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. История квадрокоптера полна интересных технических решений, поисков и экспериментов, узнать о которых подробнее мы и предлагаем вам в этой статье.
Первые прототипы квадрокоптеров
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.
Хотя хронологически первым квадрокоптер придумал именно Этьен Эмишен, его аппарат нельзя считать полноценным прототипом современных моделей.
Последующее изобретение автомата перекоса и рулевого винта дало зеленый свет вертолетам классической и соосной схемы, и о четырехвинтовых 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 четырехвинтовых 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.
Благодаря финансовой доступности и простоте этих компонентов сегодня весьма развито любительское моделирование дронов.
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.
