無人機這麼火，一文帶你瞭解它的飛行原理

編者按：對於一項新科技，圍觀總是多於實幹，無人機也不例外。但隨著無人機成本的降低，相當一批人開始入手，並應用到旅遊、直播、救災等場景中。無人機進入消費領域。本文作者Rhett Allain是路易士安納大學的物理學教授，他在“How Do Drones Fly? Physics, of Course!”一文中分享了一些關於無人機飛行的物理原理，從而使我們能夠更好地理解無人機。

無人機的發展正處於風口，市場價格也不是很貴。我擁有一架，並用它來拍我的狗和其他一些東西。在下文，我要談到的是帶有四個旋翼的遙控型無人機，而不是科學家用來研究氣候變化且價格昂貴的大型無人機。

相比大型無人機，小型無人機操作起來很是方便。熟練的操作者可以使其往任意方向飛行，從而更好地滿足拍攝需要。那麼，無人機的飛行原理是什麼？

垂直運動

無人機利用旋翼實現前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉地越快，升力就越大，反之亦然。

現在的無人機能夠做三件事情：懸停、爬升和降低。當懸停時，無人機四個旋翼產生的推力等於向下的重力。這非常容易理解。那麼如何實現爬升？增加四個旋翼的推力從而產生一個大於重力的向上的力。在該動作完成之後，無人機的推力可以相對減少，但為了使其繼續向上飛行，那麼仍必須保證向上的力要大於向下的力。使無人機降低的要求則相反：需要減少旋翼的推力速度，此時合力向下。 

旋轉

如何使一個正在朝北飛的無人機掉頭向南飛？此時旋翼的運動原理又是什麼？

如圖所示，紅色的旋翼呈逆時針旋轉，綠色的旋翼呈順時針旋轉。當這兩組旋翼向相反方向旋轉時，無人機的總動力為零。角動力值與線性動力值很像，可以用角速度乘慣性矩計算得出。可以說，角動力取決於旋翼旋轉的速度。

假設紅色旋翼有一個值為正的角動量，而綠色旋翼有一個值為負的角動量，每個旋翼的值分為+2、+2、-2、-2，那麼此時所有的力加起來為零。無人機即能實現懸停。

而要使無人機向右轉，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來自旋翼1的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等於向下的重力，所以無人機會下降。那麼，如何使無人機在改變方向時保持高度不變？

降低旋翼1和3旋轉速度的同時，增加旋翼2和4的旋轉速度。此時旋翼的角動力仍然不為零，所以無人機能夠旋轉。而總力仍然等於重力，則無人機能夠保持在同一高度。由於向同一方向旋轉的旋翼角為對角，所以無人機仍然可以保持平衡。

向前飛行和側向飛行

無人機向前和向後的運動原理有什麼區別？其實沒有，因為無人機是對稱的。這同樣適用于側向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向後或向兩側移動的問題。

那麼具體該如何操作？

增加旋翼3和4的旋轉速率，降低旋翼1和2 的速率。此時，總推力與重量相等，因此無人機能夠保持高度不變。此外，由於一個位於後方的旋翼是逆時針旋轉，而另一個為順時針旋轉，所以增加的旋轉力仍然會為零，前方的旋翼情況相同。所以整體上無人機的方向不會改變。然而，無人機後部旋翼所增加的力會使其向前傾斜，因此應該稍微增加所有旋翼的推力從而產生一個淨推力，其中的一個分力可以用來平衡重量和向前運動的力。

學會使用電腦系統

操作無人機的每個動作都是通過改變一個或多個旋翼的轉速完成，為了用一個控制器控制全部旋翼要善用某種電腦控制系統。此外，無人機的加速器和陀螺儀可以對每個旋翼進行微調，從而進一步提高飛行的簡易性和穩定性。所以如果讓電腦系統完成所有的工作，那麼操縱無人機則相當容易。

理解無人機的飛行原理是不是很有趣？

編譯組出品。編輯：郝鵬程

（文/ 木木子）

（發佈/韋康）