История квадрокоптеров: от первых прототипов до современных летательных аппаратов

Четырехроторные летательные аппараты, известные как квадрокоптеры, имеют долгую и интересную историю своего становления. Хотя данная конфигурация воздушных судов испытывалась еще в начале XX века, она оставалась скорее любопытной новинкой до появления современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) или дронов.

Квадрокоптеры - это особый тип летательных аппаратов, отличительной особенностью которых является наличие четырех несущих винтов. Эта конфигурация обеспечивает им высокую маневренность и возможность вертикального взлета и посадки.

В конструкции квадрокоптера четыре, обычно электрических, двигателя приводят во вращение четыре несущих винта, расположенных по углам аппарата. Управление осуществляется за счет изменения скорости вращения отдельных винтов, что позволяет менять направление и скорость полета.

Благодаря своей простоте и эффективности, квадрокоптеры получили широкое распространение в качестве беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) или "дронов". Они используются в самых разных сферах - от аэрофотосъемки и доставки грузов до проведения спасательных операций и военного наблюдения.

История развития квадрокоптеров насчитывает уже более ста лет, хотя их массовое применение началось лишь в последние десятилетия. Давайте подробнее рассмотрим, как эти летательные аппараты прошли путь от первых экспериментальных моделей до современных высокотехнологичных дронов.

Первые разработки

Одним из первых летательных аппаратов тяжелее воздуха с вертикальным взлетом был четырехвинтовой вертолет, сконструированный французским инженером Луи Бреге в 1907 году. Он был испытан только в режиме зависания и поднимался на высоту около метра. В 1908 году сообщалось, что аппарат "несколько раз" совершал полеты, хотя подробности об этих испытаниях были скудными.

Следующие прототипы квадрокоптеров появились в 1920-х годах благодаря работам другого французского изобретателя - Жоржа де Буремона. Он создал и запатентовал концепцию летательного устройства с четырьмя винтами, размещенными равномерно относительно друг друга.

В те же 1920-е годы Этьен Оэмихен экспериментировал с конструкциями винтокрылых летательных аппаратов. Одной из его разработок была модель Оэмихен № 2 с четырьмя двухлопастными роторами и восемью пропеллерами, приводимыми в движение одним двигателем. Эта конструкция обладала значительной степенью устойчивости и точности управления для своего времени и совершила более тысячи испытательных полетов в середине 1920-х годов.

Американский конструктор российского происхождения Георгий Ботезат и французский инженер Этьен Эмишен, в тех же годах, также независимо друг от друга работали над идеей четырехвинтового летательного аппарата, приводимого в действие одним двигателем через сложную трансмиссию. Их экспериментальные модели могли подниматься на небольшую высоту и преодолевать определенные расстояния, но дальше тестовых полетов дело не пошло из-за ряда технических ограничений.

Модели 1960-х - 1980-х

Изобретение автомата перекоса и рулевого винта дало новый импульс развитию вертолетов классической и соосной схемы, в то время как четырехвинтовые аппараты на некоторое время были забыты. Лишь в 1950-х годах интерес к ним стал возрождаться, и некоторые компании разработали опытные образцы подобных машин.

В 1950-х годах авиаконструктор и летчик Луи Брегет представил аппарат под названием "Gyroptère". После этого более совершенный вариант машины, управляемой с помощью несущих винтов, был изобретен в 1956 году Георгием Ботезатом о котором мы говорили в начале. Хотя эти прототипы не достигли коммерческого успеха, они заложили основу для последующего развития квадрокоптеров.

В том же 1956 году компания Convertawings также  создала модель квадрокоптера, которая неоднократно поднималась в воздух. Этот вертолет доказал эффективность конструкции квадрокоптера и стал одним из первых четырехвинтовых аппаратов, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Модель Convertawings была задумана как прототип для более крупных гражданских и военных вертолетов. Конструкция предусматривала два двигателя, которые через систему ременных приводов приводили в движение четыре винта. Управление осуществлялось за счет изменения тяги между винтами, без необходимости в хвостовом винте.

Этот квадрокоптер неоднократно поднимался в воздух с 1956 года, однако, несмотря на эти достижения, проект был закрыт из-за отсутствия заказов на его коммерческие или военные версии.

Позже компания Convertawings предлагала более масштабную модель E, которая должна была иметь взлетную массу до 19 тонн и перевозить грузы до 11 тонн на расстояние до 480 км со скоростью до 280 км/ч. Для этой модели был разработан специальный ротор без подшипников, однако из-за отсутствия заказов на коммерческие или военные версии проект был закрыт.

В 1958 году компания Curtiss-Wright провела испытания пилотируемого квадрокоптера VZ-7 по заказу армии США. Он продемонстрировал хорошую устойчивость и управляемость, однако в конечном итоге был отклонен из-за недостаточных летных характеристик.

