Мультикоптеры на ископаемом топливе

в 15:42, , рубрики: diy или сделай сам, бензиновые двигатели, гаджеты, летательные аппараты, мультикоптеры, сравнение

Как известно, удельная энергоемкость бензина и других видов ископаемого топлива на порядок больше, чем у литиевых аккумуляторов любых видов. А мультикоптеры, как одна из самых неэкономичных систем для полетов, нуждаются в высокой энергоемкости больше всех остальных летательных аппаратов. Казалось бы, замени электрические двигатели на бензиновые и лети себе? Но, к сожалению, базовый принцип полета мультикоптеров — постоянная динамическая стабилизация при помощи регулирования оборотов двигателей — не может применяться совместно с бензиновыми двигатели в виду их большой инерционности и гораздо худших точности и диапазонов регулировки. Тем не менее, есть несколько обходных путей.

Так как мне самому хочется сделать коптер с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), я попытался рассмотреть все возможные виды таких летательных аппаратов, с их недостатками и преимуществами.

1. Самый «очевидный» вариант — электрогенератор на ДВС, питающий обычный коптер

Казалось бы, наиболее простой, но эта простота обманчива. Эффективность двойного преобразования механической работы в потоки воздуха от пропеллеров — не так уж и высока, потери составят до 70%. Конструкция получается тоже не слишком-то простой — нужны дополнительные системы контроля для генератора, а требуемая тяга электрических моторов и пропеллеров — примерно 200% от конечного веса аппарата. Вес же этот получается довольно большим (как раз из-за приличной мощности моторов, порядочного веса генератора и его блока контроля), как и габариты. Для тех, кто делает коптеры сам — большие проблемы с подбором комплектующих (достаточно легких и мощных генераторов — не так уж и много, а стоят они очень недешево).

Плюсы: установив небольшой аккумулятор можно обеспечить возможность полета при отказе ДВС (что случается не так уж и редко).

Минусы: низкая эффективность (всего лишь раза в три лучше чем у чисто электрических аппаратов), относительная сложность, дороговизна комплектующих, большие вес и габариты.

Известные реализации: не нашел.

2. Пропеллеры с изменяемым шагом и приводом от ДВС (прямым с несколькими моторами, либо через трансмиссией от одного или более моторов)

Динамичность регулировки тяги достигается изменениями шага винтов (аналогично вертолетным). Получаем 4 или большее количество таких сложных механических систем на борты, соответствующее количество сервоприводов. Вдобавок — ненадежность ДВС отражается на безопасности полетов с таким коптеров. Зато эффективность — на уровне вертолетов (при наличии редукторов и больших вертолетных винтов), хотя и получаемая ценой габаритов и сложной механики.

Плюсы: высокая энергоэффективность (можно довести до вертолетной).

Минусы: высокая механическая сложность, дороговизна (в виду этой самой сложности), практическая невозможность обеспечить полет при отказе ДВС (экстримальные варианты с 6+ ДВС рассматривать не будем), большие габариты.

Известные реализации: как ни странно, имеются. Проект heavy lift copter на Кикстартере (два мотора через трансмиссии крутят четыре винта с изменяемым шагом).

3. Различные виды дополнительной регулировки оборотов ДВС или их тяги — жалюзи, дополнительные моторы-генераторы на валу, тормозящие/ускоряющие ДВС

Фактически тоже самое, что пункт 2, но «вид сбоку». Опять же требуют дополнительных механических систем и сервоприводов (или электрических моторов).

Плюсы: относительно высокая эффективность (без редукторов — всего раза в два ниже вертолетной); у варианта с электрическими моторами-генераторами, регулирующими обороты ДВС путем изменения нагрузки, есть возможность обеспечить аварийный полет при достаточной мощности моторов и наличии дополнительного аккумулятора.

Минусы: тоже механическая сложность, дороговизна, приличный вес.

Известные реализации: тоже имеются, в виде проекта YeAir на Кикстартере.

4. Топливные элементы, питающиеся газом или жидким топливом

К сожалению, пока остаются почти фантастикой, так как достаточно мощые топливные элементы недоступны в свободной продаже.

Плюсы: простота (можно даже пофантазировать о простой замене аккумуляторов на топливные элементы).

Минусы: фантастика на сегодняшний день.

5. Несущий винт с двигателем внутреннего сгорания (возможно даже два — по соосной схеме, либо расположенные достаточно близко, чтобы не создавать большой перекос тяги), плюс несколько корректирующих электрических моторов небольшой мощности

Подъемную силу создает один или два несущих винта, а небольшие электрические двигатели только стабилизируют коптер и компенсируют крутящий момент. Система получается весьма простой, хотя и требует дополнительной батареи для питания корректирующих двигателей (не слишком тяжелой, впрочем, так как от корректирующих двигателей требуются весьма небольшие усилия). Теоретически, можно поставить и генератор небольшой мощности, чтобы не брать или уменьшить эту батарею.

Плюсы: эффективность не хуже п.3, простота конструкции и дешевизна компонентов; аварийный полет теоретически можно обеспечить (второй несущий винт; достаточно мощные корректирующие двигатели с аккумулятором, которые бы сажали коптер при отказе ДВС); возможность обеспечить горизонтальный полет при отказе одного из корректирующих моторов/пропеллеров (если их четыре, как у квадрокоптера) — можно изменить вращение противоположного по диагонали винта на обратное.

Минусы: обеспечение аварийного полета получается все-таки немного сложнее, чем у п.1

Известные реализации: имеются (http://www.youtube.com/watch?v=jYUuv7i8LOo)

Для своего будущего коптера я выбрал вариант номер пять. Пока построил только прототип с электрическими моторами (один мощный, для несущего винта и четыре маломощных корректирующих), даже летает:

image

Буду рад поправкам и предложениям.

Автор: vasimv

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля