Татьяна Александровна Сербина, 14 лет, город Ростов-на-Дону, Российская Федерация
Квадрожабль
План
1. Введение
2. Основная часть
2.1. Квадрокоптер
2.2. Дирижабль
2.3. Квадрожабль
3. Заключение
4. Список используемой литературы
1.
Летательные аппараты настолько разнообразны, что сразу все и не вспомнишь. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Свои плюсы и минусы.
Мы предположили, что изучив плюсы и минусы разных летательных аппаратов, можно изготовить новый, совмещающий в себе достоинства двух совершенно разных летательных аппаратов. Мы обратили внимание на достоинства таких великолепных воздухоплавателей как дирижабль и квадрокоптер.
2.1.
Сегодня о квадрокоптерах не знает только ленивый. Эти беспилотные аппараты используются в качестве игрушек, летающих платформ для фото- и видеосъемки, военных разведчиков и даже спортивных снарядов. Первый квадрокоптер на радиоуправлении появился чуть более 10 лет назад, а сегодня такие устройства уже являются привычными гаджетами. Однако ошибочно думать, что это изобретение сугубо 21 века – первые прототипы подобных аппаратов были разработаны еще в начале прошлого столетия.
Прежде чем углубляться в историю этих аппаратов, необходимо разобраться в их специфике. Под квадрокоптером понимается вертолет, имеющий четыре несущих винта, разнесенных с помощью балок относительно центра корпуса. Каждый из них оснащен собственным двигателем, а работа всех приводов контролируется микропроцессорной системой и тремя гироскопами, обеспечивающими стабильное положение аппарата в воздухе. В зависимости от модели конструкция квадрокоптера может также включать акселерометр, датчик давления, сонар и GPS-приемник. Чтобы исключить поворот аппарата в воздухе, одна половина винтов вращается по часовой стрелке, а вторая – против, тем самым компенсируя крутящий момент. Полет коптера может управляться радиокомандным способом посредством пульта или проходить в автономном режиме по заранее записанному в бортовой компьютер маршруту.
История создания квадрокоптеров началась еще на заре вертолетостроения, а именно в 1920-х годах. Тогда независимо друг от друга над подобной идеей работали американский конструктор российского происхождения Георгий Ботезат и французский инженер Этьен Эмишен – каждый из них придумал пилотируемый аппарат с четырьмя разнесенными винтами, которые приводились в действие одним двигателем через сложную систему трансмиссии. Во время испытаний их вертолеты смогли подняться на небольшую высоту (от 5 до 15 м) и пролететь определенное расстояние (модель Эмишена преодолела 1100 м), однако дальше тестовых полетов дело не пошло. На то имелось 3 причины:
- слишком сложная трансмиссия, передающая крутящий момент с одного двигателя на все роторы, была крайне ненадежной и постоянно выходила из строя;
- для поперечного и курсового управления модель Омишена использовала целых 8 пропеллеров, а аппарат Ботезата мог двигаться только с попутным ветром;
- аппараты не имели системы стабилизации в воздухе, из-за чего были крайне неустойчивым в полете, особенно в ветреную погоду.
Последующее изобретение автомата перекоса и рулевого винта дало зеленый свет вертолетам классической и соосной схемы, и о четырёхвинтовых на время забыли. Лишь в 1950-х годах интерес к ним стал возрождаться, некоторые компании разработали опытные образцы подобных машин. Более совершенный квадрокоптер изобрел тот же Георгий Ботезат в 1956 году – новый вариант его машины уже управлялся с помощью несущих винтов. В качестве весьма успешного примера можно также привести пилотируемый аппарат VZ-7 компании Curtiss-Wright, который в 1958 году прошел летные испытания, показал хорошую стабильность и управляемость, но был отвергнут Армией США из-за недостаточных эксплуатационных характеристик. На этом разработка квадролетов снова затормозилась, и к данной идее вернулись лишь спустя полвека, уже в следующем тысячелетии.
Параллельно развивалась технология создания беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), управляемых дистанционно или в автономном режиме. Особенно это было востребовано военными, которые заинтересовались подобными машинами еще в Первую Мировую войну. Сложно сказать, кто изобрел первый дрон, так как подобные разработки проводились во всех развитых странах того времени, но одним из самых ранних аппаратов этого типа в мелкосерийное производство поступил немецкий беспилотный бомбардировщик Fliegermaus, способный нести бомбовую нагрузку и управляемый по радио. Другой пример такой техники – созданный в 1917 году «Автоматический аэроплан Хьюитта-Сперри», оснащенный двумя гироскопами для полностью автономного полета по заданному курсу.
Если быть совсем точным, то первые военные беспилотники были изобретены еще раньше – в 1849 году австрийская армия использовала воздушные шары с автоматически сбрасываемыми фугасами для бомбардировки Венеции.
В межвоенный период и во Вторую мировую войну бурное развитие получили самолеты-снаряды (в частности, немецкий Фау-1), являющиеся прототипами современных крылатых ракет, а также переоборудованные из обычных моделей беспилотники-разведчики и бомбардировщики. Однако из-за несовершенства технологии (прежде всего контрольного оборудования) все эти и последующие системы были спроектированы в виде самолетов, ракет или вертолетов обычной схемы. Их боевое применение хоть и не было абсолютно удачным, однако поспособствовало тому, что история развития дронов продолжилась дальше.
Появление современных квадрокоптеров.
По прошествии полувека с тестовых испытаний первых квадрокоптеров сложились благоприятные условия для возрождения интереса к этому виду летающей техники:
- во-первых, достижения в области материаловедения позволили создать прочные и легкие полимеры, которые существенно уменьшают вес аппарата;
- во-вторых, прогресс микроэлектроники (а именно появление микропроцессоров) обеспечило базу для более простого и стабильного управления винтокрылыми машинами.
В своем современном виде первые в мире квадрокоптеры появились в 2006 году с выпуском моделей от немецкой компании MikroKopter. Они уже имели бортовой микроконтроллер, 3 гироскопа, барометр и акселерометр, отличались достаточной стабильностью в полете. Чуть позже их дополнили GPS-модулем для фиксации позиции. Квадрокоптер на радиоуправлении от MikroKopter изначально был предназначен для профессионального использования и имел высокую стоимость, однако открытый исходный код привел к появлению на рынке его дешевых клонов, что негативно отразилось на продажах компании. И хотя по данной причине код впоследствии закрыли, это побудило другие фирмы изобретать дроны гражданского назначения в разных ценовых категориях.
В дальнейшем рынок четырёхвинтовых дронов пошел по двум направлениям:
- создание полностью готовых к использованию устройств различного класса, от бюджетных игрушек до профессиональных платформ для видеосъемки, спасательных, полицейских, природоохранных и других операций;
- разработка микроконтроллеров и программного обеспечения к ним, которые можно адаптировать к самодельным или купленным аппаратам.
По первому пути пошли такие ныне известные компании, как Gaui, DJI, XAircraft и другие производители. Как правило, в их продукцию входит сам аппарат, собственная линейка микроконтроллеров и программного обеспечения к ним. Во втором направлении особо отметились такие компании, как MultiWii, KaptainKuk, ArduCopter. При разработке своих микроконтроллеров они часто используют платы Arduino и разрабатывают открытый исходный код, давая возможность энтузиастам самим создавать свои варианты систем.
Еще одной важной технологией, благодаря которой квадрокоптеры появились на широком рынке, явилась система стабилизированной подвески, позволяющая монтировать на аппарат фото- или видеокамеру или иную аппаратуру. Установленные в ней сервоприводы и датчики позволяют компенсировать колебания и развороты дрона по соответствующим осям, обеспечивая подсоединенному оборудованию оставаться в практически неподвижном положении. Это существенно улучшило качество съемки с квадрокоптеров, и именно благодаря этой технологии они сегодня широко используются в рекламе, кинопроизводстве, военном деле и т. д.
