Дрон по имени мультикоптер

Беспилотные летательные аппараты в формате мультикоптеров (квадрокоптеры, гексокоптеры и т.п.) прочно обосновались в арсенале военных и иных силовых структур. Рама с несколькими двигателями и пропеллерами стала основой для множества моделей разведывательных и штурмовых дронов — от карманных до тяжелых. Придумали многовинтовые устройства совершенно мирные самодельщики-любители, которые и подумать не могли, что их изобретение когда-то научится стрелять, бомбить и вести разведку! «Армейский стандарт» изучил этот сегмент дронов.

Электрический полет

Дистанционно управляемые летающие модели и их конструкторы всегда были элитой «хоббийного» моделизма. Сложность создания самолетов и вертолетов делала их редкими гостями в небе даже за рубежом, не говоря уж об СССР, где индустрия комплектующих для такого хобби всегда была крайне слаборазвитой.

Долгие десятилетия летающие модели ограничивались разновидностями самолетов (простые кордовые модели, летающие на тросике по кругу — не в счет) и вертолетов. Последние и вовсе были экзотикой.

Двигатели применялись исключительно внутреннего сгорания, на нитрометане, реже — бензине, ибо электрические технологии прошлых лет категорически не позволяли летать с их помощью. Даже самые эффективные электромоторы имели слишком невыгодный баланс мощности и веса… Самые лучшие аккумуляторы страдали от того же самого.

При всем уважении к серьезной работе авиамодельных кружков в нашей стране, а также деятельности хорошо обеспеченных зарубежных моделистов-любителей, чьи лаборатории порой не уступали серьезным НИИ, никому из них не удалось добиться серьезных успехов в постройке эффективных образцов летающих электрических моделей. Так было, пока не появились промышленно выпускаемые коммерческие образцы мощных и миниатюрных бесщеточных (вентильных) электромоторов на постоянных магнитах, а также литий-ионных аккумуляторов. Только вместе эти две технологии сумели дать мощнейший толчок разработке и постройке летающих моделей самолетов и вертолетов.

Первые коммерческие модели-игрушки электрических летательных аппаратов начали продаваться в магазинах уже с первой половины 90-х годов. Однако с никель-кадмиевыми батареями (хотя и умеющими в моменте отдавать большие токи, но тяжелыми и малоемкими), результаты не впечатляли.

Лишь в начале 2000 годов норвежский инженер и моделист-хоббийщик Питер Мурен первым в мире догадался объединить бесколлекторные моторы и литий-ионные аккумуляторы, получив мощную тягу, малый вес и существенную продолжительность полета небольшого электрического вертолетика классического дизайна с несущим винтом и хвостовым пропеллером (о квадро- и прочих коптерах в их современном понимании речь еще и не шла!)

Следующий рывок в развитии произошел во втором десятилетии нашего века, когда стали доступны дешевые миниатюрные гироскопы, позволяющие стабилизировать полет вертолета. До их распространения удержание миниатюрной винтокрылой машины в воздухе было делом крайне сложным и сильно мешающим росту популярности этого вида моделей. Да и цены еще лет пять назад держались на очень высоком уровне даже на самые малогабаритные модели весом до 10–150 граммов. Что уж говорить о более крупных аппаратах.

Хорошо забытое старое

Пока же коммерческие производители по всему миру разрабатывали, улучшали и выпускали разномасштабные модели радиоуправляемых вертолетов, энтузиасты-моделисты экспериментировали со схемами мультикоптеров. Может показаться, что мультикоптер — это изобретение последних лет и в некоторой степени эволюция классического вертолета, но на самом деле все не так!

Первый квадрокоптер — вертолет с четырьмя винтами, крестообразно расположенными на раме в одной плоскости, появился почти одновременно с вертолетом в его современном «каноничном» виде. В 1907–1911 годах первые жизнеспособные (хотя и беспилотные) вертолеты с винтами соосной схемы демонстрировал на воздухоплавательной выставке в Киеве Игорь Сикорский.

А в 1907 году недалеко от Парижа братья Луи и Жак Бреге подняли в воздух на привязи на высоту около полутора метров свой экспериментальный квадрокоптер. Его четыре 8-метровых винта приводились в движение от 45-сильного бензинового мотора.

Также хорошо известны эксперименты нашего соотечественника, ученого авиаконструктора Георгия Ботезата, который, покинув Россию после революции 1917 года, трудился в Национальном консультативном комитете по аэронавтике США, где в 1922 году и построил свой четырехвинтовой вертолет по схеме квадрокоптера. Благодаря инновационной алюминиевой Х-образной раме, машина с 170-сильным мотором и 4 винтами уже могла нести трех человек и совершила за несколько лет более ста успешных тестовых полетов.

Почему на заре вертолетостроения квадрокоптеры не смогли утвердиться и уступили место вертолетам традиционной конструкции, какой мы ее знаем сегодня? Дело в том, что все разработки начала века использовали один двигатель внутреннего сгорания и раздачу крутящего момента от него на несколько винтов — карданными, цепными, ременными передачами. Все это было невероятно сложно и ненадежно. Однако применение для каждого отдельного винта своего мотора, как практикуется в современных электрических моделях мультикоптеров, и вовсе не позволило бы машине оторваться от земли из-за веса.

В итоге изобретение автомата перекоса винта увело развитие сегмента винтокрылых машин в формат схемы классического вертолета, а мультикоптеры были на долгие годы забыты.

