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:
Буду рад поправкам и предложениям.
Комментарии (47)
rPman
16.06.2015 20:13Добавьте возможность вместо попытки управлять скоростью вращения винта или воздушного потока с помощью жалюзей (фактически это очень 'дорого' по энергоресурсам), эффективнее и проще отклонять каждый двигатель (в значит и воздушный поток) в сторону одним (или если масса позволяет, двумя) сервоприводами, питаемыми от слабого (легкого) аккумулятора.
vasimv Автор
16.06.2015 20:28+1Жалюзи будут использоваться для «точной» подстройки тяги (в пределах процентов от рабочей мощности), так что на эффективности это практически не скажется.
Работающий ДВС с пропеллером быстро туда-сюда наклонять — не очень хорошая идея. Для реально тяжелых машин с большой инерцией — это еще допустимо, а у маленького коптера частота изменения вектора будет очень большой. Понадобятся мощные и быстрые сервы, которые смогут бороться и с весом ДВС и с гироскопическим эффектом. Боковой импульс отклоненного потока, опять же — надо будет чем-то компенсировать.
Есть более простое решение — сингл/дуал-коптер, который рулями направляет поток от двигателя. Но стабильность полета таких аппаратов — довольно низкая.
22sobaki
16.06.2015 20:29Вместо жалюзей можно использовать направляющие аппараты, которые используют для регулирования производительности промышленных вентиляторов. Они закручивают поток воздуха на входе в вентилятор на требуемый угол. КПД у направляющих аппаратов на небольшой глубине регулирования очень приличный.
ivlis
16.06.2015 22:06+1Вертолёты какой-то летают на ДВС же.
vasimv Автор
17.06.2015 04:25+5У вертолетов — винт регулируемый (шаг винта, наклон), управляется сервоприводами. Ну и еще редуктор понижающий, до кучи. Вот от этой всей механики и хочется уйти. Коптеры поэтому и завоевали популярность, за счет своей простоты — прилепил четыре мотора с пропеллерами к любой поверхности и полетел. Плюс масштабируемость (захотел еще два/четыре, для большего веса и резервируемости) — да пожалуйста).
SADKO
17.06.2015 10:16+1Да именно по этому и завоевали, однако в этом же и ахиллесова пята коптера, поинтересуйтесь сколько на одной зарядке летают электические вертолёты соосники (и не только), у верталёта энергетическая эффективность в принципе выше, а если ещё ДВС добавить :-)
vasimv Автор
17.06.2015 10:25+1Я об этом написал. До уровня вертолета (по эффективности) — не добраться простыми методами, но такой задачи и не стоит. Вертолеты известны уже десятки лет, но мультикоптеры практически полностью вытеснили их из любительской ниши (энергоэффективность в ней — вопрос не самый важный, если только речь не идет о порядках, как в случае ДВС vs LiPo). Мало кому интересно возиться со сборкой более дорогих игрушек, которые еще и настраивать надо, да и маневренность — хуже.
26dx
17.06.2015 12:32+2У РУ вертолетов наклон винта никак не регулируется, для изменения направления тяги используется изменение циклического шага винта, для этого действительно нужна сложная механика — автомат перекоса. Для изменения подъемной силы нужно менять только общий шаг винта, тут механика намного проще (используется в рулевом винте). В результате для квадрокоптера нужно всего 4 рулевых сервопривода и несложная механика. Вообще идея не нова, и уже есть рабочие куадрокоптеры на ДВС, например — youtu.be/XnP3jTwRPv0
vasimv Автор
17.06.2015 12:40+1Спасибо за ссылку, добавил в статью. Только механика-то может и проще, чем на вертолете, но гораздо сложнее, чем когда ее вообще нет. Да и больше их в четыре раза, чем на вертолете, как минимум. :) Стоимость такого регулируемого пропеллера — будет на порядок выше простых, как и сложность сборки всего аппарата в целом.
26dx
17.06.2015 18:18+2Не за что. Соглашусь на счет сложности, но меня именно это привлекает в радиоуправляемых вертолетах классической схемы, механическая схожесть с большими братьями. Вот кстати HLQ.
mdaemon
17.06.2015 08:59+1по моему про потери в 70% в первом варианте ошибочное мнение. Мы же не учитываем КПД ДВС.
А эффективность генераторов ~90% + аккумуляторы/ионисторы для компенсации скачков мощностиvasimv Автор
17.06.2015 09:20+1КПД ДВС — не 100%. А 10% потерь на генераторе — это почти идеальный случай. Потом будут потери на выпрямителе и буферном аккумуляторе, потери в регуляторах скорости электромоторов и собственные потери электромоторов (последние будут отдавать в виде воздушного потока 70-80%, в лучшем случае). Учитывая, что при самостоятельной сборке — не достичь самых оптимальных режимов — 70% суммарных потерь смотрится даже оптимистично. В общем, эффективность будет значительно ниже схемы с несущим винтом, не говоря уже о вертолетах, с их понижающими редукторами и огромными винтами.
mdaemon
17.06.2015 10:10+1Я же написал, что КПД ДВС рассматривать бессмысленно по условиям задачи, во всех вариантах кроме топливных элементов он участвует, и его низкий КПД компенсируется высокой удельной мощностью.
КПД преобразователей довольно высок, тоже в районе 90%, это же не примитивная стабилизация по напряжению.
Потери электромоторов есть во всех случаях их опять же бессмысленно рассматривать, поскольку они будут одинаковы что от аккумулятора что от генератора.
