הרבה לפני שרחפנים עוד זמזמו לנו מעל הראש באמצעות מדחפים חזקים, ממריאים ונוחתים אנכית כמעט מכל משטח, היה שם המסוק.  עקרון הפעולה של מסוק די פשוט: מדחף אחד מסובב מספר להבים , ואלו דוחפים את האוויר בכיוון מטה. האוויר, בתורו, בתגובה דוחף את הלהבים כלפי מעלה כמתחייב מהחוק השלישי של ניוטון. לכח שדוחף את המדחף כלפי מעלה אנחנו קוראים כח עילוי.  (ראו איור 1).

הקושי עם מדחף אחד הוא שימור תנע זויתי: אם המדחף מסתובב בכיוון אחד, גוף המסוק יסתובב בכיוון השני (ראו איור 2). במסוקים, פתרו בעיה זו על ידי הוספת מדחף נוסף, קטן יותר, בזנב, שמפעיל כוח שמונע מהמסוק עצמו להסתובב (ראו איור 3).

הרחפנים החדשניים פועלים באופן די דומה. כל מדחף דוחף אוויר מטה ומייצר כח שמרים את הרחפן כלפי מעלה. כמו שמסוק בלי מדחף בזנב יסתובב סביב הציר של המדחף העליון, כך גם הרחפן: כל מדחף הוא גם ציר סביבו הרחפן היה מסתובב אם היה יכול. כדי למנוע את הסיבוב של הרחפן סביב מדחף מסוים, שני המדחפים שלידו מסתובבים בכיוון ההפוך. כל זוג מדחפים אלכסוניים מסתובבים באותה מהירות אבל בכיוונים שונים מהמדחפים באלכסון השני. כשיש מספר זוגי של מדחפים, כך שסה"כ מספר המדחפים שמסתובבים עם כיוון השעון שווה למספר שמסתובב נגד.התנע הזוויתי הכולל של הרחפן מתאפס (ראו איור 4) והרחפן רק יעלה וירד בהתאם למהירות המנועים. כשמהירות המנועים תגדל המדחפים יגרמו לרחפן לעלות, כשהיא תקטן, לרדת. במהירות שבה כח העילוי יהיה שווה למשקל  הרחפן הוא לא יעלה ולא ירד, אלא רק ירחף (איור 5) .

לרחפן יש בקר ששולט על מהירות הסיבוב של כל אחד מהמנועים. ניתן לשנות את המהירויות בנפרד וכך ליצור מצב שעל צד אחד של הרחפן פועל יותר כוח עילוי מאשר על הצד השני (ראה איור 6) במצב כזה הרחפן ייטה הצידה וסכום כוחות העילוי עליו לא יהיה כלפי מעלה, אלא באלכסון. במצב הזה חלק מכוח העילוי יאזן את משקל הרחפן וישאיר אותו באותו הגובה, וחלק ידחוף את הרחפן בכיוון הנטיה (ראה איור 7). כך ניתן להזיז את הרחפן קדימה, אחורה ימינה ושמאלה.

הטיית הרחפן תניע אותו לצדדים, אבל לא תגרום לו להסתובב. כלומר, אם לרחפן מצלמה קידמית והיא מכוונת לכיוון צפון, אם נזיז אותו ימינה כמו שמתואר בפסקה הקודמת הרחפן יחליק ימינה תוך שהמצלמה תשאר מכוונת לצפון. אם נרצה לסובב את הרחפן כך שהמצלמה תצלם בכיוון מזרח כל מה שצריך לעשות זה להפסיק את ה"איפוס" של התנע הזוויתי. אם זוג מדחפים באלכסון יסתובבו מהר יותר מהזוג השני (זיכרו - האלכסונים מסתובבים בכיוונים מנוגדים), אז יהיה יותר תנע בכיוון הסיבוב הזה, והרחפן יסתובב (ראו איור 8).

בשנים האחרונות מדברים על שימושים נוספים לרחפנים: משלוח חבילות או אפילו הסעת אנשים. השימושים האלה בעייתיים משתי סיבות עיקריות. הראשונה היא שרחפן דורש הרבה אנרגיה כדי להשאר באוויר ולנוע. רחפן הוא "בזבזני" יחסית למטוס ולכן רחפני שעשוע חשמליים מחזיקים מעמד בדרך כלל כרבע שעה בין טעינה לטעינה. רחפנים מקצועיים יותר יוכלו להחזיק באוויר זמן ארוך יותר, אבל עדיין לא מספיק בשביל להחליף את הטנדרים של חברות השילוח. פתרון אפשרי לבעיה הזו שאליו הולך הפיתוח היום הוא כלי משולב: ממריא ונוחת עם ארבע מדחפים כמו רחפן אבל טס עם כנפיים כמו מטוס.

הבעיה השניה שמונעת מאיתנו לראות שימושים מסחריים כבדים של רחפנים כמו הסעת בני אדם היא בעיית הבקרה האוירית והרישוי. כלי טייס שמסיעים נוסעים ומטענים כבדים זקוקים לאישור להמריא, והם אמורים להשאר בנתיבי טיסה מוגדרים. בקרה אוירית על צי רחפנים במקביל לבקרה על מטוסי נוסעים ומסע הוא אתגר שמדענים ומהנדסים עדיין לא פתרו. נחכה ונראה.

לקריאה נוספת:

[1] על כח עילוי (מאתר נאס"א)

[2] Hoffmann, Gabriel, et al. "Quadrotor helicopter flight dynamics and control: Theory and experiment." AIAA guidance, navigation and control conference and exhibit. 2007.

[3] Bouabdallah, Samir, Pierpaolo Murrieri, and Roland Siegwart. "Design and control of an indoor micro quadrotor." IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04. 2004. Vol. 5. IEEE, 2004.