Un cuadricóptero , también llamado cuadricóptero , o cuadrotor [1] es un tipo de helicóptero o multicóptero que dispone de cuatro rotores . [2]
Aunque los helicópteros cuadrotor y convertiplanos se han volado experimentalmente durante mucho tiempo, la configuración siguió siendo una curiosidad hasta la llegada de los modernos vehículos aéreos no tripulados o drones. El pequeño tamaño y la baja inercia de los drones permiten el uso de un sistema de control de vuelo particularmente simple, lo que ha aumentado considerablemente la practicidad del pequeño cuadrotor en esta aplicación.
Cada rotor produce sustentación y torsión alrededor de su centro de rotación, así como resistencia opuesta a la dirección de vuelo del vehículo.
Los cuadricópteros generalmente tienen dos rotores que giran en el sentido de las agujas del reloj (CW) y dos en el sentido contrario a las agujas del reloj (CCW). El control de vuelo se obtiene mediante la variación independiente de la velocidad y, por tanto, de la sustentación y del par de cada rotor. El cabeceo y el balanceo se controlan variando el centro neto de empuje , y la guiñada se controla variando el par neto . [3]
A diferencia de los helicópteros convencionales, los cuadricópteros no suelen tener control de paso cíclico, en el que el ángulo de las palas varía dinámicamente a medida que giran alrededor del cubo del rotor. En los primeros días del vuelo, los cuadricópteros (entonces denominados cuadricópteros o simplemente helicópteros ) se vieron como una posible solución a algunos de los problemas persistentes en el vuelo vertical. Los problemas de control inducidos por el par (así como los problemas de eficiencia que se originan en el rotor de cola , que no genera sustentación útil) pueden eliminarse mediante la contrarrotación, y las palas relativamente cortas son mucho más fáciles de construir. En las décadas de 1920 y 1930 aparecieron varios diseños tripulados. Estos vehículos estuvieron entre los primeros vehículos de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) más pesados que el aire que tuvieron éxito . [4] Sin embargo, los primeros prototipos sufrieron un rendimiento deficiente, [4] y los últimos prototipos requirieron demasiada carga de trabajo del piloto, debido a un aumento deficiente de la estabilidad [5] y una autoridad de control limitada.
Si los cuatro rotores giran a la misma velocidad angular , con dos girando en el sentido de las agujas del reloj y dos en el sentido contrario, el par neto alrededor del eje de guiñada es cero, lo que significa que no hay necesidad de un rotor de cola como en los helicópteros convencionales. La guiñada se induce al no coincidir el equilibrio en los pares aerodinámicos (es decir, al compensar los comandos de empuje acumulativos entre los pares de palas contrarrotativas). [6] [7]
Todos los cuadricópteros están sujetos a la aerodinámica normal de los helicópteros, incluido el estado del anillo de vórtice . [ cita necesaria ]
Los principales componentes mecánicos son el fuselaje o bastidor, los cuatro rotores (ya sean de paso fijo o de paso variable) y los motores. Para obtener el mejor rendimiento y los algoritmos de control más simples, los motores y las hélices están equidistantes. [8]
Para permitir más potencia y estabilidad con un peso reducido, un cuadricóptero, como cualquier otro multirotor, puede emplear una configuración de rotor coaxial . En este caso, cada brazo tiene dos motores que giran en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). [ cita necesaria ]
La configuración del cuadricóptero es relativamente sencilla de programar para vuelo autónomo. Esto ha permitido realizar experimentos con un comportamiento de enjambre complejo basado en la detección básica de los drones adyacentes. [ cita necesaria ]
El tiempo de vuelo más largo logrado por un cuadricóptero alimentado por batería fue de 2 horas, 31 minutos y 30 segundos. El récord lo estableció Ferdinand Kickinger de Alemania en 2016. [9] Para establecer el récord, Kickinger utilizó baterías de iones de litio de alta capacidad y baja tasa de descarga y despojó la estructura del avión de peso no esencial para reducir el consumo de energía y extender la resistencia. . [10]
