Квадрокоптер , также называемый квадрокоптером или квадрокоптером [1] — это тип вертолета или мультикоптера , имеющий четыре ротора . [2]
Хотя вертолеты и конвертопланы с квадрокоптерами уже давно летали экспериментально, эта конфигурация оставалась диковинкой до появления современных беспилотных летательных аппаратов или дронов. Небольшие размеры и низкая инерция дронов позволяют использовать особенно простую систему управления полетом, что значительно повысило практичность малого квадрокоптера в этом применении.
Каждый ротор создает подъемную силу и крутящий момент вокруг своего центра вращения, а также сопротивление, противоположное направлению полета транспортного средства.
Квадрокоптеры обычно имеют два ротора, вращающихся по часовой стрелке (CW) и два против часовой стрелки (CCW). Управление полетом обеспечивается независимым изменением скорости и, следовательно, подъемной силы и крутящего момента каждого ротора. Тангаж и крен контролируются изменением чистого центра тяги , а рыскание контролируется изменением чистого крутящего момента . [3]
В отличие от обычных вертолетов, квадрокоптеры обычно не имеют циклического управления шагом, при котором угол лопастей динамически изменяется по мере их вращения вокруг втулки ротора. В первые дни полетов квадрокоптеры (тогда их называли либо квадрокоптерами , либо просто вертолетами ) рассматривались как возможное решение некоторых постоянных проблем вертикального полета. Проблемы управления, вызванные крутящим моментом (а также проблемы эффективности, возникающие из-за хвостового винта , который не создает полезной подъемной силы), можно устранить путем встречного вращения, а относительно короткие лопасти намного проще в изготовлении. Ряд пилотируемых конструкций появился в 1920-х и 1930-х годах. Эти аппараты были одними из первых успешных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой тяжелее воздуха (VTOL) . [4] Однако ранние прототипы страдали от плохой производительности, [4] а более поздние прототипы требовали слишком большой рабочей нагрузки пилота из-за плохого увеличения устойчивости [5] и ограниченных полномочий управления.
Если все четыре ротора вращаются с одинаковой угловой скоростью , при этом два вращаются по часовой стрелке, а два — против часовой стрелки, то чистый крутящий момент вокруг оси рыскания равен нулю, что означает, что нет необходимости в хвостовом роторе, как на обычных вертолетах. Рыскание вызывается несоответствием баланса аэродинамических крутящих моментов (т. е. смещением кумулятивных команд тяги между парами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях). [6] [7]
Все квадрокоптеры подчиняются обычной аэродинамике винтокрылых машин, включая состояние вихревого кольца . [ необходима ссылка ]
Основные механические компоненты — фюзеляж или рама, четыре ротора (фиксированного или переменного шага ) и двигатели. Для лучшей производительности и простейших алгоритмов управления двигатели и пропеллеры расположены на одинаковом расстоянии. [8]
Чтобы обеспечить большую мощность и устойчивость при меньшем весе, квадрокоптер, как и любой другой мультиротор, может использовать конфигурацию соосных роторов . В этом случае каждая рука имеет два двигателя, работающих в противоположных направлениях (один направлен вверх, а другой вниз). [ необходима цитата ]
Конфигурация квадрокоптера относительно проста в программировании для автономного полета. Это позволило экспериментировать со сложным поведением роения, основанным на базовом зондировании соседних дронов. [ необходима цитата ]
Самое длительное время полета, достигнутое квадрокоптером на аккумуляторе, составило 2 часа 31 минуту и 30 секунд. Рекорд был установлен Фердинандом Кикингером из Германии в 2016 году. [9] При установлении рекорда Кикингер использовал литий-ионные аккумуляторы с низкой скоростью разряда и большой емкостью и избавил планер от ненужного веса, чтобы снизить потребление энергии и увеличить выносливость. [10]
Альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы и гибридные газоэлектрические генераторы, использовались для значительного увеличения срока службы из-за повышенной плотности энергии как водорода, так и бензина соответственно. [11]
Первым летательным аппаратом тяжелее воздуха, взлетевшим вертикально, был четырехроторный вертолет, разработанный Луи Бреге . Он был испытан только в привязном полете и на высоте нескольких футов. В 1908 году сообщалось, что он летал «несколько раз», хотя подробности скудны. [12]
Этьен Охмихен экспериментировал с конструкциями винтокрылых машин в 1920-х годах. Среди испытанных им конструкций был Охмихен № 2, в котором использовались четыре двухлопастных ротора и восемь пропеллеров, все приводимые в движение одним двигателем. Угол наклона лопастей ротора можно было изменять путем деформации. Пять пропеллеров, вращающихся в горизонтальной плоскости, стабилизировали машину в поперечном направлении. Еще один пропеллер был установлен на носу для управления. Оставшаяся пара пропеллеров функционировала как ее передний движитель. Самолет продемонстрировал значительную степень устойчивости и возросшую точность управления для своего времени и совершил более тысячи испытательных полетов в середине 1920-х годов. К 1923 году он мог оставаться в воздухе в течение нескольких минут за раз, а 14 апреля 1924 года он установил первый в истории рекорд дальности полета FAI для вертолетов — 360 м (390 ярдов). Он продемонстрировал способность совершать круговой полет [13], а позднее совершил первый полет по замкнутому контуру протяженностью 1 км (0,62 мили) для винтокрылого аппарата.
Доктор Джордж де Ботезат и Иван Джером разработали вертолет де Ботезат с шестилопастными роторами на конце Х-образной конструкции. Два небольших пропеллера с изменяемым шагом использовались для управления тягой и рысканием. Аппарат использовал управление общим шагом. Построенный Воздушной службой армии США , он совершил свой первый полет в октябре 1922 года. К концу 1923 года было совершено около 100 полетов. Самая высокая высота, которой он когда-либо достигал, составляла около 5 м (16 футов 5 дюймов). Несмотря на демонстрацию осуществимости, он был недостаточно мощным, неотзывчивым, механически сложным и подверженным проблемам с надежностью. Рабочая нагрузка пилота была слишком высокой во время висения, чтобы попытаться выполнить боковое движение.
Модель A Quadrotor компании Convertawings должна была стать прототипом для линейки гораздо более крупных гражданских и военных вертолетов. Конструкция включала два двигателя, приводящих в движение четыре ротора через систему клиновых ремней. Хвостовой ротор не требовался, а управление достигалось путем изменения тяги между роторами. [14] Многократно летавший с 1956 года, этот вертолет доказал конструкцию квадрокоптера, а также стал первым четырехроторным вертолетом, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Однако из-за отсутствия заказов на коммерческие или военные версии проект был прекращен. Компания Convertawings предложила модель E, которая имела бы максимальный вес 42 000 фунтов (19 т) с полезной нагрузкой 10 900 фунтов (4,9 т) на расстояние более 300 миль и скорость до 173 миль в час (278 км/ч). Бесподшипниковый ротор Hanson Elastic Articulated (EA) появился в результате работы, проделанной в начале 1960-х годов в Lockheed California Томасом Ф. Хансоном, который ранее работал в Convertawings над конструкцией ротора и системой управления квадрокоптера. [15] [16]
Проект Gloster Crop Sprayer 1960 года был ранним примером беспилотного квадрокоптера. Его 20-галлонный полезный груз, работающий на 105-сильном 4-цилиндровом двигателе воздушного охлаждения Potez 4E, выгружался через 22-футовую штангу распылителя. Два оператора несли маяки самонаведения на противоположных концах полосы распыления, так что квадрокоптер всегда наводился на маяк и не промахивался. Однако, несмотря на значительно упрощенную конструкцию и эксплуатационные требования по сравнению с пилотируемой машиной, правление материнской компании отказалось разрабатывать его, и он остался бумажным проектом. [17]
Curtiss -Wright VZ-7 1958 года был самолетом вертикального взлета и посадки, разработанным Curtiss-Wright в рамках конкурса на "летающий джип" для Транспортного и исследовательского командования армии США. VZ-7 управлялся путем изменения тяги каждого из четырех роторов вентилятора в канале.
