Кіріспе
Төрт роторлы тікұшақ
Квадрокоптер, сондай-ақ квадрокоптер немесе квадротор деп аталады.
Дәстүрлі тікұшақтардан өзгеше, квадрокоптерлерде әдетте циклдық қанат бұрылысын басқару болмайды, онда қанаттардың бұрышы ротордың ортасымен айналғанда динамикалық түрде өзгереді. Ұшудың бастапқы кезеңдерінде квадрокоптерлер (сол кезде квадроторлар немесе жай ғана тікұшақтар деп аталған) тік ұшудағы кейбір мәселелерді шешуге қабілетті шешім ретінде қарастырылды. Моментке байланысты басқару қиындықтары (сондай-ақ, пайдалы көтергіш күшін жаратпайтын, құйрық роторынан туындайтын тиімділік мәселелері) қарсы айналу арқылы жойылуы мүмкін, ал салыстырмалы түрде қысқа қанаттарды жасау әлдеқайда оңай. 1920-1930 жылдары бірнеше адамдармен басқарылатын конструкциялар пайда болды. Бұл көліктер ауырлығы бар, тік ұшып-қонуға және қонуға қабілетті (VTOL) көліктердің алғашқы сәтті мысалдарының бірі болды. Дегенмен, алғашқы прототиптердің өнімділігі нашар болды және басқару мүмкіндігі шектеулі еді.
Дәнекерлеу
Егер төрт ротор бірдей бұрыштық жылдамдықпен айналса, екеуі сағат тілі бойынша, екеуі сағат тіліне қарсы айналса, бұрылыс осінің айналасындағы жалпы айналу моменты нөлге тең болады, демек, дәстүрлі тікұшақтардағыдай құйрық роторы қажет емес. Бұрылыс аэродинамикалық моменттердің теңгерімізді өзгерткенде (яғни, қарсы бағытта айналатын қанат жұптарының жиынтық итеру күшіне бұйрықтарды өзгерту арқылы) туындайды.
Вортекстік сақинаның күйі
Барлық квадрокоптерлер қалыпты роторлық аэродинамика заңдылықтарына бағынады, оның ішінде шұңқыр сақинасы күйі де бар.
Механикалық құрылым
Негізгі механикалық компоненттер – фюзеляж немесе рама, төрт ротор (қалыпты немесе өзгермелі қанатты) және қозғалтқыштар. Оңтайлы өнімділік және ең қарапайым басқару алгоритмдері үшін қозғалтқыштар мен қанаттар бір-бірінен тең қашықтықта орналасқан.
Коаксиалдық роторлар
Қуаттылығы мен тұрақтылығын арттырып, салмақты азайту үшін квадрокоптер, кез келген басқа мультиротор сияқты, коаксиалды ротор конфигурациясын қолдануы мүмкін. Бұл жағдайда әрбір қолда қарама-қарсы бағытта жұмыс істейтін екі мотор болады (біреуі жоғары, біреуі төмен қаратылған).
Автономды ұшу
Квадрокоптердің конфигурациясы автономды ұшу үшін бағдарламалау оңай. Бұл, жақын орналасқан дрондарды қарапайым сезіну негізінде күрделі ұйымдасқан әрекеттерді зерттеуге мүмкіндік берді.
Шыдамдылық
Батареямен жұмыс істейтін квадрокоптердің ең ұзақ ұшу уақыты 2 сағат, 31 минут және 30 секундті құрады. Бұл рекордты 2016 жылы неміс Фердинанд Кикингер орнатты. Рекордты орнату үшін Кикингер төмен зарядталу жылдамдығымен, жоғары сыйымдылыққа ие литий-ионды батареяларды пайдаланды және қуат тұтынуын азайту және ұшу мерзімін ұзарту үшін ұшақтың корпусын қажетсіз салмақтан тазартып, жеңілдетті. Сутек отын жасушалары және гибридтік газ-электр генераторлары сияқты баламалы қуат көздері сутек пен бензиннің энергия тығыздығының жоғары болуының арқасында ұшу мерзімін едәуір ұзарту үшін қолданылды.