Se han utilizado fuentes de energía alternativas como pilas de combustible de hidrógeno y generadores híbridos de gas y electricidad para ampliar drásticamente la resistencia debido a la mayor densidad de energía tanto del hidrógeno como de la gasolina, respectivamente. [11]
El primer aerodino más pesado que el aire que despegó verticalmente fue un helicóptero de cuatro rotores diseñado por Louis Breguet . Fue probado sólo en vuelo atado y a una altitud de unos pocos pies. En 1908 se informó que había volado "varias veces", aunque los detalles son escasos. [12]
Etienne Oehmichen experimentó con diseños de helicópteros en la década de 1920. Entre los diseños que probó se encontraba el Oehmichen No. 2, que empleaba cuatro rotores de dos palas y ocho hélices, todos impulsados por un solo motor. El ángulo de las palas del rotor podría variarse mediante deformación. Cinco de las hélices, que giraban en el plano horizontal, estabilizaban la máquina lateralmente. Se montó otra hélice en el morro para dirigir. El par de hélices restantes funcionaba como propulsión hacia adelante. El avión exhibió un grado considerable de estabilidad y aumento en la precisión del control para su época, y realizó más de mil vuelos de prueba a mediados de la década de 1920. En 1923 podía permanecer en el aire durante varios minutos seguidos y el 14 de abril de 1924 estableció el primer récord FAI de distancia para helicópteros de 360 m (390 yardas). Demostró la capacidad de completar un recorrido circular [13] y luego completó el primer vuelo en circuito cerrado de 1 kilómetro (0,62 millas) en un helicóptero.
El Dr. George de Bothezat e Ivan Jerome desarrollaron el helicóptero de Bothezat , con rotores de seis palas al final de una estructura en forma de X. Se utilizaron dos pequeñas hélices con paso variable para controlar el empuje y la orientación. El vehículo utilizó control de paso colectivo. Construido por el Servicio Aéreo del Ejército de los Estados Unidos , realizó su primer vuelo en octubre de 1922. A finales de 1923 se realizaron alrededor de 100 vuelos. La altura más alta que jamás alcanzó fue de unos 5 m (16 pies 5 pulgadas). Aunque demostró viabilidad, tenía poca potencia, no respondía, era mecánicamente complejo y susceptible a problemas de confiabilidad. La carga de trabajo del piloto era demasiado alta durante el vuelo estacionario para intentar el movimiento lateral.
El Convertawings Modelo A Quadrotor estaba destinado a ser el prototipo de una línea de helicópteros civiles y militares mucho más grandes. El diseño presentaba dos motores que impulsaban cuatro rotores a través de un sistema de correas en V. No se necesitaba ningún rotor de cola y el control se obtenía variando el empuje entre los rotores. [14] Volado muchas veces desde 1956, este helicóptero demostró el diseño de cuadricóptero y también fue el primer helicóptero de cuatro rotores en demostrar un vuelo hacia adelante exitoso. Sin embargo, debido a la falta de pedidos de versiones comerciales o militares, el proyecto fue cancelado. Convertawings propuso un Modelo E que tendría un peso máximo de 42.000 lb (19 t) con una carga útil de 10.900 lb (4,9 t) en 300 millas y hasta 173 mph (278 km/h). El rotor sin cojinetes Hanson Elastic Articulated (EA) surgió del trabajo realizado a principios de la década de 1960 en Lockheed California por Thomas F. Hanson, quien había trabajado anteriormente en Convertawings en el diseño del rotor y el sistema de control del cuadrotor. [15] [16]
El proyecto Gloster Crop Sprayer de 1960 fue un ejemplo temprano de un dron cuadricóptero. Para ser propulsado por un motor plano de cuatro cilindros refrigerado por aire Potez 4E de 105 hp, su carga útil de 20 gal se descargó a través de un brazo rociador de 22 pies. Dos operadores llevaban balizas de localización en los extremos opuestos del recorrido de pulverización, de modo que el cuadricóptero siempre se centrara en una baliza y no se sobrepasara. Sin embargo, a pesar de los requisitos de diseño y funcionamiento mucho más simplificados en comparación con una máquina pilotada, la junta directiva de la empresa matriz se negó a desarrollarla y se quedó en un proyecto en papel. [17]
El Curtiss-Wright VZ-7 de 1958 era un avión VTOL diseñado por Curtiss-Wright en competencia por el "jeep volador" del Comando de Investigación y Transporte del Ejército de EE. UU. El VZ-7 se controlaba cambiando el empuje de cada uno de los cuatro rotores del ventilador con conductos.
