Multicopter: hoe meerdere rotoren drones en luchttaxi's laten vliegen
Een multicopter is een luchtvaartuig dat zijn lift en besturing volledig haalt uit meerdere, apart aangedreven rotoren: doorgaans vier, maar soms zes, acht of nog meer. Vrijwel iedereen kent inmiddels wel het bekendste voorbeeld: de kleine drone met vier propellers die met een smartphone wordt bestuurd en foto's of video's vanuit de lucht maakt. Dat principe van meerdere rotoren die samenwerken is niet alleen voor speelgoed of camera's bedacht; het vormt ook de basis van bezorgdrones die pakketjes afleveren en van experimentele 'luchttaxi's' die op termijn mensen door de stad zouden moeten vervoeren.
Vergelijk een multicopter met een tafel die op vier poten staat in plaats van op één centrale zuil. Eén poot iets bijstellen is genoeg om de tafel recht te zetten, zonder dat er iets ingewikkelds hoeft te kantelen of te draaien. Bij een multicopter werkt het net zo: door het toerental van losse rotoren subtiel te verhogen of te verlagen, houdt het toestel zichzelf in balans en stuurt het bij. Die eenvoud, gecombineerd met snelle elektronica die dat bijsturen continu overneemt, is precies waarom multicopters de afgelopen vijftien jaar zo'n vlucht hebben genomen.
Wat is het precies?
Een traditionele helikopter heeft één grote hoofdrotor waarvan de bladen tijdens het draaien voortdurend van hoek veranderen. Dat gebeurt via een mechaniek dat swashplate heet: een schuin instelbare schijf die ervoor zorgt dat elk rotorblad op het juiste moment in de rondgang net iets meer of minder lift levert. Dat is een precies en relatief kwetsbaar systeem met veel bewegende onderdelen die slijten en onderhoud vragen.
Een multicopter doet het anders. De rotorbladen staan vast in hun hoek (fixed-pitch); er is geen swashplate. In plaats daarvan wordt alles geregeld door het toerental (de draaisnelheid, in rotaties per minuut, oftewel RPM) van elke rotor apart aan te passen. Willen alle rotoren samen meer lift leveren om te stijgen, dan draaien ze allemaal iets sneller. Voor dalen draaien ze allemaal iets langzamer.
Voor zijwaartse beweging of kantelen werkt het differentieel: de rotoren aan één kant draaien iets sneller dan die aan de andere kant. Dat kleine verschil in lift kantelt het toestel, waardoor de totale stuwkracht schuin komt te staan en het vaartuig die kant op beweegt. Draaien om de eigen verticale as (yaw genoemd) wordt mogelijk doordat de helft van de rotoren met de klok mee draait en de andere helft tegen de klok in. Door die twee groepen niet even hard te laten draaien ontstaat een netto koppel dat het toestel om zijn as laat draaien, zonder dat er een aparte staartrotor zoals bij een helikopter nodig is.
Al die kleine correcties, tientallen keren per seconde, worden niet door een mens uitgevoerd maar door een flight controller: een klein computertje met een gyroscoop (die draaibewegingen meet) en een versnellingsmeter, samen een inertial measurement unit of IMU genoemd. Zonder die elektronica is een multicopter vrijwel niet met de hand te vliegen, omdat hij van nature instabiel is. Vaak komen daar nog gps en een luchtdruksensor (voor hoogtemeting) bij, waarmee het toestel automatisch stil in de lucht kan hangen of een vooraf ingestelde route kan volgen.
Het aantal rotoren geeft de naam: een tricopter heeft er drie, een quadcopter vier (verreweg de gangbaarste vorm), een hexacopter zes en een octocopter acht. Meer rotoren betekenen meer redundantie: valt er één motor uit, dan kunnen de overige vaak nog genoeg controle bieden om veilig te landen. De keerzijde is meer gewicht, meer complexiteit en meer energieverbruik, wat vooral bij grotere, bemande ontwerpen zwaar weegt.
Wat wil men ermee bereiken?
De onderliggende belofte van de multicopter is simpel: een toestel dat verticaal kan opstijgen en landen (VTOL, verticaal opstijgen en landen) zonder de dure en onderhoudsgevoelige mechaniek van een klassieke helikopter. Omdat er geen swashplate en nauwelijks bewegende mechanische onderdelen nodig zijn, is een multicopter goedkoop te bouwen en relatief eenvoudig te miniaturiseren. Precies dát heeft de drone-revolutie van de afgelopen jaren mogelijk gemaakt: van speelgoed tot professionele camera- en inspectiedrones.
De toepassingen liggen inmiddels op straat: luchtfotografie en film, inspectie van bijvoorbeeld windmolens, bruggen of hoogspanningsmasten, precisielandbouw waarbij drones gewassen besproeien of in kaart brengen, en pakketbezorging over korte afstanden. Er is echter een grotere, nog niet ingeloste belofte: stedelijke luchtmobiliteit, waarbij multicopters als elektrische, relatief stille luchttaxi's kort verkeer in en tussen steden zouden kunnen overnemen en zo de weg zouden kunnen ontlasten.
Een bijkomend voordeel is dat de besturing volledig digitaal en elektronisch is, wat zich goed leent voor verdere automatisering. Dat maakt het op termijn makkelijker om multicopters (deels) autonoom te laten vliegen, zonder dat een piloot voortdurend handmatig hoeft bij te sturen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is de reeks consumentendrones van het Chinese DJI, met modellen als de Phantom (sinds ongeveer 2013) en later de compactere Mavic-serie. Deze quadcopters maakten drones betaalbaar en gebruiksvriendelijk voor een breed publiek en gelden nog altijd als marktleider in hun segment.
Datzelfde DJI bouwt met de Agras-serie ook landbouwdrones: grotere multicopters die met tanks aan boord gewassen bespuiten met bestrijdingsmiddelen of meststoffen, en die inmiddels op grote schaal worden ingezet in de landbouw, met name in Azië.
Het Duitse bedrijf Wingcopter ontwikkelt bezorgdrones die verticaal kunnen opstijgen maar tijdens de vlucht ook voorwaarts kunnen bewegen als een vliegtuig. Het bedrijf heeft onder meer meegewerkt aan proefprojecten voor medicijn- en vaccinbezorging in afgelegen gebieden, waaronder projecten in Afrika en op eilandstaten in de Stille Oceaan zoals Vanuatu.
Op het gebied van bemand vervoer werkt het Duitse Volocopter al jaren aan de VoloCity, een multicopter met meerdere kleine rotoren die is ontworpen om één of twee passagiers kort door een stad te vervoeren. Het bedrijf gold lange tijd als een van de koplopers in deze sector, maar kwam eind 2024 naar verluidt in ernstige financiële problemen; de precieze uitkomst daarvan was ten tijde van schrijven niet met zekerheid vast te stellen en verdient het om bij actuele bronnen te worden nagetrokken.
Het Chinese EHang gaat een stap verder met de EH216-S, een onbemande, autonome passagiers-multicopter zonder piloot aan boord. Dit toestel kreeg in 2023 een typecertificering van de Chinese luchtvaartautoriteit CAAC, een belangrijke mijlpaal, en heeft sindsdien demonstratie- en toerismevluchten uitgevoerd in China.
Hoe ver is de techniek?
Voor kleine consumenten- en landbouwdrones is de techniek inmiddels volwassen: ze worden in de miljoenen geproduceerd en dagelijks professioneel en particulier ingezet. Hier is de multicopter geen toekomstbelofte meer, maar gangbare technologie.
Bezorgdrones bevinden zich in een groeifase, maar nog altijd op relatief kleine schaal. Belangrijke obstakels zijn regelgeving rond vliegen boven bewoond gebied, geluidsoverlast en de beperkte actieradius die batterijen toestaan.
Bij bemande eVTOL-multicopters (electric vertical take-off and landing, elektrisch verticaal opstijgende en landende toestellen) staat de ontwikkeling nog vroeg in de schoenen. De belangrijkste hindernissen zijn de energiedichtheid van batterijen, die het bereik en het toelaatbare gewicht aan boord beperkt, de extreem strenge veiligheids- en certificeringseisen die gelden zodra er mensen aan boord zijn, het ontbreken van infrastructuur zoals vertiports (landingsplekken speciaal voor dit soort toestellen), geluidshinder rond woongebieden en de vraag hoe deze toestellen veilig in het bestaande luchtruim passen.
Voor zover bekend heeft geen enkel puur multicopter-ontwerp, dus zonder kantelbare rotoren zoals bij concurrenten Joby of Archer, tot dusver een volledige typecertificering voor passagiersvervoer gekregen van de Europese EASA of de Amerikaanse FAA. China loopt hierin voorop met de certificering van EHang, maar ook daar gaat het vooralsnog vooral om beperkte, deels demonstratieve inzet en niet om een volwaardig, grootschalig vervoersnetwerk. De financiële problemen bij een voorloper als Volocopter laten bovendien zien dat ook het verdienmodel van luchttaxi's nog allerminst bewezen is.
Wie werken eraan?
Aan de commerciële kant is DJI uit China al jaren marktleider in consumenten- en professionele drones. Voor bemand luchtvervoer gelden vooral het Duitse Volocopter en het Chinese EHang als voorlopers, elk met een eigen aanpak: Volocopter zet in op een bemande luchttaxi, EHang juist op volledig onbemande, autonome vluchten. Op het gebied van bezorging is het Duitse Wingcopter actief, naast initiatieven zoals Wing, een dochterbedrijf van Alphabet (het moederbedrijf van Google), dat in verschillende landen pakketbezorging met drones test.
Op onderzoeksgebied doet TU Delft via het Micro Air Vehicle Laboratory (MAVLab) al langer onderzoek naar drone- en multicoptertechnologie, onder meer gericht op autonome navigatie. In de Verenigde Staten verricht ruimtevaartorganisatie NASA onderzoek naar wat wel Urban Air Mobility wordt genoemd: hoe elektrische VTOL-toestellen, waaronder multicopters, veilig in stedelijk luchtruim zouden kunnen worden geïntegreerd.
Het tempo van deze ontwikkelingen wordt in belangrijke mate bepaald door luchtvaartautoriteiten. In Europa is dat de EASA, in de Verenigde Staten de FAA en in China de CAAC. Hun regels voor certificering en toelating bepalen uiteindelijk of, en wanneer, multicopters verder mogen opschalen van drone naar volwaardig vervoermiddel.