Мультикоптер

Мультикоптер (англ. Multirotor, multicopter, многороторный вертолёт, многолёт) — летательный аппарат, построенный по вертолётной схеме, с тремя и более несущими винтами^[1].

Содержание

История

Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Один из первых квадрокоптеров (англ. quadcopter, четырёхроторный вертолёт), который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе, был создан Георгием Ботезатом и испытан в 1922 году. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов. Изобретение рулевого винта и автомата перекоса положило конец этим попыткам. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальше прототипов дело не продвинулось.

Новое рождение мультикоптеры получили в XXI веке, уже как беспилотные аппараты. Благодаря простоте конструкции квадрокоптеры часто используются в любительском моделировании^[2]. Мультикоптеры удобны для недорогой аэрофото- и киносъёмки — громоздкая камера вынесена из зоны действия винтов^{[источник не указан 351 день]}.

Curtiss-Wright VZ-7 представляет собой по сути квадрокоптер
Самолёт Curtiss-Wright X-19 использует при взлёте и посадке принцип квадрокоптера
Экспериментальный волокоптер «E-volo»
Гексакоптер с монтируемой портативной видеокамерой
Модель транспортного средства-гексакоптера
Октокоптер для персональных полётов
Audi Pop.Up Next, двухместный концепт беспилотного летающего автомобиля разработки Audi AG, Airbus, Italdesign

Принцип действия

По принципу управления мультикоптеры бывают^[3]:

автономные
дистанционно-управляемые (беспилотные)

Мультикоптеры имеют 3 или более винтов постоянного шага (автомата перекоса, в отличие от одно- и двухвинтовых аппаратов, нет). Каждый винт приводится в движение собственным двигателем. Половина винтов вращается по часовой стрелке, половина — против, поэтому рулевой винт мультикоптеру не нужен. Маневрируют мультикоптеры путём изменения скорости вращения винтов. Например:

ускорить все винты — подъём;
ускорить винты с одной стороны и замедлить с другой — движение в сторону;
ускорить винты, вращающиеся по часовой стрелке, и замедлить вращающиеся против — поворот в плоскости.

Микропроцессорная система переводит команды радиоуправления в команды двигателям. Чтобы обеспечить стабильное зависание, мультикоптеры в обязательном порядке снабжают тремя гироскопами, фиксирующими крен аппарата. Как вспомогательный инструмент, иногда, также используется акселерометр, данные от которого позволяют процессору устанавливать абсолютно горизонтальное положение, и бародатчик, который позволяет фиксировать аппарат на нужной высоте. Также, применяют сонар для автоматической посадки и удержания небольшой высоты, а также для облёта препятствий. И самое главное — GPS-приемник, позволяющий записывать маршрут полёта заранее, с компьютера, а также, возвращать аппарат в точку взлёта, в случае потери управляющего радиосигнала, или снимать параметры полёта оперативно или потом^[4].

Существуют также трёх- и пятивинтовые вертолёты (три- и пентакоптеры). Один из моторов там располагается на нанизанной на ось подвижной платформе, угол поворота которой изменяется сервоприводом — так и осуществляется поворот аппарата вокруг своей оси^[5]. Отдельно стоит отметить экспериментальные аппараты: бикоптеры, квадрокоптеры с изменяемым шагом пропеллеров, квадрокоптеры с двигателями на импеллерах, однако они не получили какого-либо распространения.

По вариантам размещения винтов в отношении оси движения и в зависимости от их направления вращения различают несколько типов мультикоптеров:

Современное применение мультикоптеров

Современное применение мультикоптеров весьма разнообразно: от игрушек, доставки товаров, любительских средств для фото- и видеосъёмки до пассажирских и грузовых транспортных средств и боевых роботов^[6]^[7]^[8]^[9].

В любительских и профессиональных мультикоптерах используются коллекторные и бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии^[10]. Винты могут быть установлены непосредственно на вал двигателя, либо через редуктор.

Это накладывает определённые ограничения на их полётные характеристики: типичная масса мультикоптера составляет от 1 до 4 кг, при времени полёта от 10 до 30 минут (30—50 минут у уникальных единичных экземпляров). Поднимаемый полезный груз моделями мультикоптеров среднего размера и грузоподъёмности — от 500 г до 2—3 кг, что позволяет поднять в воздух небольшую фото или видеокамеру (обычно экшн-камера в более дешёвых моделях, либо зеркальные камеры в профессиональных). Существуют и достаточно крупные модели мультикоптеров, с количеством роторов порядка 6-8 (гекса и октокоптеры), способные поднять в воздух груз массой до 20-30 кг. Для увеличения грузоподъёмности применяют соосное расположение несущих роторов, что в случае гексакоптера, например, даёт 12 моторов и 12 пропеллеров, расположенных попарно на 6 несущих лучах. Скорость полёта мультикоптера может быть от нуля (неподвижное висение в точке) до 100—110 км/ч. Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям мультикоптеров улетать на расстояние до 7-12 км, на практике же радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлёта) обычно ограничено прямой видимостью (100—200 м при ручном управлении) либо дальностью действия аппаратуры радиоуправления и видеолинка. При этом лучшие образцы подобной аппаратуры, использующие усилители мощности радиосигнала и систему направленных антенн, способны обеспечивать стабильные радиоуправление и видеолинк на расстояния до 100 км. Таким образом, наибольшее ограничение на радиус действия мультикоптеров накладывает именно время полёта.

Эти ограничения приводят к тому, что мультикоптеры обычно используются как аппараты «ближнего радиуса действия»: для любительских полётов недалеко от себя, для фото-видеосъёмки близко расположенных объектов и так далее. Для сравнения, беспилотные самолёты с аккумулятором аналогичной ёмкости могут улетать на 10—15 км при высоте полёта 1—2 км.

Миниатюрный квадракоптер, с пультом управления с возможностью установки планшета как приёмника видеосигнала
Квадрокоптер для профессиональных фотосъёмок с креплениями для цифровых фотоаппаратов
Квадрокоптер визуального контроля окружающего пространства для силовых структур «Грифон-41»
Экспериментальный квадрокоптер «Ehang 184»
Прототип волокоптера «2X»

Безопасность полётов

В отличие от самолёта, который способен планировать с выключенным двигателем, или вертолёта, который способен сесть с помощью авторотации, мультикоптер при отключении моторов или электропитания, полностью неуправляем. Квадрокоптер при отказе одного из двигателей может сохранять стабилизацию. Гексакоптер или октокоптер помимо этого могут совершить мягкую посадку с одним неработающим мотором, однако не во всех случаях (например, при разрыве хотя бы одной лопасти вибрация из-за дисбаланса увеличивается настолько, что контроллер перестаёт работать, и аппарат переходит в неуправляемое падение). Но уже существуют экспериментальные квадрокоптеры, которые могут стабилизировать полёт и совершить посадку при потере одного из двигателей^[11].

Учитывая то, что мультикоптер имеет немалую массу, жёсткий корпус и быстро вращающиеся пропеллеры, его столкновение с людьми или автотранспортом может привести к негативным последствиям. Поэтому полёты над людьми или автодорогами не рекомендуются. Желательно планировать траекторию полёта так, чтобы в случае необходимости (например, при разрядке батареи) внизу было место для безопасной посадки.

Важен и человеческий фактор. Современный полётный контроллер по сложности настройки и количеству полётных режимов почти не уступает настольному компьютеру. Невнимательное чтение документации, отсутствие выполнения необходимых действий (например, калибровки компаса при настройке) могут привести к неуправляемому полёту и потере аппарата. Вылет аппарата за радиус действия пульта при отсутствии режима GPS-возврата также является одной из причин потерь аппаратов.

В целях безопасности некоторые модели дистанционно управляемых мультикоптеров оборудуют дублирующими системами навигации и позиционирования, элементами интеллектуальной роботизации способствующими самостоятельному определению летательным аппаратом препятствии на маршруте полёта и их облёту, защитными кожухами винтов или всего летательного аппарата, самостоятельным возвратом к месту пуска при утере сигнала управления^[12]^[13]^[7]^[10].