Как на самом деле летают дроны?

Мультикоптеры (дроны) теперь стали обычным явлением и настолько развиты, что каждый может управлять ими, но большинство людей, вероятно, не понимают, как они держатся в воздухе. Понимание основ физики полёта дрона может улучшить ваши навыки лётчика дрона. На самом деле это просто!

Как летают вертолёты

Мы начнём с чего-то совершенно другого: с вертолётов. Это может показаться странным отходом от темы, но знание того, как летают вертолёты, значительно упростит понимание полёта дронов.

Типичный вертолёт имеет несущий винт и рулевой винт. Существуют и другие конструкции, но все они работают, чтобы контролировать одни и те же силы. Это очень простое объяснение того, как летают вертолёты, но оно подходит для нашей цели, когда дело доходит до понимания полёта дронов.

У вертолёта есть несущий винт, который создаёт тягу в направлении вниз, поднимая аппарат в воздух. Проблема в том, что, когда ротор вращается в одном направлении, он оказывает давление на корпус вертолёта (спасибо Ньютону!), И поэтому и ротор, и корпус вертолёта будут вращаться только в противоположных направлениях.

Очевидно, что это не лучший способ летать, поэтому у вертолётов есть хвостовые винты. Этот ротор создаёт горизонтальную тягу, чтобы противодействовать крутящему моменту от основного ротора.

Существуют вертолёты без винта н ахвосте с другими системами противодействия крутящему моменту, такие как российский Камов Ка-52, в котором используются два основных несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях, известных как соосное расположение.

Вы, вероятно, также знакомы с американским армейским вертолётом CH-47 Chinook, который имеет два массивных главных ротора, вращающихся в противоположных направлениях, которые нейтрализуют крутящий момент друг друга, а также обеспечивают огромную грузоподъёмность.

При чем здесь ваш квадрокоптер? Всё это имеет отношение и к нему!

Мультикоптеры и проблема крутящего момента

Если мы посмотрим на базовую компоновку квадрокоптера, вы заметите, что четыре ротора расположены по Х-образной схеме. Две стойки вращаются по часовой стрелке, а две другие - против часовой стрелки. В частности, передние стойки вращаются в противоположных направлениях друг к другу, и то же самое можно сказать и о задних стойках. Таким образом, объекты, расположенные напротив друг друга, по диагонали вращаются в одном направлении.

Конечным результатом такой компоновки является то, что если все опоры вращаются с одинаковой скоростью, дрон должен оставаться совершенно неподвижным с зафиксированным на месте носом.

Использование крутящего момента и тяги для манёвра

Если вы не хотите, чтобы нос дрона оставался фиксированным в одном положении, вы можете использовать этот принцип компенсации крутящего момента для манёвра. Если вы намеренно замедлили одни моторы и ускорили другие, дисбаланс заставит весь аппарат повернуться.

Точно так же, если вы увеличите скорость двух задних двигателей, задняя часть дрона поднимется вверх, наклоняя весь аппарат вперёд. Это верно для пары роторов, поэтому вы можете наклонять аппарат в любом направлении света.

Есть проблемы с этим подходом! Например, если вы замедляете ротор, вы также уменьшаете его тягу, и другой ротор должен увеличивать скорость, чтобы это компенсировать. В противном случае общая тяга уменьшится, и дрон потеряет высоту. Однако, если вы увеличиваете тягу ротора, он заставляет дрон больше наклоняться, что вызывает нежелательное движение.

Единственная причина, по которой квадрокоптер или другой мультикоптер может летать, – это комплексное решение проблем в реальном времени, выполняемое аппаратным обеспечением, которое им управляет. Другими словами, когда вы говорите дрону двигаться в определённом направлении в трёхмерном пространстве, бортовые системы управления полётом точно определяют, с какой скоростью каждый двигатель должен вращать роторы, чтобы достичь этого.

С точки зрения пилота, управляющие входы такие же, как и для любого самолёта. Во-первых, у нас есть рыскание, когда дрон поворачивается вокруг своей вертикальной оси. Во-вторых, у нас есть тангаж, когда нос дрона поднимается или опускается, заставляя его лететь вперёд или назад. Наконец, у нас есть перекат, когда дрон движется из стороны в сторону. Конечно, вы также можете контролировать величину тяги, которая изменяет высоту полёта дрона.

Все движения дрона представляют собой комбинацию этих движений. Например, полет по диагонали – это сочетание тангажа и крена на элементах управления. Бортовой полётный контроллер выполняет всю сложную работу по выяснению того, как преобразовать команду, например, «наклонить нос» в определённые скорости двигателя.

Коллективные и роторы с фиксированным шагом

Есть ещё один важный аспект того, как летают мультироторные дроны, и он связан с самими роторами. Почти все дроны, которые вы можете купить сегодня, используют роторы с фиксированным шагом. Это означает, что угол, под которым лопасть ротора врезается в воздух, никогда не меняется.

Возвращаясь на мгновение к вертолётам, несущий винт обычно имеет конструкцию с общим шагом. Здесь сложный набор рычагов может изменять угол вращения роторов.

Если шаг равен нулю (лопасти ротора плоские), тяга не создаётся, независимо от того, насколько быстро вращается ротор. По мере увеличения положительного тангажа (направляющий тягу вниз) вертолёт начинает подниматься. Что наиболее важно, роторы могут быть перемещены в положение с отрицательным шагом. В этом случае тяга направлена вверх, поэтому аппарат может спускаться быстрее, чем просто сила тяжести.

Отрицательный шаг означает, что теоретически вертолёт может летать вверх ногами, но на практике большинство полноразмерных вертолётов слишком велики и тяжелы для этого. У масштабных моделей вертолётов такого ограничения нет. Это позволяет небольшим дронам-вертолётам на радиоуправлении направлять тягу во всех трёх измерениях, и совершать умопомрачительные полёты.

С ротором с фиксированным шагом единственный способ увеличить тягу — увеличить скорость ротора, в отличие от вертолёта, где скорость ротора может оставаться постоянной при изменении шага. Это означает, что дрон должен постоянно ускорять или замедлять свои роторы, не может направлять тягу в любом направлении трёхмерного пространства и не может снижаться быстрее свободного падения.

Почему у нас нет дронов с коллективным шагом? Были попытки, такие как Stingray 500 3D Quadcopter, но сложность и стоимость такой конструкции ограничивают её специализированными применениями.

Полёт: простой для пилота, сложный для конструктора

Мультикоптеры, такие как DJI Mini 2, являются чудом инженерной мысли и компьютерных технологий. Они могут летать только благодаря слиянию различных наук и технологий, поэтому вы можете заснять потрясающие ролики с высоты птичьего полёта. Теперь, в следующий раз, когда вы выйдете на прогулку на дроне, задумайтесь о том, сколько знаний и технологий потребовалось для создания этой, казалось бы, игрушки.