Очевидно, что история дронов не остановится на стадии развлечения и узкоспециализированного применения. В Саудовской Аравии уже готовятся в ближайшие годы запустить автоматическое беспилотное такси на базе квадрокоптера, появляются разработки полноценных боевых машин, способных выполнять не только разведывательные функции, но и участвовать непосредственно в военных действиях. Совершенствование этих аппаратов идет сегодня по пути увеличения длительности работы в автономном режиме, расширения функционала, внедрения систем искусственного интеллекта. Оправдают ли квадрокоптеры себя в будущем – покажет время, но уже сегодня они предоставляют широкие возможности в самых различных областях.
2.2. Теперь рассмотрим историю дирижабля
Когда-то дирижабли были основным видом воздушного транспорта. Именно их в первой половине ХХ-го века часто использовали для пассажирских перевозок. Впрочем, с течением времени их стали вытеснять самолеты. Однако дирижабли и теперь активно используются людьми и отказываться от них никто не собирается.
Существует версия, что первые дирижабли были спроектированы еще в Древней Греции. Якобы над их созданием думал даже сам Архимед. Как бы то ни было, но никаких подтверждений тому, что в Древней Греции существовало воздухоплавание, у нас нет. Так что родиной дирижабля считается Франция, которую в XVIII-м веке захватила настоящая воздухоплавательная лихорадка. Началось все со знаменитых братьев Жака-Этьенна и Жозефа-Мишеля Монгольфье, которые в 1783-м году совершили первый полет на воздушном шаре. Вскоре изобретатель Жак Сезар Шарль предложил свой проект аэростата, наполненного водородом и гелием.
Следом появились еще несколько проектов, а затем на авансцену вышел Жан-Батист Мёнье — математик и военный, который и считается «отцом» дирижабля. Он создал проект аэростата, который поднимался бы в воздух при помощи трех воздушных винтов. Согласно идеям Мёнье, такой аппарат мог бы достичь высоты в два-три километра. Использовать его ученый предлагал для военных целей, в первую очередь, для разведки. Впрочем, в 1793-м году Мёнье погиб, так и не доводя свой грандиозный проект до ума. Но идеи его не пропали, хотя и канули в лету примерно на полгода. Новый прорыв произошел в 1852-м, когда другой француз Анри Жиффар совершил первый в истории полет на дирижабле.
Сведений о том, сколько времени он продержался в воздухе и какое расстояние сумел преодолеть, не сохранилось. Однако известно, что в основу его проекта легли идеи Мёнье, а сам полет едва не закончился гибелью воздухоплавателя. И все же дирижабли с паровым двигателем не прижились. В следующие два десятилетия подобные полеты совершались редко. В 1901-м году изобретатель Альберто Сантос-Дюмон облетел на дирижабле Эйфелеву башню.
Это событие широко освещалось французскими газетам, причем журналисты подавали его как сенсацию. Век дирижаблей начался чуть позже, когда в воздухоплавание стали внедрять технологию двигателя внутреннего сгорания.
Толчок к бурному развитию строительства дирижаблей дал немецкий изобретатель Фердинанд фон Цеппелин, имя которого носят, пожалуй, самые известные дирижабли первой половины ХХ-го века. Он сконструировал три модели таких аппаратов, но всякий раз их приходилось дорабатывать.
Строительство стоило немалых денег, начиная работу над последним из своих дирижаблей LZ-3. Цеппелин отдал в залог дом, землю и ряд семейных драгоценностей. В случае провала его ждало разорение. Но тут, как раз, его ждал успех. Аппарат LZ-3, совершивший первый полет в 1906-м году, заметили военные, которые сделали Цепеллину крупный заказ. Так, спустя более века, осуществилась идея Мёнье, который хотел использовать дирижабли для нужд военных.
Так оно и произошло. Первая мировая превратила дирижабли в поистине страшное оружие. Подобные аэростаты уже стояли на вооружении у всех стран-участниц конфликта, но наибольших успехов в этом направлении достигла Германская Империя.
