Квадрокоптер
Квадрокоптер . , также называемый квадрокоптером или квадрокоптером [1] — это тип вертолета или мультикоптера с четырьмя несущими винтами . [2]
Хотя квадрокоптеры и конвертопланы уже давно используются в экспериментальных условиях, их конфигурация оставалась диковинкой до появления современных беспилотных летательных аппаратов или дронов. Небольшой размер и низкая инерция дронов позволяют использовать особенно простую систему управления полетом, что значительно повышает практичность небольшого квадрокоптера в этом применении.
Принципы проектирования
Каждый ротор создает как подъемную силу , так 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 несущего винта. Тангаж и крен контролируются путем изменения чистого центра тяги , а рысканье контролируется путем изменения чистого крутящего момента . [3]
В отличие от обычных вертолетов, квадрокоптеры обычно не имеют циклического управления шагом, при котором угол лопастей динамически изменяется при их повороте вокруг втулки несущего винта. На заре полетов квадрокоптеры (тогда называемые квадрокоптерами или просто вертолетами ) рассматривались как возможное решение некоторых постоянных проблем вертикального полета. Проблемы управления, вызванные крутящим моментом (а также проблемы с эффективностью, возникающие из- за хвостового винта , который не создает полезной подъемной силы), можно устранить за счет встречного вращения, а построить относительно короткие лопасти намного проще. В 1920-х и 1930-х годах появился ряд пилотируемых проектов. тяжелее воздуха Эти машины были одними из первых успешных машин вертикального взлета и посадки (СВВП) . [4] Однако ранние прототипы страдали от плохих характеристик. [4] а последние прототипы требовали слишком большой рабочей нагрузки пилота из-за плохого повышения устойчивости. [5] и ограниченные полномочия контроля.
Крутящий момент
Если все четыре винта вращаются с одинаковой угловой скоростью , два из которых вращаются по часовой стрелке, а два — против часовой стрелки, чистый крутящий момент вокруг оси рыскания равен нулю, что означает, что нет необходимости в рулевом винте, как на обычных вертолетах. Рыскание вызывается несоответствием баланса аэродинамических моментов (т. е. смещением совокупных команд тяги между парами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях). [6] [7]
Схема реактивных моментов на каждом двигателе квадрокоптера из-за вращения несущих винтов. Роторы 1 и 3 вращаются в одном направлении, а роторы 2 и 4 вращаются в противоположном направлении, создавая противоположные крутящие моменты для управления.
Квадрокоптер зависает или регулирует высоту, применяя одинаковую тягу ко всем четырем несущим винтам.
Квадрокоптер корректирует свое рыскание , прилагая большую тягу к несущим винтам, вращающимся в одном направлении.
Квадрокоптер регулирует свой шаг или крен, прилагая большую тягу к одному ротору (или двум соседним роторам) и меньшую тягу к диаметрально противоположному ротору.
Состояние вихревого кольца
На все квадрокоптеры распространяется нормальная аэродинамика винтокрылого аппарата, включая состояние вихревого кольца . [ нужна ссылка ]
Механическая структура
Основными механическими компонентами являются фюзеляж или каркас, четыре несущих винта (с фиксированным или изменяемым шагом) и двигатели. Для достижения наилучших характеристик и простейших алгоритмов управления двигатели и пропеллеры расположены на одинаковом расстоянии. [8]
Коаксиальные роторы
Чтобы обеспечить большую мощность и стабильность при меньшем весе, квадрокоптер, как и любой другой мультикоптер, может использовать коаксиальную конфигурацию ротора . В этом случае на каждом рычаге есть два двигателя, вращающиеся в противоположных направлениях (один вверх, другой вниз). [ нужна ссылка ]
Операции
Автономный полет
Конфигурацию квадрокоптера относительно просто запрограммировать для автономного полета. Это позволило провести эксперименты со сложным поведением роения, основанным на базовом распознавании соседних дронов. [ нужна ссылка ]
Выносливость
Самое продолжительное время полета квадрокоптера с батарейным питанием составило 2 часа 31 минуту и 30 секунд. Рекорд был установлен Фердинандом Кикингером из Германии в 2016 году. [9] Устанавливая рекорд, Кикингер использовал литий-ионные аккумуляторы высокой емкости с низкой скоростью разряда и лишил планер несущественного веса, чтобы уменьшить потребляемую мощность и увеличить срок службы. [10]
Альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы и гибридные газоэлектрические генераторы, используются для значительного увеличения срока службы из-за повышенной плотности энергии как водорода, так и бензина соответственно. [11]
История
Пионеры
тяжелее воздуха, Первым аэродинамом взлетевшим вертикально, был четырехвинтовой вертолет конструкции Луи Бреге . Его испытывали только в привязном полете на высоте нескольких футов. Сообщалось, что в 1908 году он летал «несколько раз», хотя подробности скудны. [12]
Этьен Омишен экспериментировал с конструкциями винтокрылых машин в 1920-х годах. Среди опробованных им проектов был Oehmichen No. 2, в котором использовались четыре двухлопастных несущих винта и восемь гребных винтов, приводимых в движение одним двигателем. Угол наклона лопастей несущего винта можно было изменять путем коробления. Пять винтов, вращавшихся в горизонтальной плоскости, стабилизировали машину в поперечном направлении. Еще один винт был установлен в носу для управления. Оставшаяся пара винтов выполняла функцию переднего двигателя. Самолет продемонстрировал значительную для своего времени степень устойчивости и повышенную точность управления и в середине 1920-х годов совершил более тысячи испытательных полетов. К 1923 году он мог оставаться в воздухе по несколько минут за раз, а 14 апреля 1924 года он установил первый в истории рекорд FAI по дальности полета для вертолетов - 360 м (390 ярдов). Он продемонстрировал способность пройти круговой курс. [13] а позже он совершил первый полет по замкнутому контуру длиной 1 километр (0,62 мили) на винтокрылом аппарате.
Доктор Джордж де Ботеза и Иван Джером разработали вертолет де Ботеза с шестилопастными несущими винтами на конце Х-образной конструкции. Для управления тягой и рысканьем использовались два небольших гребных винта изменяемого шага. В машине использовалось управление коллективным шагом. Построенный Воздушной службой армии США , он совершил свой первый полет в октябре 1922 года. К концу 1923 года было совершено около 100 полетов. Максимальная высота, которую он когда-либо достигал, составляла около 5 м (16 футов 5 дюймов). Несмотря на то, что он демонстрировал осуществимость, он был недостаточно мощным, неотзывчивым, механически сложным и подверженным проблемам с надежностью. Рабочая нагрузка пилота во время висения была слишком велика, чтобы попытаться выполнить боковое движение.
Послевоенная эпоха
Convertawings Model A Quadrotor был задуман как прототип линейки гораздо более крупных гражданских и военных вертолетов. В конструкции использовались два двигателя, приводящие в движение четыре несущих винта через систему клиновых ремней. Хвостовой винт не требовался, а управление достигалось за счет изменения тяги между винтами. [14] Этот вертолет, совершивший множество полетов с 1956 года, доказал свою квадрокоптерную конструкцию, а также стал первым четырехвинтовым вертолетом, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Однако из-за отсутствия заказов на коммерческую или военную версию проект был свернут. Компания Convertawings предложила модель E с максимальным весом 42 000 фунтов (19 т) и полезной нагрузкой 10 900 фунтов (4,9 т) на расстояние 300 миль и скорость до 173 миль в час (278 км/ч). Безподшипниковый ротор Hanson Elastic Articulated (EA) возник в результате работы, проделанной в начале 1960-х годов в Lockheed California Томасом Ф. Хэнсоном, который ранее работал в Convertawings над конструкцией ротора и системой управления квадротора. [15] [16]
Проект Gloster Crop Sprayer 1960 года был ранним примером дрона-квадрокоптера. Он был оснащен четырехцилиндровым оппозитным четырехцилиндровым двигателем с воздушным охлаждением Potez 4E мощностью 105 л.с., а полезная нагрузка объемом 20 галлонов выбрасывалась через 22-футовую опрыскивающую штангу. Два оператора несли самонаводящиеся маяки на противоположных концах трассы распыления, чтобы квадрокоптер всегда наводился на маяк и не промахивался. Однако, несмотря на значительно упрощенную конструкцию и эксплуатационные требования по сравнению с пилотируемой машиной, руководство головной компании отказалось ее разрабатывать, и она так и осталась на бумаге. [17]
Curtiss -Wright VZ-7 1958 года представлял собой самолет вертикального взлета и посадки, разработанный компанией Curtiss-Wright для конкурса на получение «летающего джипа» Транспортно-исследовательского командования армии США. Управление ВЗ-7 осуществлялось за счет изменения тяги каждого из четырех роторов канального вентилятора.
Piasecki PA-97 представлял собой предложение большого гибридного самолета, в котором четыре фюзеляжа вертолета были объединены с дирижаблем легче воздуха в 1980-х годах.
Текущие события
Концепция Bell Boeing Quad TiltRotor развивает концепцию фиксированного квадрокоптера, объединяя ее с концепцией наклонного ротора для предлагаемого военного транспорта размером с C-130.
Airbus разрабатывает квадрокоптер с батарейным питанием, который будет работать в качестве городского воздушного такси, сначала с пилотом, но в будущем потенциально автономным. [18]
Дроны
В первые десятилетия 2000-х годов компоновка квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов или дронов. Потребность в самолетах с большей маневренностью и способностью к зависанию 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 связи между несколькими кораблями, исследования окружающей среды и маневренности. Если эти развивающиеся качества удастся объединить, квадрокоптеры смогут выполнять сложные автономные задачи, которые в настоящее время невозможны с другими транспортными средствами. [19]
В то время как небольшие игрушечные квадрокоптеры с дистанционным управлением производились в Японии уже в начале 1990-х годов, первый квадрокоптер с камерой, выпускаемый в значительных количествах (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, ретроспективно также Draganflyer I, канадского стартапа Draganfly ), так и не был выпущен. спроектирован до 1999 года. [20] [21]
Примерно в 2005–2010 годах достижения в области электроники позволили производить дешевые и легкие контроллеры полета, акселерометры ( IMU ), системы глобального позиционирования и камеры. Это привело к тому, что конфигурация квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов . Благодаря небольшому размеру и маневренности эти квадрокоптеры можно использовать как в помещении, так и на открытом воздухе. [1] [22]
Что касается небольших дронов, то квадрокоптеры дешевле и долговечнее обычных вертолетов из-за своей механической простоты. [23] Их меньшие по размеру лезвия также являются преимуществом, поскольку они обладают меньшей кинетической энергией, что снижает их способность наносить урон. Для небольших квадрокоптеров это делает транспортные средства более безопасными при тесном взаимодействии. Также возможно оснастить квадрокоптеры защитными кожухами, закрывающими роторы, что еще больше снижает вероятность повреждения. [2] Однако по мере увеличения размера квадрокоптеры с фиксированным пропеллером приобретают недостатки по сравнению с обычными вертолетами. Увеличение размера лопастей увеличивает их импульс. Это означает, что изменение скорости полотна занимает больше времени, что отрицательно влияет на управляемость. Вертолеты не сталкиваются с этой проблемой, поскольку увеличение размера диска несущего винта существенно не влияет на возможность управления шагом лопастей.
Благодаря простоте конструкции и управления квадрокоптеры популярны в качестве любительских авиамоделей . [24] [25]
Преступная деятельность
На протяжении всего XXI века сообщалось о случаях использования дронов-квадрокоптеров в преступной деятельности. Из-за строительства стены на границе Мексики и США некоторые наркокартели прибегли к использованию квадрокоптеров для контрабанды наркотиков. [26] Однако дроны-квадрокоптеры не обязательно только переправляют наркотики через границу: известны также случаи, когда оружие и другие запрещенные предметы провозятся контрабандой в тюрьмы по всему миру. [27]
Преступления с использованием дронов-квадрокоптеров также происходят в Европе. В августе 2021 года полицейский в Чехии задержал квадрокоптер, перевозивший пакетик с метамфетамином . [28]
См. также
Ссылки
- ^ Jump up to: а б Хоффманн, генеральный менеджер; Раджнараян, Д.Г.; Васландер, СЛ; Достал, Д.; Джанг, Дж. С.; Томлин, CJ (ноябрь 2004 г.). «Стэнфордский испытательный стенд автономных вертолетов для многоагентного управления (STARMAC)». В материалах 23-й конференции по системам цифровой авионики . Солт-Лейк-Сити, Юта. стр. 12.E.4/1–10. CiteSeerX 10.1.1.74.9999 . дои : 10.1109/DASC.2004.1390847 . ISBN 0-7803-8539-Х .
- ^ Jump up to: а б Хоффман, Г.; Хуанг, Х.; Васландер, СЛ; Томлин, CJ (20–23 августа 2007 г.). «Динамика и управление полетом квадрокоптера: теория и эксперимент» (PDF) . На конференции Американского института аэронавтики и астронавтики . Хилтон-Хед, Южная Каролина. Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2010 года.
- ^ Стаффорд, Джесси (весна 2014 г.). «Как работает квадрокоптер | Клэй Аллен» . Университет Аляски, Фэрбенкс . Проверено 20 января 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Лейшман, Дж. Г. (2000). Основы аэродинамики вертолета . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521858601 .
- ^ Андерсон, С.Б. (1997). «Исторический обзор авиационных технологий V/STOL» . Технический меморандум НАСА 81280 .
- ^ «Квадротор» . Архивировано из оригинала 27 декабря 2014 года . Проверено 29 декабря 2014 г.
- ^ Эндрю Хобден. «Квадрокоптеры: Отклонение от курса» . hoverbear.org . Проверено 3 апреля 2017 г.
- ^ Урия (13 апреля 2010 г.). «Виверн-квадроторный вертолет» . Проверено 29 декабря 2014 г.
- ^ Фердинанд Кикингер (30 апреля 2016 г.), FPV 151 минута 30 с с коптером , заархивировано из оригинала 22 декабря 2021 года , получено 26 августа 2018 года.
- ^ СПК Дроны. Как летают квадрокоптеры .
- ^ Макнабб, Мириам (февраль 2018 г.). Американский производитель Harris Aerial представляет новый гибридный газоэлектрический дрон . Дронлайф
- ^ Янг, Уоррен Р. (1982). Вертолеты . Чикаго: Книги Time-Life. п. 28 . ISBN 978-0-8094-3350-6 .
{{cite book}}:|work=игнорируется ( помогите ) - ^ «Успешный полет французского вертолета», 24 января 1924 г., стр. 47.
- ^ «1956 — 1564 — Архив полетов» . Flightglobal.com . Проверено 13 марта 2015 г.
- ^ «Патент US3261407 – Несущая система вертолета» . гугл.com . Проверено 13 марта 2015 г.
- ^ Инан, Есин; Кирис, Ахмет (20 января 2007 г.). Седьмая международная конференция по проблемам вибрации ICOVP 2005 . Спрингер. ISBN 9781402054013 . Проверено 13 марта 2015 г.
- ^ Джеймс, Дерек Н.; Gloster Aircraft с 1917 года , Патнэм, 1971, стр.413.
- ^ «Airbus готовится запустить свое электрическое воздушное такси в 2018 году» . 5 октября 2017 г.
- ^ «Illumin — зрелость квадротора» . Проверено 29 декабря 2014 г.
- ^ Дарак, Эд. «Краткая история квадрокоптеров» . Журнал «Авиация и космос» .
- ^ «Наша история | Стрекоза» . www.draganfly.com . Архивировано из оригинала 12 декабря 2016 года . Проверено 17 декабря 2021 г.
- ^ Бючи, Роланд (2011). Очаровательный квадрокоптер . Книги по запросу. ISBN 978-3-8423-6731-9 .
- ^ Паундс, П.; Махони, Р.; Корк, П. (декабрь 2006 г.). «Моделирование и управление четырехроторным роботом» (PDF) . В материалах Австралазийской конференции по робототехнике и автоматизации . Окленд, Новая Зеландия.
- ^ «How-To: Квадрокоптер на базе Arduino» . ДЕЛАТЬ . Архивировано из оригинала 11 декабря 2011 года . Проверено 29 декабря 2014 г.
- ^ «FrontPage — UAVP-NG — мультикоптер следующего поколения с открытым исходным кодом» . Проверено 29 декабря 2014 г.
- ^ «Контрабандисты наркотиков используют дроны, продвигая операции» . ДронДЖ . 21 декабря 2020 г. Проверено 10 августа 2021 г.
- ^ "Везнице | EAGLE.ONE" . Eagle.One (на чешском языке) . Проверено 10 августа 2021 г.
- ^ Покорный, Петр (10 августа 2021 г.). «Полицейский в Доксах поймал незарегистрированный дрон, перевозивший метамфетамин в руках» . Českolipský deník (на чешском языке) . Проверено 10 августа 2021 г.
Внешние ссылки
- Лаборатория UPenn GRASP. Архивировано 20 апреля 2015 г. в Wayback Machine.
- ETH Zurich Исследования квадрокоптеров
- Рекомендации ФАУ по безопасности при эксплуатации моделей БПЛА
- TED Рафаэлло Д'Андреа: Поразительная спортивная мощь квадрокоптеров
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