Мультикоптерная революция

Главное достоинство коптеров, имеющих много винтов, лежащих в одной плоскости — отличная управляемость, маневренность и живучесть. Но раньше, в эпоху засилья двигателей внутреннего сгорания, эти плюсы не могли быть в полной мере реализованы. Прежде всего, из-за сложности автоматического и синхронного управления тягой нескольких моторов с мгновенной обратной связью от изменения условий — положения летательного аппарата в воздухе, ветра, маневров, загрузки и т.п. Сегодня же появление мощных и при этом компактных бесколлекторных электромоторов, а также аккумуляторов с большой удельной емкостью и быстродействующих компьютеров, позволило вернуться к когда-то признанной бесперспективной конструкции. Появились коптеры с четырьмя, пятью, шестью, восемью и более пропеллерами — соответственно, квадрокоптеры, пента-, гекса- и октакоптеры.

Почему к мультикоптерам принято относить модели с числом моторов/винтов от четырех и выше? Потому что именно такая конструкция позволила обеспечить неуязвимость при отказе одного из двигателей. Даже трехмоторный мультикоптер при отказе двигателя начинает хаотично крутиться на воображаемой оси, образованной линией, идущей от одного из оставшихся живым мотора к другому. Про двухмоторный вариант и говорить нечего.

А вот у пострадавшего квадрокоптера три двигателя образуют в плоскости устойчивый треугольник — такая фигура способна стабильно держаться в воздухе и управляться, особенно, если умная электроника по сигналам гироскопов временно форсирует уцелевшие моторы, подав на них увеличенное (в сравнении с обычным) напряжение и подняв тягу. Плюс, что важно, у технически продвинутых моделей все вышеописанное произойдет автоматически, без необходимости ручного реагирования со стороны оператора!

Квадрокоптер тактический

Первые тактические квадрокоптеры, способные стрелять по противнику, пошли по дорожке, проторенной совершенно мирными и далекими от всяческих боевых задач любителями-моделистами!

Принято считать, что первые сколь-либо существенные и результативные эксперименты в области создания миниатюрных тактических дронов-вертолетов провела почившая ныне американская компания Neural Robotics в 2004 году. На радиоуправляемый вертолет с бензиновым двигателем в 0,7 лошадиных сил они установили полуавтоматический дробовик 12 калибра. Модель летала и стреляла, иногда даже попадая в мишень с расстояния около десяти метров, однако была нестабильной, плохо управляемой и медлительной.

Но самое главное — требовала для управления виртуоза-оператора. Поскольку контролировать с пульта управления полет классического двухвинтового вертолета, да еще с двигателем внутреннего сгорания, было крайне сложно. Ничем конкретным эксперименты со стреляющими моделями вертолетов не кончились. Их вовремя сменили квадрокоптеры, которые изначально могли похвастаться высокой стабилизацией в воздухе. Их операторы даже без многолетних тренировок были способны без труда сосредоточиться на движении и окружающей обстановке, не тратя половину внимания и сил на удержание модели в воздухе.

Так любительская инженерная мысль опередила военную! Одновременно множеству энтузиастов-любителей по всему миру пришла в голову лежащая на поверхности идея установить на мультикоптер так называемую «римскую свечу» — фейерверочную картонную трубку, в которой последовательно располагались десяток-другой взрывающихся шаров, чередующихся с вышибными пороховыми зарядами.

Установленная горизонтально «римская свеча» стреляла огненными шарами в горизонтальной плоскости в направлении полета квадрокоптера. Видео подобных полетов, а затем и воздушных «сражений» двух и более моделей, вызывали фурор, и именно они подтолкнули ученых военных НИИ разных стран к признанию мультикоптеров наиболее стабильной и перспективной платформой для создания широкого сегмента малогабаритных разведывательных и тактических беспилотных летательных аппаратов.

Например, перспективнейшее направление, посильное даже для коммерческих моделей мультикоптеров (не говоря уже о специализированных!) — борьба со снайперами противника. Даже небольшие и относительно бюджетные модели могут быть оснащены тепловыми датчиками и устройствами сброса гранаты — коптеры способны обнаруживать вышедших на позиции снайперов задолго до того, как они совершат первый выстрел. Такая тактика эффективнее применения лазерных приборов оптико-электронного противодействия, рассчитанных на обнаружение прицела снайпера и ослепление его с земли. То же самое касается борьбы с наводчиками, корректировщиками, пулеметными и минометными расчетами, засадами.

Батарея… на бензине

Впрочем, как ни крути, но главным фактором, ограничивающим использование мультикоптеров в целях обеспечения безопасности, по-прежнему остается вопрос автономности. Даже самые лучшие аккумуляторы, которые намного превзошли технологии прошлых лет, остаются малоэффективными.

Похоже, что, как и в случае с эволюцией автомобилей от бензина к электричеству, не обойтись без гибридного варианта питания. Но в истории с мультикоптерами гибридность выглядит лучше и менее «временно», нежели в автопроме, где ее рассматривают лишь как нелепый вынужденный этап.

К примеру, компания Top Flight Technologies успешно разработала и обкатывает концепцию гибридных квадрокоптеров, которые могут находиться в воздухе несколько часов, летать на большие расстояния и перевозить тяжелые грузы. Ее модели используют работающий на бензине турбовинтовой генератор в качестве источника электроэнергии, которая, в свою очередь, питает традиционные бесколлекторные моторы, установленные по числу винтов.

Модель Airborg H8 10K с размахом винтов почти в два метра способна находиться в воздухе непрерывно в течение трех часов с грузом около 4 кг, и около часа — с максимальной загрузкой в 15 кг. Максимальная скорость — 64 км/ч. Дальность действия — до 160 км. При этом в полезную нагрузку топливо не входит — полная заправка баков — чуть менее 20 литров. Подобные характеристики с использованием любых разновидностей литиевых аккумуляторов пока недостижимы.

Управлять квадрокоптером с земли, включая режим «прямого видения», когда изображение передается в реальном времени с камеры летательного аппарата на дисплей пульта оператора, можно с расстояния до трех километров, а снимать показания телеметрии — с 15 км.