Введение

Квадрокоптер, также называемый квадрокоптером или квадроротором.

В отличие от обычных вертолетов, квадрокоптеры обычно не оснащаются системой изменения шага несущего винта, при которой угол атаки лопастей динамически изменяется во время вращения вокруг оси ротора. В первые годы развития авиации квадрокоптеры (тогда называемые квадроторами или просто вертолетами) рассматривались как потенциальное решение некоторых устойчивых проблем вертикального взлета и посадки. Проблемы управления, вызванные реактивным моментом (а также вопросы эффективности, связанные с хвостовым винтом, который не создает полезной подъемной силы), можно было решить за счет встречного вращения, а относительно короткие лопасти было значительно проще в изготовлении. В 1920-х и 1930-х годах появилось несколько пилотируемых моделей. Эти аппараты были одними из первых успешных летательных аппаратов тяжелее воздуха, способных к вертикальному взлету и посадке (VTOL). Однако ранние прототипы демонстрировали низкие летные характеристики и ограниченную управляемость.

крутящий момент

Если все четыре ротора вращаются с одинаковой угловой скоростью, при этом два вращаются по часовой стрелке, а два – против часовой стрелки, то суммарный крутящий момент относительно оси рыскания равен нулю, что означает отсутствие необходимости в хвостовом винте, как в традиционных вертолетах. Рыскание достигается за счет создания разницы в аэродинамических моментах (то есть, путем смещения суммарных команд тяги между встречно вращающимися парами лопастей).

Состояние вихревого кольца

Все квадрокоптеры подчиняются обычной аэродинамике винтокрылых летательных аппаратов, включая состояние кольцевого вихря.

Механическая структура

Основными механическими компонентами являются фюзеляж или рама, четыре ротора (с фиксированным или изменяемым шагом) и двигатели. Для достижения оптимальной производительности и упрощения алгоритмов управления двигатели и пропеллеры расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Коаксиальные роторы

Для обеспечения большей мощности и стабильности при сниженном весе, квадрокоптер, как и любой другой мультиротор, может использовать коаксиальную схему расположения винтов. В этом случае на каждой луче установлены два двигателя, вращающихся в противоположных направлениях (один направлен вверх, а другой – вниз).

Автономный полет

Конфигурация квадрокоптера относительно проста в программировании для автономного полета. Это позволило проводить эксперименты со сложным роевым поведением, основанным на базовом восприятии соседних дронов.

Выносливость

Самый длительный зафиксированный полёт квадрокоптера, работающего от аккумулятора, составил 2 часа 31 минуту и 30 секунд. Рекорд был установлен Фердинандом Кикингером из Германии в 2016 году. Для достижения этого результата Кикингер использовал литий-ионные аккумуляторы с низкой скоростью разряда и высокой ёмкостью, а также максимально облегчил конструкцию, удалив все несущественные элементы, чтобы снизить энергопотребление и увеличить продолжительность полёта. Альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы и гибридные газо-электрические генераторы, позволили значительно увеличить продолжительность полёта благодаря более высокой плотности энергии водорода и бензина, соответственно.

Пионеры

Первым летательным аппаратом тяжелее воздуха, способным к вертикальному взлету, был четырехроторный вертолет, разработанный Луи Бреге. Он испытывался только в привязанном полете и на высоте нескольких футов. В 1908 году сообщалось о выполнении "нескольких полетов", хотя подробности скудны. Этьен Оемьен экспериментировал с конструкциями роторкрафтов в 1920-х годах. Среди его разработок был Оемхичен No. 2, оснащенный четырьмя двухлопастными роторами и восемью винтами, приводимыми в движение одним двигателем. Угол установки лопастей ротора изменялся за счет деформации. Пять винтов, вращающихся в горизонтальной плоскости, обеспечивали боковую устойчивость аппарата. Еще один винт был установлен в носовой части для управления направлением. Оставшаяся пара винтов служила для создания тяги. Аппарат демонстрировал значительную стабильность и точность управления для своего времени и совершил более тысячи испытательных полетов в середине 1920-х годов. К 1923 году он мог оставаться в воздухе несколько минут подряд, а 14 апреля 1924 года установил первый официальный рекорд дальности полета для вертолетов, зарегистрированный FAI. Он продемонстрировал способность выполнять полет по кругу, а позднее – первый замкнутый полет на роторкрафте. Доктор Жорж де Ботезат и Иван Жером разработали вертолет де Ботезат с шестилопастными роторами, расположенными на концах X-образной конструкции. Два небольших винта с изменяемым шагом использовались для управления тягой и рысканием. В конструкции применялось управление общим шагом. Построенный армейской авиационной службой США, он совершил свой первый полет в октябре 1922 года. К концу 1923 года было выполнено около 100 полетов. Несмотря на демонстрацию принципиальной возможности, аппарат был недостаточно мощным, плохо управляемым, механически сложным и склонен к отказам. Нагрузка на пилота при зависании была слишком высокой для попыток бокового маневра.

Послевоенная эпоха

Convertawings Model A Quadrotor был задуман как прототип для линейки гораздо более крупных гражданских и военных вертолетов. Конструкция включала два двигателя, приводящие в движение четыре ротора через систему V-образных ремней. Хвостовой ротор не требовался, а управление осуществлялось путем изменения тяги между роторами. Многократно поднимавшийся в воздух с 1956 года, этот вертолет доказал жизнеспособность четырехроторной схемы и стал первым четырехроторным вертолетом, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Однако из-за отсутствия заказов на коммерческие или военные версии проект был закрыт. Convertawings предложила модель E с максимальным весом, полезной нагрузкой более 300 миль и скоростью до 300 км/ч. Бесподносимый ротор Hanson Elastic Articulated (EA) был разработан на основе работ, проведенных в начале 1960-х годов в Lockheed California Томасом Ф. Хансоном, который ранее работал в Convertawings над конструкцией и системой управления ротором квадрокоптера. Проект Gloster Crop Sprayer 1960 года являлся ранним примером квадрокоптера-дрона. Он должен был приводиться в действие 105-сильным воздушно-охлаждаемым четырехцилиндровым оппозитным двигателем Potez 4E, а его полезная нагрузка в 20 галлонов распылялась через 22-футовую штангу. Два оператора несли радиомаяки на противоположных концах полосы обработки, чтобы квадрокоптер всегда ориентировался на маяк и не пролетал мимо. Однако, несмотря на значительно упрощенную конструкцию и требования к эксплуатации по сравнению с пилотируемой машиной, руководство материнской компании отказалось от его разработки, и проект остался на бумаге. Curtiss Wright VZ 7 1958 года – это самолет вертикального взлета и посадки (VTOL), разработанный Curtiss Wright для участия в конкурсе на создание "летающего джипа" для Командования транспорта и исследований армии США. Управление VZ 7 осуществлялось путем изменения тяги каждого из четырех роторов в кольцевых обтекателях. Piasecki PA 97 представлял собой предложение по созданию крупного гибридного летательного аппарата, в котором четыре фюзеляжа вертолетов объединялись с дирижаблем легче воздуха в 1980-х годах.

Современные события

Концепция Bell Boeing Quad TiltRotor развивает идею фиксированного квадрокоптера, объединяя её с концепцией винтов с изменяемым углом наклона для создания предлагаемого военного транспортного самолета размером с C-130. Airbus разрабатывает квадрокоптер, работающий от аккумуляторов, для использования в качестве городского воздушного такси, первоначально с пилотом, но потенциально автономный в будущем.

Беспилотники

В первые десятилетия 2000-х годов компоновка квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) или дронов. Необходимость в летательных аппаратах с большей маневренностью и способностью к зависанию привела к активизации исследований в области квадрокоптеров. Четырехроторная конструкция позволяет квадрокоптерам быть относительно простыми в изготовлении, но при этом надежными и маневренными. Исследования продолжаются с целью расширения возможностей квадрокоптеров за счет прогресса в области многоаппаратной связи, исследования окружающей среды и маневрирования. Если удастся объединить эти развивающиеся качества, квадрокоптеры смогут выполнять сложные автономные миссии, которые в настоящее время невозможны для других типов летательных аппаратов. Хотя небольшие игрушечные квадрокоптеры с дистанционным управлением производились в Японии уже в начале 1990-х годов, первый квадрокоптер с камерой, выпущенный в значительных количествах (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, ретроспективно также Draganflyer I, канадским стартапом Draganfly), был разработан только в 1999 году. В период с 2005 по 2010 год достижения в области электроники позволили производить недорогие и легкие контроллеры полета, акселерометры (IMU), системы глобального позиционирования и камеры. Это способствовало распространению конфигурации квадрокоптера среди небольших БПЛА. Благодаря своим компактным размерам и маневренности, эти квадрокоптеры могут использоваться как в помещении, так и на открытом воздухе. Для небольших дронов квадрокоптеры дешевле и долговечнее традиционных вертолетов благодаря своей механической простоте. Меньшие размеры лопастей также являются преимуществом, поскольку они обладают меньшей кинетической энергией, что снижает вероятность нанесения повреждений. Для малогабаритных квадрокоптеров это делает аппараты более безопасными при близком взаимодействии. Также возможно оснащать квадрокоптеры защитными кожухами, закрывающими винты, что дополнительно снижает риск повреждений. Однако с увеличением размеров, квадрокоптеры с фиксированным шагом винта начинают уступать традиционным вертолетам. Увеличение размера лопастей приводит к увеличению их импульса. Это означает, что изменение скорости вращения лопастей занимает больше времени, что негативно сказывается на управляемости. Вертолеты не сталкиваются с этой проблемой, поскольку увеличение диаметра несущего винта не оказывает существенного влияния на возможность управления углом установки лопастей. Благодаря простоте конструкции и управления, квадрокоптеры пользуются популярностью как проекты для любительского моделирования.

Преступная деятельность

На протяжении XXI века поступали сообщения об использовании квадрокоптеров в преступных целях. В связи со строительством стены на границе между Мексикой и Соединенными Штатами, некоторые наркокартели стали использовать квадрокоптеры для контрабанды наркотиков. Однако квадрокоптеры используются не только для переправки наркотиков через границу, но также зафиксированы случаи контрабанды оружия и других запрещенных предметов в тюрьмы по всему миру. Преступления с применением квадрокоптеров происходят и в Европе. В августе 2021 года полицейский в Чешской Республике изъял квадрокоптер, перевозивший пакетик метамфетамина.