Еще одним ранним прототипом квадрокоптера был Gloster Crop Sprayer, разработанный в 1960-х годах. Это был беспилотный аппарат, предназначенный для опрыскивания сельскохозяйственных угодий. Он приводился в движение 105-сильным четырехцилиндровым двигателем и мог нести 20-галлонную емкость с распылителем. Управление осуществлялось с помощью радиомаяков, установленных на концах распылительной штанги.

Несмотря на относительную простоту конструкции и эксплуатации, руководство материнской компании отказалось от дальнейшей разработки этого квадрокоптера, и он так и остался на бумаге.

В 1966 году компания Bell представила экспериментальный аппарат вертикального взлета и посадки - модель X-22. Это был самолет с конструкцией квадрокоптера и поворотными винтами, позволявшими ему взлетать вертикально, как вертолет, и затем переходить в горизонтальный полет, как обычный самолет. Программа X-22 продолжалась до 1988 года.

Skycar

Нельзя не упомянуть и об очень интересных разработках Пола Моллера - серии аппаратов Skycar. По слухам, на их создание он потратил около 150 миллионов долларов. В эту линейку входили модели М-200Х и М-400, которые представляли собой полноценные летательные аппараты вертикального взлета и посадки.

Работая над этими проектами с 1960-х годов, Моллер создавал по-настоящему революционные для своего времени машины. Его аппараты Skycar были способны вертикально взлетать и садиться, а также переходить в горизонтальный полет, подобно самолетам. Это были весьма передовые разработки, опережавшие свою эпоху.

Тем не менее, несмотря на технологические достижения, проекты Моллера так и не получили должного внимания и не смогли привлечь необходимых инвестиций для запуска массового производства. По всей видимости, его аппараты были слишком инновационными и не были в полной мере приняты рынком в то время.

Помимо моделей М-200Х и М-400, у Пола Моллера были и другие интересные прототипы, с квадрокоптерной конструкцией. Поэтому мы также сочли важным упомянуть эти разработки в контексте истории развития четырехвинтовых летательных аппаратов.

Дрон от MicroKopter

Современные квадрокоптеры

Возрождение интереса к квадрокоптерам в начале XXI века было обусловлено двумя ключевыми факторами:

1) Достижения в области материаловедения позволили создавать прочные и легкие полимерные конструкции, существенно снижающие вес аппаратов.

2) Прогресс микроэлектроники, в частности появление мощных микропроцессоров, обеспечил возможность более простого и стабильного управления винтокрылыми машинами.

В первые десятилетия 2000-х годов схема с четырьмя несущими винтами стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов. Потребность в маневренных и зависающих в воздухе БПЛА привела к росту исследований в области квадрокоптеров.

Первые современные квадрокоптеры появились в 2006 году с выпуском моделей немецкой компании MikroKopter. Их аппараты уже имели бортовые микроконтроллеры, гироскопы, барометры и другие системы, обеспечивавшие достаточную стабильность полета. Открытый исходный код MikroKopter привел к появлению на рынке дешевых клонов, что негативно сказалось на продажах компании.

Следующим этапом развития квадрокоптеров стало появление компании DJI. Именно эта компания популяризировала этот тип летательных аппаратов. Дроны компании, в первую очередь линейки Phantom, стали доступны для широкого круга пользователей. Высокое качество, доступные цены в сочетании с передовыми технологиями, которые с каждым годом становятся все более продвинутыми, сделали DJI лидером в этом сегменте рынка. Компания занимает около 50% рынка и является бесспорным лидером среди производителей квадрокоптеров, сделав их наиболее распространенным видом летательных аппаратов.

Кроме того, за последние два десятилетия появился целый ряд стартапов, работающих над созданием летательных аппаратов вертикального взлета и посадки с электрическим приводом для пассажирских перевозок. В эту гонку включились как крупные компании, такие как Airbus и Boeing, так и новые игроки, в первую очередь из Китая - Ehang, XPeng и другие. Подробнее об этих разработках можно прочитать в наших предыдущих публикациях.

Перспективы развития

По мере дальнейшего технологического прогресса и совершенствования аккумуляторных батарей, полезная нагрузка и время полета квадрокоптеров будут увеличиваться, делая их все более универсальным инструментом для самых разных задач.

Развитие технологий компьютерного зрения и систем автономного пилотирования позволит квадрокоптерам самостоятельно выполнять большую часть операций без участия человека. Групповое управление целыми роями дронов откроет новые возможности для массового мониторинга и координированных действий.

В более отдаленной перспективе инновационные гибридные конструкции смогут совмещать возможности квадрокоптера для вертикального взлета и посадки с эффективным горизонтальным полетом за счет поворотных винтов или крыльев. Такие аппараты будут обладать максимальной универсальностью применения.

Таким образом, имея столь длинную предысторию развития, квадрокоптеры сегодня переживают настоящий ренессанс и находятся в авангарде инновационных разработок в области авиации. Их популярность и распространение будут только расти по мере того, как все новые технологии будут внедряться в эти компактные и универсальные летательные аппараты.