Мультикоптеры на ископаемом топливе
Как известно, удельная энергоемкость бензина и других видов ископаемого топлива на порядок больше, чем у литиевых аккумуляторов любых видов. А мультикоптеры, как одна из самых неэкономичных систем для полетов, нуждаются в высокой энергоемкости больше всех остальных летательных аппаратов. Казалось бы, замени электрические двигатели на бензиновые и лети себе? Но, к сожалению, базовый принцип полета мультикоптеров - постоянная динамическая стабилизация при помощи регулирования оборотов двигателей - не может применяться совместно с бензиновыми двигатели в виду их большой инерционности и гораздо худших точности и диапазонов регулировки. Тем не менее, есть несколько обходных путей.
Так как мне самому хочется сделать коптер с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), я попытался рассмотреть все возможные виды таких летательных аппаратов, с их недостатками и преимуществами.
1. Самый «очевидный» вариант - электрогенератор на ДВС, питающий обычный коптер
Казалось бы, наиболее простой, но эта простота обманчива. Эффективность двойного преобразования механической работы в потоки воздуха от пропеллеров - не так уж и высока, потери составят до 70%. Конструкция получается тоже не слишком-то простой - нужны дополнительные системы контроля для генератора, а требуемая тяга электрических моторов и пропеллеров - примерно 200% от конечного веса аппарата. Вес же этот получается довольно большим (как раз из-за приличной мощности моторов, порядочного веса генератора и его блока контроля), как и габариты. Для тех, кто делает коптеры сам - большие проблемы с подбором комплектующих (достаточно легких и мощных генераторов - не так уж и много, а стоят они очень недешево).
Плюсы: установив небольшой аккумулятор можно обеспечить возможность полета при отказе ДВС (что случается не так уж и редко).
Минусы: низкая эффективность (всего лишь раза в три лучше чем у чисто электрических аппаратов), относительная сложность, дороговизна комплектующих, большие вес и габариты.Известные реализации: не нашел.
2. Пропеллеры с изменяемым шагом и приводом от ДВС (прямым с несколькими моторами, либо через трансмиссию от одного или более моторов)
Динамичность регулировки тяги достигается изменениями шага винтов (аналогично вертолетным). Получаем 4 или большее количество таких сложных механических систем на борт, соответствующее количество сервоприводов. Вдобавок - ненадежность ДВС отражается на безопасности полетов с таким коптером. Зато эффективность - на уровне вертолетов (при наличии редукторов и больших вертолетных винтов), хотя и получаемая ценой габаритов и сложной механики.Плюсы: высокая энергоэффективность (можно довести до вертолетной).
Минусы: высокая механическая сложность, дороговизна (в виду этой самой сложности), практическая невозможность обеспечить полет при отказе ДВС, если их количество меньше четырех (при четырех - можно стабилизировать изменяя направление потока на обратное, но запас мощности двигателей должен превышать 200%), большие габариты.
Известные реализации: как ни странно, имеются. Проект heavy lift copter на Кикстартере (два мотора через трансмиссии крутят четыре винта с изменяемым шагом). Также - относительно небольшой коптер
3. Различные виды дополнительной регулировки оборотов ДВС или их тяги - жалюзи, дополнительные моторы-генераторы на валу, тормозящие/ускоряющие ДВС
Фактически тоже самое, что пункт 2, но «вид сбоку». Опять же требуют дополнительных механических систем и сервоприводов (или электрических моторов).
Плюсы: относительно высокая эффективность (без редукторов - всего раза в два ниже вертолетной); у варианта с электрическими моторами-генераторами, регулирующими обороты ДВС путем изменения нагрузки - есть возможность обеспечить аварийный полет при достаточной мощности моторов и наличии дополнительного аккумулятора.
Минусы: тоже механическая сложность, дороговизна, приличный вес.
Известные реализации: тоже имеются, в виде проекта YeAir на Кикстартере.
4. Топливные элементы, питающиеся газом или жидким топливом
К сожалению, пока остаются почти фантастикой, так как достаточно мощные топливные элементы недоступны в свободной продаже.
Плюсы: простота (можно даже пофантазировать о простой замене аккумуляторов на топливные элементы).
Минусы: фантастика на сегодняшний день.
5. Несущий винт с двигателем внутреннего сгорания (возможно даже два - по соосной схеме, либо расположенные достаточно близко, чтобы не создавать большой перекос тяги), плюс несколько корректирующих электрических моторов небольшой мощности
Подъемную силу создает один или два несущих винта, а небольшие электрические двигатели только стабилизируют коптер и компенсируют крутящий момент. Система получается весьма простой, хотя и требует дополнительной батареи для питания корректирующих двигателей (не слишком тяжелой, впрочем, так как от корректирующих двигателей требуются весьма небольшие усилия). Теоретически, можно поставить и генератор небольшой мощности, чтобы не брать или уменьшить эту батарею.
Плюсы: эффективность не хуже п.3, простота конструкции и дешевизна компонентов; аварийный полет теоретически можно обеспечить (второй несущий винт; достаточно мощные корректирующие двигатели с аккумулятором, которые бы сажали коптер при отказе ДВС); возможность обеспечить горизонтальный полет при отказе одного из корректирующих моторов/пропеллеров (если их четыре, как у квадрокоптера) - можно изменить вращение противоположного по диагонали винта на обратное.
Минусы: обеспечение аварийного полета получается все-таки немного сложнее, чем у п.1; чувствительность к центровке (если центр тяжести будет слишком далеко от несущего винта - корректирующие двигатели не смогут компенсировать перекос, разве что их «плечи» делать длиннее); худшая маневренность.
Известные реализации: имеются
Для своего будущего коптера я выбрал вариант номер пять. Пока построил только прототип с электрическими моторами (один мощный, для несущего винта и четыре маломощных корректирующих) - даже летает:
