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Cuadricóptero

Un dron cuadricóptero DJI Phantom en vuelo
Cuadricóptero de carreras típico con estructura de fibra de carbono y cámara FPV

Un cuadricóptero , también llamado cuadricóptero o cuadrirrotor [1] es un tipo de helicóptero o multicóptero que tiene cuatro rotores . [2]

Aunque los helicópteros y convertiplanos cuadricópteros se han utilizado durante mucho tiempo con fines experimentales, su 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 enormemente la practicidad del pequeño cuadricóptero en esta aplicación.

Principios de diseño

Cada rotor produce sustentación y torque alrededor de su centro de rotación, así como también resistencia en dirección opuesta a la dirección de vuelo del vehículo.

Los cuadricópteros suelen tener 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 del vuelo se proporciona mediante la variación independiente de la velocidad y, por lo tanto, de la sustentación y el par de cada rotor. El cabeceo y el balanceo se controlan variando el centro neto de empuje , mientras que 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 eje del rotor. En los primeros días del vuelo, los cuadricópteros (entonces denominados cuadrirrotores o simplemente helicópteros ) fueron vistos 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 originados por el rotor de cola , que no genera sustentación útil) se pueden eliminar mediante la contrarrotación, y las palas relativamente cortas son mucho más fáciles de construir. Una serie de diseños tripulados aparecieron en los años 1920 y 1930. Estos vehículos estuvieron entre los primeros vehículos de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) exitosos . [4] Sin embargo, los primeros prototipos sufrieron un rendimiento deficiente, [4] y los prototipos posteriores requirieron demasiada carga de trabajo del piloto, debido al pobre aumento de la estabilidad [5] y la autoridad de control limitada.

Esfuerzo de torsión

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 sobre el 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 desequilibrar los pares aerodinámicos (es decir, al compensar los comandos de empuje acumulados entre los pares de palas que giran en sentido contrario). [6] [7]

Estado del anillo del vórtice

Todos los cuadricópteros están sujetos a la aerodinámica normal de los helicópteros, incluido el estado de anillo de vórtice . [ cita requerida ]

Estructura mecánica

Los componentes mecánicos principales son el fuselaje o armazón, los cuatro rotores (de paso fijo o variable) y los motores. Para lograr el mejor rendimiento y algoritmos de control más simples, los motores y las hélices están equidistantes. [8]

Rotores coaxiales

Cuadricóptero coaxial  – OnyxStar FOX-C8 XT Observer de AltiGator

Para permitir más potencia y estabilidad con un peso reducido, un cuadricóptero, como cualquier otro multirrotor , puede emplear una configuración de rotor coaxial . En este caso, cada brazo tiene dos motores que funcionan en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). [ cita requerida ]

Operaciones

Vuelo autónomo

La configuración del cuadricóptero es relativamente sencilla de programar para el vuelo autónomo, lo que ha permitido realizar experimentos con comportamientos complejos de enjambre basados ​​en la detección básica de los drones adyacentes. [ cita requerida ]

Resistencia

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 el alemán Ferdinand Kickinger en 2016. [9] Para lograr el récord, Kickinger utilizó baterías de iones de litio de alta capacidad y baja tasa de descarga y despojó al fuselaje de peso no esencial para reducir el consumo de energía y extender la autonomía. [10]

Se han utilizado fuentes de energía alternativas, como las pilas de combustible de hidrógeno y los generadores híbridos de gas y electricidad, para ampliar drásticamente la autonomía debido a la mayor densidad energética del hidrógeno y la gasolina, respectivamente. [11]

Historia

Pioneros

El primer aerodino más pesado que el aire que despegó verticalmente fue un helicóptero de cuatro rotores diseñado por Louis Breguet . Se probó únicamente en vuelo cautivo 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 estaba 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 podía variarse mediante deformación. Cinco de las hélices, que giraban en el plano horizontal, estabilizaban la máquina lateralmente. Otra hélice estaba montada en el morro para la dirección. El par restante de hélices funcionaba como su propulsión hacia adelante. El avión exhibió un grado considerable de estabilidad y aumento en la precisión de control para su época, y realizó más de mil vuelos de prueba durante mediados de la década de 1920. En 1923 pudo permanecer en el aire durante varios minutos seguidos, y el 14 de abril de 1924, estableció el primer récord de distancia de la FAI para helicópteros de 360 ​​m (390 yd). Demostró la capacidad de completar un recorrido circular [13] y, más tarde, completó el primer vuelo en circuito cerrado de 1 kilómetro (0,62 millas) realizado por un helicóptero.

Helicóptero de Bothezat , foto de 1923

El Dr. George de Bothezat e Ivan Jerome desarrollaron el helicóptero de Bothezat , con rotores de seis palas en el extremo de una estructura en forma de X. Se utilizaron dos pequeñas hélices de paso variable para el control de empuje y guiñada. El vehículo utilizaba control de paso colectivo. Construido por el Servicio Aéreo del Ejército de los Estados Unidos , realizó su primer vuelo en octubre de 1922. Se realizaron alrededor de 100 vuelos a fines de 1923. La mayor altura que alcanzó fue de unos 5 m (16 pies 5 pulgadas). Aunque demostró ser viable, 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.

Era de posguerra

El Convertawings Model A Quadrotor fue concebido para ser el prototipo de una línea de helicópteros civiles y militares mucho más grandes. El diseño incluía dos motores que impulsaban cuatro rotores a través de un sistema de correas trapezoidales. No se necesitaba 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 cuadrirrotor 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 se dio por terminado. Convertawings propuso un Modelo E que tendría un peso máximo de 42.000 libras (19 t) con una carga útil de 10.900 libras (4,9 t) a lo largo de 300 millas y hasta 173 mph (278 km/h). El rotor sin cojinetes Hanson Elastic Articulated (EA) surgió del trabajo realizado a principios de los años 1960 en Lockheed California por Thomas F. Hanson, quien anteriormente había trabajado en Convertawings en el diseño del rotor y el sistema de control del cuadricóptero. [15] [16]

El proyecto Gloster Crop Sprayer de 1960 fue uno de los primeros ejemplos de un dron cuadricóptero. Iba a ser propulsado por un motor de cuatro cilindros plano refrigerado por aire Potez 4E de 105 hp, y su carga útil de 20 galones se descargaba a través de una barra de pulverización de 22 pies. Dos operadores llevaban balizas de localización en extremos opuestos de la pista de pulverización, de modo que el cuadricóptero siempre se dirigiera a una baliza y no se pasara de largo. Sin embargo, a pesar del diseño y los requisitos operativos mucho más simplificados en comparación con una máquina pilotada, la junta directiva de la empresa matriz se negó a desarrollarlo y siguió siendo un proyecto en papel. [17]

Curtiss Wright VZ-7

El Curtiss-Wright VZ-7 de 1958 fue un avión VTOL diseñado por Curtiss-Wright para competir por el "jeep volador" del Comando de Transporte e Investigación del Ejército de los Estados Unidos. El VZ-7 se controlaba modificando el empuje de cada uno de los cuatro rotores de ventilador entubados.

El Piasecki PA-97 fue una propuesta de un gran avión híbrido en el que se combinaban cuatro fuselajes de helicóptero con un dirigible más ligero que el aire en la década de 1980.

Desarrollos actuales

El concepto Quad TiltRotor de Bell Boeing lleva el concepto de cuadricóptero fijo más allá al combinarlo con el concepto de rotor inclinable para un transporte militar propuesto del tamaño del C-130.

Prototipo volador del Parrot AR.Drone
Despegue del Parrot AR.Drone 2.0, Nevada, 2012

Airbus está desarrollando un cuadricóptero alimentado por batería que actuará como taxi aéreo urbano, al principio con un piloto pero potencialmente autónomo en el futuro. [18]

Drones

Los drones FPV "whoop" pueden ser tan ligeros como 30 gramos

En las primeras décadas de la década de 2000, el diseño de cuadricóptero se ha vuelto popular para vehículos aéreos no tripulados o drones de pequeña escala. La necesidad de aeronaves 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 sean relativamente simples en diseño pero altamente confiables y maniobrables. La investigación continúa aumentando las capacidades de los cuadricópteros mediante avances en comunicación entre múltiples naves, exploración del entorno y maniobrabilidad. Si estas cualidades en desarrollo se pueden combinar, los cuadricópteros serían capaces de misiones autónomas avanzadas que actualmente no son posibles con otros vehículos. [19]

Si bien ya a principios de los años 90 se empezaron a fabricar en Japón pequeños cuadricópteros de juguete controlados a distancia, el primero con cámara que se fabricó en cantidades significativas (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, posteriormente también Draganflyer I, de la start-up canadiense Draganfly) no se diseñó hasta 1999. [20] [21]

Entre 2005 y 2010, los avances en electrónica permitieron la producción de controladores de vuelo, acelerómetros ( IMU ), sistemas de posicionamiento global y cámaras de bajo costo y peso ligero. Esto hizo que la configuración de cuadricóptero se volviera popular para los pequeños vehículos aéreos no tripulados . Con su pequeño tamaño y maniobrabilidad, estos cuadricópteros pueden volar tanto en interiores como en exteriores. [1] [22]

En el caso de los drones pequeños, los cuadricópteros son más baratos y duraderos que los helicópteros convencionales debido a su simplicidad mecánica. [23] Sus palas más pequeñas también son ventajosas porque poseen menos energía cinética, lo que reduce su capacidad de causar daños. En el caso de los cuadricópteros de pequeña escala, esto hace que los vehículos sean más seguros para la interacción cercana. También es posible equipar los cuadricópteros con protectores que encierran los rotores, lo que reduce 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 las palas tardan más, lo que afecta negativamente al control. Los helicópteros no experimentan este problema, ya que el aumento del 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 amateurs. [24] [25]

Actividad criminal

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 contrabandean drogas a través de la frontera, sino que también hay casos en los que se introducen armas y otros artículos prohibidos en prisiones de todo el mundo. [27]

Los delitos cometidos con drones cuadricópteros también se producen en Europa. En agosto de 2021, un agente de policía de la República Checa confiscó un cuadricóptero que transportaba una bolsita de metanfetamina . [28]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Hoffmann, GM; Rajnarayan, DG; Waslander, SL; Dostal, D.; Jang, JS; Tomlin, CJ (noviembre de 2004). "El banco de pruebas de Stanford de helicópteros autónomos para control multiagente (STARMAC)". En las Actas de la 23.ª Conferencia sobre sistemas de aviónica digital . Salt Lake City, UT. págs. 12.E.4/1–10. CiteSeerX  10.1.1.74.9999 . doi :10.1109/DASC.2004.1390847. ISBN . 0-7803-8539-X.
  2. ^ ab Hoffman, G.; Huang, H.; Waslander, SL; Tomlin, CJ (20–23 de agosto de 2007). "Dinámica y control del vuelo de helicópteros cuadrimotores: teoría y experimentación" (PDF) . En la Conferencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica . Hilton Head, Carolina del Sur. Archivado desde el original (PDF) el 13 de agosto de 2010.
  3. ^ Stafford, Jesse (primavera de 2014). "Cómo funciona un cuadricóptero | Clay Allen". Universidad de Alaska, Fairbanks . Consultado el 20 de enero de 2015 .
  4. ^ ab Leishman, JG (2000). Principios de la aerodinámica de helicópteros. Nueva York, NY: Cambridge University Press. ISBN 9780521858601.
  5. ^ Anderson, SB (1997). "Resumen histórico de la tecnología de aeronaves V/STOL". Memorándum técnico 81280 de la NASA .
  6. ^ "Quadrotor". Archivado desde el original el 27 de diciembre de 2014 . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
  7. ^ Andrew Hobden. "Cuadrópteros: guiñada". hoverbear.org . Consultado el 3 de abril de 2017 .
  8. ^ Uriah (13 de abril de 2010). «Wyvern Quadrotor Helicopter» . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
  9. ^ Ferdinand Kickinger (30 de abril de 2016), 151 min 30 s FPV con helicóptero, archivado del original el 22 de diciembre de 2021 , consultado el 26 de agosto de 2018
  10. ^ Drones SPK. Cómo vuelan los cuadricópteros Archivado el 6 de agosto de 2020 en Wayback Machine .
  11. ^ McNabb, Miriam (febrero de 2018). El fabricante estadounidense Harris Aerial lanza un nuevo dron híbrido de gas y electricidad. Dronelife
  12. ^ Young, Warren R. (1982). Los helicópteros. Chicago: Time-Life Books. pág. 28. ISBN 978-0-8094-3350-6. {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  13. ^ "Un helicóptero francés exitoso" Vuelo 24 de enero de 1924 pág. 47
  14. ^ "1956 - 1564 - Archivo de vuelo". flightglobal.com . Consultado el 13 de marzo de 2015 .
  15. ^ "Patente US3261407 - Sistema de rotor de helicóptero". google.com . Consultado el 13 de marzo de 2015 .
  16. ^ Inan, Esin; Kiris, Ahmet (20 de enero de 2007). Séptima Conferencia Internacional sobre Problemas de Vibración ICOVP 2005. Springer. ISBN 9781402054013. Recuperado el 13 de marzo de 2015 .
  17. ^ James, Derek N.; Gloster Aircraft desde 1917 , Putnam, 1971, pág. 413.
  18. ^ "Airbus va camino de poner en marcha su taxi aéreo eléctrico en 2018". 5 de octubre de 2017.
  19. ^ "Illumin - La madurez del Quadrotor" . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
  20. ^ Darack, Ed. "Una breve historia de los cuadricópteros". Revista Air & Space .
  21. ^ "Nuestra historia | Draganfly". draganfly.com . Archivado desde el original el 12 de diciembre de 2016. Consultado el 17 de diciembre de 2021 .
  22. ^ Büchi, Roland (2011). Fascinación por el cuadricóptero . Libros a pedido. ISBN 978-3-8423-6731-9.
  23. ^ Pounds, P.; Mahony, R.; Corke, P. (diciembre de 2006). "Modelado y control de un robot de cuatro rotores" (PDF) . En las Actas de la Conferencia Australasiana sobre Robótica y Automatización . Auckland, Nueva Zelanda.
  24. ^ "Cómo hacerlo: Cuadricóptero basado en Arduino". MAKE . Archivado desde el original el 11 de diciembre de 2011 . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
  25. ^ "FrontPage - UAVP-NG - El multicóptero de código abierto de próxima generación" . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
  26. ^ "Los narcotraficantes recurren a los drones para avanzar en sus operaciones". DroneDJ . 21 de diciembre de 2020 . Consultado el 10 de agosto de 2021 .
  27. ^ "Věznice | EAGLE.ONE". Eagle.One (en checo) . Consultado el 10 de agosto de 2021 .
  28. ^ Pokorný, Petr (10 de agosto de 2021). "Strážník v Doksech rukama chytil neregistrovaný dron, který přenášel pervitin". Českolipský deník (en checo) . Consultado el 10 de agosto de 2021 .

Enlaces externos