Piasecki PA-97 представлял собой предложение большого гибридного самолета, в котором четыре фюзеляжа вертолета были объединены с дирижаблем легче воздуха, представленное в 1980-х годах.
Концепция Bell Boeing Quad TiltRotor развивает концепцию фиксированного квадрокоптера, объединяя ее с концепцией наклонного ротора для предлагаемого военного транспортного самолета размером с C-130.
Airbus разрабатывает работающий на аккумуляторах квадрокоптер, который будет использоваться в качестве городского воздушного такси, сначала с пилотом, но в будущем потенциально автономный. [18]
В первые десятилетия 2000-х годов компоновка квадрокоптера стала популярной для малогабаритных беспилотных летательных аппаратов или дронов. Потребность в летательных аппаратах с большей маневренностью и способностью зависать привела к росту исследований квадрокоптеров. Четырехроторная конструкция позволяет квадрокоптерам быть относительно простыми по конструкции, но при этом очень надежными и маневренными. Исследования продолжают расширять возможности квадрокоптеров за счет достижений в области многоцелевой связи, исследования окружающей среды и маневренности. Если эти развивающиеся качества можно будет объединить, квадрокоптеры будут способны выполнять передовые автономные миссии, которые в настоящее время невозможны с другими транспортными средствами. [19]
Хотя небольшие игрушечные дистанционно управляемые квадрокоптеры производились в Японии уже в начале 1990-х годов, первый квадрокоптер с камерой, произведенный в значительных количествах (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, позже также Draganflyer I, канадский стартап Draganfly), был разработан только в 1999 году. [20] [21]
Примерно с 2005 по 2010 год достижения в области электроники позволили производить дешевые легкие контроллеры полета, акселерометры ( IMU ), глобальную систему позиционирования и камеры. Это привело к тому, что конфигурация квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов . Благодаря своим небольшим размерам и маневренности эти квадрокоптеры могут летать как в помещении, так и на открытом воздухе. [1] [22]
Для небольших дронов квадрокоптеры дешевле и долговечнее обычных вертолетов из-за их механической простоты. [23] Их меньшие лопасти также выгодны, поскольку обладают меньшей кинетической энергией, что снижает их способность наносить ущерб. Для небольших квадрокоптеров это делает транспортные средства более безопасными для близкого взаимодействия. Также можно оснастить квадрокоптеры защитными кожухами, которые закрывают роторы, что еще больше снижает потенциальный ущерб. [2] Однако по мере увеличения размера квадрокоптеры с фиксированным винтом приобретают недостатки по сравнению с обычными вертолетами. Увеличение размера лопасти увеличивает их импульс. Это означает, что изменение скорости лопасти занимает больше времени, что отрицательно влияет на управление. Вертолеты не испытывают этой проблемы, поскольку увеличение размера диска ротора не оказывает существенного влияния на способность контролировать шаг лопасти.
Благодаря простоте конструкции и управления квадрокоптеры пользуются популярностью среди любительских авиамоделей . [24] [25]
На протяжении всего 21 века были зарегистрированы случаи использования квадрокоптеров для преступной деятельности. Из-за строительства стены на границе Мексики и США некоторые наркокартели прибегли к использованию квадрокоптеров для контрабанды наркотиков. [26] Однако квадрокоптеры не обязательно только переправляют наркотики через границу, но есть также случаи, когда оружие и другие запрещенные предметы провозятся контрабандой в тюрьмы по всему миру. [27]
Преступления с использованием квадрокоптеров также происходят в Европе. В августе 2021 года полицейский в Чешской Республике изъял квадрокоптер, который перевозил пакет метамфетамина . [28]
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )