Дизайн и аэродинамика квадрокоптеров: от формы к функциональности

Вспомним теоретические основы управления БПЛА: квадрокоптер — это разновидность дрона. Иными словами, это беспилотный летающий аппарат, укомплектованный четырьмя моторами. Дрон — это широкое понятие, которое включает в себя самые разные виды беспилотников. Чаще всего они классифицируются в зависимости от количества двигателей. Например:

• Трикоптеры — БПЛА с тремя пропеллерами;
• Гексакоптеры — насчитывают шесть моторчиков;
• Октокоптеры — громоздкие беспилотники, у которых восемь пропеллеров.

Трикоптеры чаще применяют в логистике, они более легкие и маневренные, чем их собратья. А гексакоптеры и октокоптеры — массивная аппаратура, предназначенная для долгих съемок в высоком разрешении на большой высоте. Знакомые нам квадрокоптеры являются наиболее универсальными в своем классе, подходят для решения разных задач и обладают, по мнению многих пилотов, идеальным количеством пропеллеров. Но всегда ли так было?

Дизайн квадрокоптера: экскурс в историю

В некотором смысле прототипом квадрокоптера выступил вертолет, только несколько модернизированный — в 1922 году в небе впервые заметили машину с четырьмя пропеллерами и одним двигателем. Спроектировал и запустил такой коптер испытатель Георгий Ботезат. Ему удалось сконструировать аэродинамически симметричный летательный аппарат, который мог одновременно хорошо выполнять маневры в разных направлениях, подниматься в воздух и опускаться на землю. Но идея своего развития не получила: самолеты по-прежнему оставались более надёжным, быстрым и бюджетным средством передвижения в отличие от новинки.

Предпосылками к появлению квадрокоптеров в современном понимании стало изобретение бесщеточных электромоторов и разработка улучшенных, с большим объемом, аккумуляторов. Эти компоненты впервые соединил между собой норвежский инженер Петер Мюрен. В 2003 году он продемонстрировал миниатюрный вертолет с электрическими моторами. Его изобретение подхватили другие энтузиасты и целые компании. Так, постепенно, путем проб и ошибок, демонстрируя свои прототипы, мир получил квадрокоптер в привычном понимании. Это оптимальное сочетание моторов, пропеллеров, баланса и электрических компонентов. Конкуренцию могли составить только трикоптеры, и среди некоторых пилотов до сих пор не утихают споры о том, какой аппарат действительно лучше. 

Идея ставить камеры на квадрокоптеры возникла практически сразу же, как первая модель успешно приземлилась. Изначально их использовали в индустрии развлечения, но сейчас, как мы знаем, они прочно и бесповоротно вошли в нашу повседневную жизнь.

Влияние дизайна на аэродинамику квадрокоптера

Один из ключевых моментов аэродинамики квадрокоптера заключен в пропеллере. При вращении лопастей в воздухе получается такой же эффект как при движении крыла. Подъемная сила возникает при разном давлении на верхнюю и нижнюю поверхность лопасти. Во время вращения длина окружности внешнего конца лопасти больше, чем длина внутреннего. Скорость элемента лопасти относительно воздуха будет завесить от того, на каком расстоянии он находится от оси вращения. Соответственно, на конце лопасти она будет максимальной, потому что чем больше расстояние, тем больше скорость.

Аэродинамика зависит и от рамы квадрокоптера. Существует 4 основных вида рам:

• H — наиболее классическая, понятная и устойчивая форма.
• X — более современный вариант рамы, которая позволяет стабилизировать полет и увеличить скорость дрона.
• Гибрид — представляет собой такое же длинное тело как Н, но расположение лучей как Х.
• Удлиненная Х — добавляет квадрокоптеру маневренности, но вместе с тем делает его тяжелее.

Существуют и другие, менее популярные виды рам, но самой первой была рама строения Н. Современные пилоты больше склоняются к Х версии и отмечают, что при таком расположении лучей, полет получается более безопасным и интересным.

Перспективы дизайна и функциональности квадрокоптера

Еще в 2016 году в Швейцарской высшей технической школы Цюриха собрали интересный квадрокоптер: его рама типа Х полностью закольцована. Конструкция не только не влияет на качество полета, но и защищает моторы от повреждения. У дрона есть возможность «встать» на ребро и выполнять горизонтальный полет. Исследователи уверяют, что схема кольцевого крыла существенно улучшает аэродинамические качества аппарата.

В целом, разработчики стремятся улучшить качество встроенной камеры, увеличить грузоподъемность квадрокоптера, а также уменьшить их размеры. Кстати, вот здесь мы рассказывали про крошечные квадрокоптеры Tiny Whoop и зачем они нужны.

Современные квадрокоптеры чаще имеют лаконичные обтекаемые формы для улучшения аэродинамики, продуманные элементы защиты электроники. С точки зрения наполнения дроны стремятся оснастить большим количеством датчиков, а также искусственным интеллектом для максимального облегчения человеческого труда в различных отраслях.

Кстати, в 2011 году был представлен первый квадрокоптер с человеком на борту. Получается, мы все же вернулись к идее Георгия Ботезата и воплотили ее в улучшенном виде.