El Piasecki PA-97 fue una propuesta de un gran avión híbrido en la década de 1980 en el que se combinaban cuatro fuselajes de helicóptero con un dirigible más ligero que el aire.
El concepto Bell Boeing Quad TiltRotor lleva el concepto de cuadricóptero fijo más allá al combinarlo con el concepto de rotor basculante para un transporte militar propuesto del tamaño de un C-130.
Airbus está desarrollando un cuadricóptero propulsado por baterías que actuará como taxi aéreo urbano, al principio con un piloto pero potencialmente autónomo en el futuro. [18]
En las primeras décadas de la década de 2000, el diseño de cuadricóptero se hizo popular para vehículos aéreos no tripulados o drones de pequeña escala. La necesidad de aviones con mayor maniobrabilidad y capacidad de vuelo estacionario ha llevado a un aumento en la investigación de cuadricópteros. El diseño de cuatro rotores permite que los cuadricópteros tengan un diseño relativamente simple pero sean altamente confiables y maniobrables. Continúan las investigaciones para aumentar las capacidades de los cuadricópteros mediante avances en la comunicación entre múltiples naves, la exploración del entorno y la maniobrabilidad. Si estas cualidades en desarrollo se pueden combinar, los cuadricópteros serían capaces de realizar misiones autónomas avanzadas que actualmente no son posibles con otros vehículos. [19]
Mientras que a principios de los años 90 se produjeron en Japón pequeños cuadricópteros de juguete teledirigidos, el primero con una cámara que se produjo en grandes cantidades (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, posteriormente también Draganflyer I, de la start-up canadiense Draganfly) no se fabricó en Japón. diseñado hasta 1999. [20] [21]
Entre 2005 y 2010, los avances en la electrónica permitieron la producción de controladores de vuelo, acelerómetros ( IMU ), sistemas de posicionamiento global y cámaras, livianos y económicos. Esto dio lugar a que la configuración de cuadricóptero se hiciera popular para pequeños vehículos aéreos no tripulados . Con su pequeño tamaño y maniobrabilidad, estos cuadricópteros pueden volar tanto en interiores como en exteriores. [1] [22]
Para los drones pequeños, los cuadricópteros son más baratos y duraderos que los helicópteros convencionales debido a su simplicidad mecánica. [23] Sus hojas más pequeñas también son ventajosas porque poseen menos energía cinética, lo que reduce su capacidad de causar daño. En el caso de los cuadricópteros de pequeña escala, esto hace que los vehículos sean más seguros para una interacción cercana. También es posible equipar a los cuadricópteros con protectores que cubran los rotores, reduciendo aún más el potencial de daños. [2] Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño, los cuadricópteros de hélice fija desarrollan desventajas en relación con los helicópteros convencionales. El aumento del tamaño de las palas aumenta su impulso. Esto significa que los cambios en la velocidad de la hoja toman más tiempo, lo que impacta negativamente en el control. Los helicópteros no experimentan este problema ya que aumentar el tamaño del disco del rotor no afecta significativamente la capacidad de controlar el paso de las palas.
Debido a su facilidad de construcción y control, los cuadricópteros son populares como proyectos de modelos de aviones para aficionados. [24] [25]
A lo largo del siglo XXI, se han reportado casos de drones cuadricópteros utilizados para actividades delictivas. Debido a la construcción del muro fronterizo entre México y Estados Unidos , algunos cárteles de la droga han recurrido al uso de cuadricópteros para contrabandear drogas. [26] Sin embargo, los drones cuadricópteros no necesariamente solo trafican drogas a través de la frontera, sino que también hay casos en los que armas y otros artículos prohibidos se introducen de contrabando en prisiones de todo el mundo. [27]
Los delitos con drones quadcopter también están ocurriendo en Europa. En agosto de 2021, un agente de policía de la República Checa confiscó un cuadricóptero que transportaba una bolsita de metanfetamina . [28]
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