Басты жолшылар
Ауадан ауыр әуе жүзі тік ұшып көтерілген алғашқы төрт роторлы тікұшақ Луи Бреге жобалаған. Ол тек байлаулы ұшу кезінде және бірнеше фут биіктікте сынақтан өтті. 1908 жылы ол "бірнеше рет" ұшқан деп хабарланды, бірақ толық мәліметтер аз. Этьен Оехмишен 1920 жылдары роторлық ұшақтардың түрлі жобаларын сынады. Ол сынаған жобалардың бірі – «Оехмишен No. 2» болды, ол төрт екі лопасты ротор және сегіз винттен тұрды, барлығы бір қозғалтқышпен итермеленді. Ротор лопастарының бұрышы бұрмалау арқылы өзгертілуі мүмкін. Горизонталь жазықтықта айналатын бес винт машинаны бүйінен тұрақтандырды. Басқа винт мұрын бөлігіне бағыттау үшін орнатылған. Қалған екі винт алға жылдамдық беру үшін қолданылды. Ұшақ сол кездегідей тұрақтылық пен басқарудың жоғары дәлдігін көрсетті және 1920 жылдардың ортасында мыңнан астам сынақ ұшуларын жасады. 1923 жылға қарай ол бірнеше минут бойы ауада қалуға қабілетті болды, ал 1924 жылдың 14 сәуірінде тікұшақтар үшін FAI қашықтык рекордын тұңғыш рет орнатты. Ол дөңгелек жолды аяқтауға және кейіннен роторлық ұшақпен алғашқы жабық контурлы ұшуды аяқтауға қабілетті екенін көрсетті. Доктор Джордж де Ботезат пен Иван Жером X тәрізді құрылымның ұштарында алты лопасты роторлары бар de Bothezat тікұшағын жасады. Итеру және жарық басқару үшін өзгертілмелі қанаттары бар екі кішкентай винт қолданылды. Көлік ұжымдық қанатты басқару жүйесін пайдаланды. АҚШ армиясының әуе күштерімен салынған, ол 1922 жылдың қазан айында алғашқы ұшуын жасады. 1923 жылдың соңына дейін шамамен 100 ұшу орындалды. Ол мүмкіндігін көрсеткенімен, жеткіліксіз қуатты, жауап бермейтін, механикалық тұрғыдан күрделі және сенімділік мәселелеріне бейім болды. Ұшқыштың жұмыс жүктемесі ауада тұру кезінде көлденең қозғалыс жасауға тырысуға тым жоғары болды.
Соғыстан кейінгі кезең
Convertawings Model A Quadrotor – үлкен азаматтық және әскери тікұшақтардың прототипі болжаныпты. Дизайн екі қозғалтқышты қамтиды, олар V белдіктер жүйесі арқылы төрт роторды қозғалтады. Артында ротор қажет болмады, ал роторлар арасындағы итермелеуді өзгерту арқылы басқару жүзеге асырылды. 1956 жылдан бері көп рет ұшқан бұл тікұшақ квадротор конструкциясын дәлелдеді, сондай-ақ алға қарай сәтті ұшуды көрсеткен алғашқы төрт роторлы тікұшақ болды. Бірақ коммерциялық немесе әскери нұсқаларға тапсырыс түспегендіктен, жоба тоқтатылды. Convertawings 300 мильден астам ұшу қашықтығымен және 300 шақырымға дейін жете алатын Model E-ді ұсынды. Hanson Elastic Articulated (EA) подшипниксіз роторы 1960 жылдардың басында Lockheed California-да Томас Ф. Хансон жасаған жұмыстың нәтижесінде пайда болды, ол бұрын Convertawings-те квадротордың ротор дизайны мен басқару жүйесінде жұмыс істеген. 1960 жылғы Gloster Crop Sprayer жобасы квадрокоптердің ерте мысалы болды. 105 а.к. қуатты, ауамен салқындатылатын төрт цилиндрлі Potez 4E қозғалтқышымен жабдықталған, оның 20 галлондық жүктемесі 22 футтық шашырату құбығы арқылы шығарылды. Екі оператор шашырату бағытының екі басында бағытталған маяктарды алып жүрді, сонда квадрокоптер әрқашан маякқа бағытталып, одан асып кетпеуі керек еді. Дегенмен, пилоттық машинамен салыстырғанда, дизайн мен пайдалану талаптарын қысқартқанға қарамастан, бас компания кеңесі оны дамытудан бас тартты және ол қағаз жоба болып қалды. Curtiss Wright VZ 7 1958 жылы Curtiss Wright компаниясымен жобаланған VTOL ұшағы болды. Ол АҚШ Армиясының Көлік және зерттеу басқармасының «ұшатын джип» бәсекесіне қатысты. VZ 7 төрт арналы роторлардың әрқайсысының итермелеуін өзгерту арқылы басқарылды. Piasecki PA 97 – 1980 жылдары төрт тікұшақ фюзеляжын ауадан жеңіл кемемен біріктірген үлкен гибридтік ұшақ жобасының ұсынысы.
Қазіргі дамуы
Bell Boeing Quad TiltRotor тұжырымдамасы бекітілген квадрокоптер тұжырымдамасын одан да әрі дамытады, оны C-130 көлеміндегі әскери тасымалдау үшін қайшалы ротор тұжырымдамасымен үйлестіреді. Airbus компаниясы қалалық әуе таксисі ретінде жұмыс істеу үшін аккумулятормен қуатталатын квадрокоптерді әзірлеп жатыр, бастапқыда пилотпен, бірақ болашақта дербес жұмыс істеуі мүмкін.
Ұшқыштар
2000-шы жылдардың басында квадрокоптерлік конструкция шағын ауқымды ұшқышсыз әуе кемелері немесе дрондар үшін кең таралды. Ұшқышсыз кемелерге жоғары маневрлік қабілет және тоқтау мүмкіндігі қажет болғандықтан, квадрокоптерлерді зерттеуге қызығушылық артты. Төрт роторлы конструкция квадрокоптерлердің салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ сенімді және басқаруға оңай болуын қамтамасыз етеді. Квадрокоптерлердің мүмкіндіктерін арттыру мақсатында көп кемелердің байланысы, қоршаған ортаны зерттеу және маневрлік қабілеттер саласындағы зерттеулер жалғасуда. Егер осы дамып келе жатқан қасиеттерді үйлестіре алса, квадрокоптерлер қазіргі таңдағыда басқа көлік құралдарымен орындау мүмкін емес, қашықтықтан басқарылатын автономдық миссияларды орындай алады. Жапонияда кішкентай ойыншықтарға арналған қашықтан басқарылатын квадрокоптерлер 1990-шы жылдардың басында-ақ жасалған болса, ал камерасы бар және көп мөлшерде өндірілген алғашқы квадрокоптер (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, кейін Draganflyer I деп аталған, канадалық Draganfly стартапы) 1999 жылға дейін құрастырылмады. 2005-2010 жылдар аралығында электроникадағы жетістіктер арзан, жеңіл ұшу контроллерлерін, акселерометрлерді (IMU), жаһандық позициялық жүйелерді және камераларды өндіруге мүмкіндік берді. Бұл квадрокоптерлік конфигурацияның ұшқышсыз әуе кемелері үшін танымал болуына әкелді. Шағын өлшемдері мен маневрлік қабілеттерінің арқасында бұл квадрокоптерлерді үй ішінде де, сыртта да ұшуға болады. Кішкентай дрондар үшін квадрокоптерлер механикалық қарапайымдылығының арқасында дәстүрлі тікұшақтардан арзан және берік. Олардың кішкентай пернелері де артықшылықты құрайды, себебі олардың кинетикалық энергиясы аз, бұл зақымдану мүмкіндігін төмендетеді. Шағын квадрокоптерлер үшін бұл көлік құралдарын жақын арада пайдалану үшін қауіпсіз етеді. Сондай-ақ, роторларды қоршап тұратын қорғау құрылғыларын орнатуға болады, бұл зақымдану ықтималдығын одан әрі азайтады. Дегенмен, өлшемдері ұлғайған сайын, тұрақты пернелі квадрокоптерлер дәстүрлі тікұшақтарға қарағанда кемшіліктерге ие болады. Перне өлшемі ұлғайған сайын олардың инерциясы да артады. Бұл перне жылдамдығының өзгеруіне көбірек уақыт қажет етеді, бұл басқаруға кері әсер етеді. Тікұшақтар мұндай мәселеге тап болмайды, себебі ротор дискісінің өлшемін ұлғайту перне бұрылысын басқару қабілетіне елеулі әсер етпейді. Құрастыру мен басқару оңай болғандықтан, квадрокоптерлер әуесқойлар үшін модельдік ұшақтар жасау жобалары ретінде танымал.
Қылмыстық іс-әрекет
ХХІ ғасыр бойы квадрокоптерлік ұшақтардың қылмыстық әрекеттерге қолданылуы туралы хабарлар келіп түсуде. Мексика-АҚШ шекарасындағы қабырғаның салынуына байланысты, кейбір есірткі картельдері есірткі тасымалдау үшін квадрокоптерлерді пайдалануға көшкен. Дегенмен, квадрокоптерлер тек есірткіні ғана шекарадан өткізбейді, сонымен қатар әлемдегі түрмелерге қару-жарақ және басқа да тыйым салынған заттарды жеткізу деректері де бар. Квадрокоптерлік ұшақтармен жасалатын қылмыстар Еуропада да орын алып жатыр. 2021 жылдың тамызында Чехиядағы полицей офицері метамфетамин салынған пакет тасымалдап бара жатқан квадрокоптерді тәркіледі.