1.1 多旋翼飞行器的发展历程

历史的发展总是惊人的相似。多旋翼构型飞行器作为一种典型的旋翼航空器，同其他发展成熟的航空器一样，其发展历程也大致经历了三个时期，即萌芽期（1900年以前）、探索期（1907年至1957年）和发展期（1990年至今）。

1.1.1 萌芽期（1900年以前）

多旋翼飞行器的历史，最早可以追溯至中国晋朝（公元265年至420年）的竹蜻蜓。据葛洪《抱朴子》记述，“或用枣心木为飞车，以牛革结环剑，以引其机”。其中的“飞车”被认为是关于竹蜻蜓的最早记载。

古代的竹蜻蜓，其由竖向竹柄和横向叶片组成，呈“T”字形布局，双手一搓而后松手，即可飞入天空。最初，它只是一个普通的民间儿童玩具。然而，随着科技的不断进步，基于竹蜻蜓飞行原理的探索，人们创造出了现代旋翼飞行器。也正因为如此，竹蜻蜓被世界公认为是现代旋翼飞行器发展的最早雏形。

无巧不成偶！意大利的达·芬奇于1483年提出了天马行空的构想，即人通过不停地旋转螺旋桨而起飞的设计方案。虽然这种设计方案最终没能成功地实现离地飞行，但是它为现代旋翼飞行器的发明提供了发展方向。

时间漫步至1796年，受中国竹蜻蜓的启发，英国的乔治·凯利制作了世界上第一架共轴双旋翼飞行器。

随后，他于1809年在《论空中航行》的论文中破天荒地提出了物体在空中航行的力学基础，系统论述了空中飞行器的四种受力行为，即升力、重力、推力和阻力，这些重要论断为现代航空器的空中飞行奠定了理论发展基础。也正因为这种开创性的贡献，乔治·凯利被誉为“现代航空之父”。

受限于当时的科学技术水平，人类对天空的各种好奇和想象，大部分都局限在想象进入和替代进入的思维框架内。此外，在这种混沌无序的萌芽阶段，世界各国的发明家也是脑洞大开，贡献了许多的奇思妙想，比如1828年意大利萨尔蒂（Sarti）的共轴旋翼方案、1754年俄国罗蒙诺索夫（Lomonosov）的双旋翼方案、1845年法国的科苏斯（Cossus）三旋翼设计方案、1861年美国尼尔森（Nelson）的四旋翼专利方案、1886年法国凡尔纳（Verne）的多旋翼飞船方案等。

1.1.2 探索期（1907年至1957年）

第二次工业革命以来，内燃机的发明和使用，极大推动了当时生产力的发展，大幅提高了人们的生活水平。内燃机，作为一种化学能转变为机械能的装置，它广泛应用于社会各个领域，当然在航空领域也不例外。

得益于内燃机的发明和使用，这种能量转换装置能够突破地心引力的束缚，使得载人进入天空变成了可能。在查尔斯·里歇（Charles Richet）教授的指导下，法国布雷盖（Breguet）兄弟于1907年制造了世界第一架载人多旋翼飞行器，该机可运载1人，高3.7m，空机重量500kg，起飞重量578kg。它采用1台34kW的活塞发动机，拥有四副双旋翼，其旋翼直径为8m。

据史实记载，这架多旋翼于同年8、9月份进行了载人飞行试验，飞行高度约1.5m，飞行时间1分钟。虽然这次进入天空的载人飞行时间非常短暂，但是这次飞行开创了人类搭乘多旋翼飞行器进入天空的先河。

1920年至1924年期间，法国的艾蒂安奥米西恩（Etienne Oemichen）先后研制改进了多架多旋翼构型飞行器。据资料记载，第一架原型机在使用气球提供辅助升力条件下实现了离地飞行，第二架原型机在做了大量改进后成功实现了空中飞行，多次打破自己创造的飞行纪录，最大航程1km，最长飞行时间14分钟。

该机空机重量800kg，采用1台135kW的发动机，拥有四副单旋翼和八个螺旋桨，旋翼直径为2×7.6m/2×6.4m。虽然当时这种多旋翼构型实用性并不强，但是其垂直起降特点还是引起了多国军方的广泛兴趣。

大约在同一时期，苏联的乔治·德博特扎特（George de Bothezat）在美国空军的资助下，研制了一款四旋翼飞行器，该机最多可运载4人，长宽高19.8m×19.8m×3.05m，空机重量1678kg，起飞重量1700kg。它采用1台135kW的发动机，拥有四副单旋翼和八个螺旋桨，其旋翼直径8.08m。

据公开资料，该原型机于1922年期间进行了百余次飞行试验，最终可在9.1m高空悬停，飞行时间约3分钟。然而，由于当时发动机效率低，该机飞行性能差，实用性并不强，最终军方还是选择了放弃。

最是无聊怕空档！转眼30余年过去了，在多旋翼构型领域中，新技术几乎没有掀起一点波澜，平静得超乎寻常。终于，在20世纪50年代中期，多旋翼飞行器才迎来了一丝发展的曙光。1956年，美国的D. H.卡普兰研制了人类历史上第一架真正意义上的载人多旋翼飞行器。该原型机可运载1人，空机重量998kg，采用2台66kW的发动机，拥有四副单旋翼，旋翼直径为5.92m。

据相关资料，该原型机采用变距拉杆控制，在空中可实现悬停和机动飞行，但是其运载重量、飞行速度和最大航程等性能表现非常一般。与同时期其他构型飞行器相比，该机优势并不突出且劣势非常明显。在飞行性能望尘莫及的情况下，当时多旋翼构型也只能望洋兴叹，再度沉寂。

随后于1957年，在美国陆军的资助下，柯蒂斯－莱特（Curtiss－Wright）公司研制了一款名为“飞行吉普”的四旋翼飞行器。该机最多可运载2人，长宽高5.18m×4.87m×2.83m，空机重量771kg，起飞重量952kg。它采用1台320kW发动机，最大飞行速度达51km/h，飞行高度约60m。据参考资料，该公司在1958年先后研制了2架原型机，进行了大量的飞行试验，可轻松地实现空中悬停和大机动飞行。但是，由于其技术指标均未达到军方要求，因此该项目最后无奈地选择了清算下马。

好景不长！多旋翼飞行器随即又转入了一段更长时间的空档期，将近40年之久。究其原因，在笔者看来，主要有以下五种原因。其一，拉力载荷低，固定翼构型1kg推力可以拉起10kg重量，而多旋翼构型只能拉起与其推力1∶1的重量。其二，气动效率低，多旋翼构型迎风面积大，阻力系数高，气动阻力大。其三，控制稳定性差，传统机械操纵机构复杂，机构操纵协同响应慢。其四，桨叶半径不能无限扩大，根部易疲劳折断。其五，内燃机热效率有瓶颈，理论上不超过60%，而实际应用在30%左右。

1.1.3 发展期（1990年至今）

第三次科技革命以来，电子计算机的发明和应用，给人类社会带来广泛而深远的影响。电子信息、新能源和新材料等技术的不断革新，让人类许多以前的想象开始不再是遥不可及的向往。当然，人类对天空的想象也不例外。

受益于微机电系统的成熟应用和电池技术的不断突破，多旋翼构型的发展开始发生了重大变化，转向身姿更小的娱乐玩具领域。至此，多旋翼飞行器开启了一段以小型化为主的发展之旅。

以keyence gyrosaucer为代表的迷你四旋翼飞行器，首次在日本市场发布，就赢得了许多年轻爱好者的追捧。它全身采用泡沫材料制作，在室内可安全地飞行，飞行时间约3分钟，很像一只升级版的“竹蜻蜓”。随后，美国Mike Dammars公司、德国Silverlit公司和美国Dranganflyer公司也陆续推出了多旋翼产品。

随着玩具市场的不断深入和扩大，人们对多旋翼产品的娱乐性提出了更高的要求，比如精确悬停、智能操控等。于是，研究人员开始转向以飞行控制为核心的研究方向。

以德国Microdrones Gmbh公司推出的四旋翼MD4－200为例，它能在室内进行精确的悬停，并且可以实现半自主飞行，这也基本奠定了多旋翼构型的稳定控制技术基础。随着维杰·库马（Vijay Kumar）和拉菲尔·安德烈（Raffaello D'Andrea）两位教授先后在TED上的两次飞行演示，多旋翼的飞行控制技术也基本发展到了顶峰，如编队飞行、牵线拉网等。

面对控制性能如此优异的多旋翼飞行器，人们显然不愿意将它的应用局限在娱乐玩具领域。于是，多旋翼飞行器开始转变为以应用拓展为主的发展方向。2012年，大疆创新科技公司首开先河推出了一款名为精灵的航拍一体机。一经上市，就引爆了当时的国内外市场，成为现象级的热门消费类电子产品。紧接着，多旋翼飞行器应用领域不断被拓展，俨然呈现出百花齐放的局面。亿航智能在编队飞行领域翩翩起舞；零度智控在电力巡检领域自由摇曳；极飞科技在植保领域挥洒自如；空客公司在载人领域不遗余力，等等。