Немецкие дирижабли развивали скорость до 90 километров в час, легко преодолевали 4−5 тысяч километров и могли обрушить на противника несколько тонн бомб. Это выгодно отличало их от легких самолетов, которые редко несли больше пяти бомб. Известно, что 14 августа 1914-го года один немецкий дирижабль едва не сравнял с землей бельгийский город Антверпен. В результате бомбардировки было разрушено более тысячи зданий.
Но дирижабли применялись и в мирных целях. Например, для перевозки грузов. Такой аппарат мог легко доставить по воздуху 8 — 12 тонн багажа. Вслед за грузовыми перевозками возникла и идея перевозок пассажирских. Первая пассажирская линия заработала в 1910-м году. Дирижабли начали выполнять рейсы из Фридрихсхафена в Дюссельдорф. Вскоре пассажирские перевозки заработали во Франции и Великобритании. Бурное развитие отрасли продолжилось и после войны. Так в конце 20-х годов ХХ-го века дирижабли стали выполнять трансатлантические пассажирские перелеты. В 1928-м году легендарный немецкий дирижабль «Граф Цепеллин» совершил первое в истории кругосветное путешествие на аэростате. Закат золотого века наступил в 1937-м голу, после печально известной катастрофы дирижабля «Гинденбург», который выполнял рейс из Германии в США.
При посадке аппарата произошло возгорание, в результате которого дирижабль рухнул на землю (это произошло в окрестностях Нью-Йорка). Погибло 40 человек, а газеты и специалисты по авиации и воздухоплаванию всерьез заговорили о том, что полеты на дирижаблях могут быть небезопасны.
Российская Империя не отставала от Европы в плане воздухоплавания. Уже в конце XIX-го века в стране стали стихийно возникать любительские общества, члены которых пытались сконструировать свои дирижабли. Проекты таких аэростатов предлагали Константин Циолковский и знаменитый в будущем конструктор боевых самолетов Игорь Сикорский.
Первый полет дирижабля в России датируется примерно серединой 1890-х годов. Хотя эти сведения неточны. Интерес общества к дирижаблям не ускользнул от внимания государства. Строительство дирижаблей для нужд армии и других министерств началось уже в 1900-х годах. К моменту начала Первой мировой Российская империя имела 18 боевых дирижаблей. В Советском союзе дирижабли были менее популярны, чем в Европе. Регулярных пассажирских перевозок не существовало, хотя прибытие в Москву «Графа Цеппелина» широко освещалось в советских средствах массовой информации.
В современной России дирижабли отнюдь не забыты. Более того, все чаще появляются проекты внедрения дирижаблей в систему общественного транспорта. Так, осенью 2014-го года в Якутии обсуждался вопрос о создании альтернативных видов транспорта для российского Севера. Решить эту проблему могли бы дирижабли. Комплектующие к ним сейчас производит российский холдинг «КРЭТ», входящий в структуру «Ростеха».
Неверно было бы думать, что в современном мире дирижаблям нет места и что увидеть их можно только в музеях. Это не так. Безусловно, дирижабли проиграли самолетом борьбу за господство в воздухе. Да, пассажирские перевозки на дирижаблях осуществляются редко и, в основном, в экскурсионных целях. Но на самом деле сфера применения этих аэростатов все еще очень широка: это может быть аэрофотосъемка, мониторинг с воздуха, обеспечение безопасности на мероприятиях. Аэростаты, к примеру, охраняли воздушное пространство на Олимпийских играх в Сочи. Могут они применяться и для оперативного определения лесных пожаров. Для таких вариантов использования аэростат должен быть надежно забазирован на одном месте. Для этого применяются поддерживающие устройства — спецмашины на которых установлена система тросов, позволяющая удерживать дирижабль как на земле, так и во время его подъема в небо. В настоящее время единственным отечественным производителем таких устройств является холдинг «Технодинамика», который входит в Госкорпорацию «Ростех». Конструкция называется «Арагвиа-Уау». Что же касается дирижаблей, то они по-прежнему производятся во многих странах мира, в том числе и в России. Полностью отказываться от этих аэростатов люди, пока, не хотят.
2.3.
Изучив историю и свойства дирижабля и квадрокоптера, мы решили создать модель, выбрав лучшие качества и назвали ее квадрожабль.
Квадрокоптер держится в воздухе и управляется за счёт четырёх несущих винтов. Разность скорости вращения и направления вращения винтов позволяют очень эффективно управлять им в воздухе. Основными преимуществами квадрокоптера являются великолепная управляемость в сочетании с устойчивостью, возможность выдерживания заданной барометрической высоты, его способность полёта по заданному маршруту, удержание навигационной точки, возврат в точку вылета с посадкой в автоматическом режиме и т.д.
Однако при таком огромном наборе достоинств, квадрокоптер, на наш взгляд, не лишён и недостатков…
Основной причиной недостатков - является необходимость использования четырёх двигателей, потребляющих огромное количество энергии только для удержания аппарата в воздухе. Увеличение полезной нагрузки неизбежно приведёт к увеличению мощности двигателей, что неизбежно ведёт к увеличенному расходу энергии. Расход энергии, в свою очередь, ведёт к необходимости использовать аккумуляторы большей мощности и, соответственно, значительно большей массы. Всё это снова приводит к увеличению веса конструкции и снижению полезной нагрузки!!!
Рассмотрим теперь положительные и отрицательные стороны такого прекрасного летательного аппарата, как дирижабль.
Задачу удержания его в воздухе осуществляет несущая гондола, заполненная лёгким газом, плотность которого значительно ниже плотности окружающего воздуха. В связи с этим расход энергии у него мизерный. Грузоподъёмность дирижабля зависит не от мощности силовой установки, а только лишь от объёма несущей гондолы. Энергию в основном расходуют маршевые двигатели, хотя и нет необходимости использования двигателей большой мощности. Но горизонтально расположенные двигатели не могут значительно повлиять на устойчивость аппарата, а поворотные двигатели имеют достаточно сложную конструкцию, что в свою очередь влияет на надёжность.
Очередным преимуществом дирижабля является изменяемая грузоподъёмность. Изменяя заполнение несущей гондолы газом, мы можем изменять вес летательного аппарата. Подбирая необходимый минимальный вес, можно добиться, что даже при полном отказе силовой установки, дирижабль начнёт снижение с минимальной вертикальной скоростью, вплоть до посадки. А минимальная скорость снижения обеспечит безопасное приземление для груза, пассажиров и самого летательного аппарата.
Таким образом, проанализировав все эти данные, мы решили объединить лучшие качества дирижабля и квадрокоптера.
Одна часть этого гибрида будет отвечать за устойчивость, управляемость, полёт по маршруту, выдерживание заданной высоты полёта, удержание навигационной точки набор высоты и снижение.
Вторая – за грузоподъёмность и безопасность, в случае отказа силовой части гибрида.
В качестве газа для несущей гондолы решено было применить гелий. Хотя водород и имеет в 4 раза большую подъёмную силу, мы решили не повторять историю «Гинденбурга» и пожертвовали габаритами в пользу безопасности!!!
Пробные полёты модели прошли вполне успешно!!! Невзирая на некоторую «неповоротливость» нашего детища, (высший пилотаж от него и не требовался), модель показала очень хорошие лётно–технические результаты. Вполне устойчивый взлёт, проход по маршруту, набор высоты, снижение. Был успешно выполнен пробный заход на посадку и посадка с отключенными двигателями.
Максимально допустимый вес для нашего квадрокоптера составляет 70 грамм, вес нашей успешно летающей модели составил 395 грамм.
Для изготовления нашей экспериментальной модели, мы решили не применять редких и дорогостоящих материалов. Самый доступный и вполне подходящий материал, это пенопласт. Мы использовали потолочную плитку. Из неё изготовлено основание нашей модели. Затем на основании приклеены лонжероны, усиленные рейками из бальзы.
На готовое основание были укреплены четыре несущих двигателя от квадрокоптера SYMA x5c. Данный маленький квадрокоптер был выбран нами не случайно, ведь мы хотели создать модель, которая будет летать невзирая на очень маленькую мощность несущих двигателей и, следовательно, будет иметь очень маленький расход энергии!!!
В самом центре несущей платформы расположена главная панель управления полётом, которая реагирует на изменение угловых скоростей и регулирует обороты всех четырёх двигателей. Там же находится приёмник управления моделью.
Снизу несущей платформы крепится контейнер для аккумуляторной батареи. На нашей модели используется очень маленький аккумулятор на одну банку 1S3,7в 600mA. Этого аккумулятора вполне хватает для устойчивого и достаточно длительного полёта. Это достигается во первых ввиду очень маленького веса модели, а во вторых потому, что диапазон оборотов двигателей большую часть времени полёта находится в пределах 10-50 % от максимальных оборотов.
Сверху основной несущий корпус закрыт 2 мм подложкой под ламинат, это придало нашей платформе аэродинамическую, хорошо обтекаемую форму и добавило прочности нашей конструкции.
Клей для нашей модели мы применили полимерный, как самый доступный и безопасный. Этот клей обладает великолепными клеящими свойствами, (при соблюдении технологии) и обладает незначительным весом. Для наших целей подходит такой клей как «Титан» или «Дракон».
В качестве основной несущей гондолы на готовой модели будут использоваться два больших шара, заполненных гелием. Пока, в качестве эксперимента мы использовали обычные воздушные шарики с гелием.
Максимальный вес допустимый для используемого нами квадрокоптера составляет всего 70 грамм. Вес нашей модели составляет 385 грамм! И это не предел нагрузки, так как подъёмную силу нашей модели обеспечивают не двигатели, а несущая гондола, грузоподъёмность которой зависит лишь от объёма находящегося в ней гелия.
3.
Таким образом, нам удалось создать модель, которая при мизерном расходе энергии способна выполнять устойчивый, а главное безопасный полёт при массе значительно превышающей допустимый вес для данных двигателей и винтов. Всё это получилось благодаря использованию несущей гондолы. Так как при большой массе нашей модели, заполнением гондолы гелием мы можем снизить вес модели до допустимого для данной силовой установки.
Также заполнением гондолы газом, или снижая давление в ней мы можем регулировать полёт модели по высоте не прибегая к помощи двигателей. Поэтому даже при полном отказе силовой установки, с помощью изменения давления в гондоле мы можем добиться любой вертикальной скорости снижения. Таким образом обеспечить безопасную посадку летательного аппарата.
Цель нашего эксперимента успешно достигнута, доказана жизнеспособность гибрида дирижабля и квадрокоптера.
Используемая литература и интернет-ресурсы:
- Арие М. Я. Дирижабли. 1986.
- Асмаков С. Современные мультикоптеры: многообразие моделей и проблема выбора 2016 г.
- Корнилов, В. А., Д. С. Молодяков, Ю. А. Синявская. Система управления мультикоптером (2012)
- Лосик С. А., Козлов И. А. Оборудование дирижаблей. 1939.
- Набиев Р.Н., Aбдуллаев A. А. Обзор этапов развития, конструкций и проблем проектирования БПЛА типа мультикоптер / Статья журнала «Современная наука: актуальные проблемы теории и практики»
- Нобиле У. Крылья над полюсом. 1984.
- Яценков В. С. Электроника. Твой первый квадрокоптер. Теория и практика 2017.
- https://diletant.media/articles/25200564/
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Дирижабль
- https://my-facts.ru/sdelano-chelovekom/istoriya-sozdaniya-dirizhablej
- https://zen.yandex.ru/media/id/5a9e7bd857906a3f350e1077/pervyi-kvadrokopter-istoriia-poiavleniia-5aabbdeadcaf8e4afd56a49d
- https://russiandrone.ru/publications/istoriya-sozdaniya-sovremennogo-kvadrokoptera-fakty-i-video/
- https://www.moyo.ua/news/kogda_izobreli_kvadrokopter_istoriya_kvadrokopterov_s_2006_i_po_segodnya.html
| 
