 然后，我們可以利用先進的計算能力，減小體積、功耗和電子系統的成本。”
最重要的是，它是能夠發揮作用的。為了使其更有說服力，James在其論文中提交了關于其巧妙設計的各種空氣動力學測試和分析（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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