Так что потери на преобразование энергии бензинового двигателя в электрическую энергию будут порядка 20% максимум, что, повторюсь, компенсируется высокой удельной мощностью.
А в вашей 5 схеме будут большие проблемы с маневренностью и стабилизацией.vasimv Автор
17.06.2015 10:29+1В случае несущего винта на ДВС — потерь на аккумуляторе, электромоторах и их регуляторах не будет практически совсем (корректирущие — это проценты от мощности основного). Так что рассматривать их надо.
Проблем со стабилизацией или маневренностью — не заметил (при том, что собрал прототип за несколько вечеров, а времени на настройку было минимум). Теоретически, такая схема будет более чувствительна к положению центра тяжести при малой мощности корректирующих двигателей, но это немного надуманная проблема.mdaemon
17.06.2015 10:35+1эти потери (от воздушных потоков и прочего) будут на основном двигателе.
Так что на самом деле потери при использовании связки генератор+двигатель далеко не 70%, о чем я и написал в первом посте, а в районе 20% максимум.
Опять же стоит учесть что в варианте с генератором двигатель будет работать с максимальным КПД, что невозможно в вашем варианте, поскольку вам придется управлять оборотами двигателя, и это будет не так легко как в вашей модели где вместо ДВС используется электромотор.
Т.е. изменение тяги по расходу топлива, высоте, при взлете посадке и т.п.
Так что общий результат может быть и еще меньше.vasimv Автор
17.06.2015 10:42Потери на преобразовании механического вращения в воздушный поток — будут примерно одинаковые у ДВС и электромотора. Но у электромотора — КПД совсем не 100%! К потерям на ДВС — Вы просто добавите цепочку потерь на электрической части. При том, что в итоге — коптер получится гораздо больше и тяжелее (то есть еще и затраты на подъем бессмысленного веса).
Да, максимума КПД у ДВС с несущим винтом — не будет, но эффективность все равно будет выше, чем у генераторной схемы. Определенная потеря маневренности — не сильно скажется на полете (это же не гоночный 250-ый коптер).mdaemon
17.06.2015 10:48+1В каждой схеме свои потери, у вас будут дополнительные потери на редукторе, на неэффективности режима… Дополнительный вес редуктора. Кстати он будет не такой уж и маленький.
Но это все непринципиально, за счет удельной энергоемкости ископаемого топлива. Все таки потери в процентах, а энергоемкость больше на порядок.
Уходя от схемы с управлением только электродвигателем вы теряете главное преимущество мультикоптеров о котором сами и написали — простоту управления.
Вам придется контролировать обороты вашего ДВС, по скольку они будут меняться от температуры, режима, загрузки и т.п. У вас будет редуктор, у вас будут паразитные воздушные потоки и прочее.
Я не говорю что это все нерешаемые проблемы, да вполне возможно их можно решить,
просто вы исходили из неверных предпосылок при отрицании первого варианта. Сгоряча взяв потери аж в 70%.
Собственно об этом я и написал.vasimv Автор
17.06.2015 10:53Редуктор не нужен. Простота управления — не сильно меняется (в multiwii, например, это несколько строчек C кода добавить).
Потери в 70% — это общие суммарные потери (включая КПД ДВС и прочее), цифра взята для сравнения с «идеалом» в виде вертолета. У несущего винта — они будут где-то 30%. При том, что общий вес коптера — гораздо меньше (то есть затраты в виде расхода топлива будут раза в три ниже).
Mithgol
17.06.2015 11:10Не спешите сравнивать с «идеалом» в виде вертолёта.
Сперва, пожалуйста, сравнивайтес «анти-идеалом» (то естьс «нынешним печальным положением дел») в виде мультикоптера на аккумуляторах.
Каков при таком сравнении будет выигрыш по удельному соотношению времени полёта к весу всего аппарата или к весу его энергозапасающей части?mdaemon
17.06.2015 11:11+1Погодите, вы в курсе какой процент мощности уходит на хвостовой винт вертолета?
Я думаю в целом можно исходить из этих цифр, можете прикинуть мощность ваших «слабеньких движков управления» и вес аккумуляторов для них, либо городить отвод мощности от бензинового через редуктор.
Вы реально просто планируете насадить винт на бензиновый двигатель и все? :) о вас ожидает множество чудных открытий.
В вертолете те же потери в двигателе, поэтому потери двигателя можете не учитывать. они везде есть.vasimv Автор
17.06.2015 12:17С хвостовым винтом есть такая забавная вещь — его требуемая мощность уменьшается пропорционально росту числа оборотов основного винта (и еще — пропорционально удаленности его от оси вращения). То есть, отказавшись от редуктора — мы получаем меньшую мощность хвостового винта. Ну и можно просто длиннее лучи делать, если мощности хватать не будет. Не говоря уже о возможности работы без хвостового винта вообще (тот же уже летающий коптер с бензиновым мотором и корректирующими, наклоненными под углом).
Открытий там серьезных не будет, статическую тягу (которая, собственно, нам и нужна) на моторах так и меряют. Главное не подходить к скорости звука на концах лопастей. То есть, надо будет подбирать менее оборотистые мощные моторы. И будут ограничения на максимальный вес, но далеко за пределами интересующей области (десятки килограмм подъемной силы). Эффективность — да, будет ниже (два раза, может даже три), чем у большого вертолетного винта, но зато простота, дешевизна и габариты (для любителя — это гораздо важнее эффективности).mdaemon
17.06.2015 13:05+1открытия будут с подбором модели конкретного двигателя и плаванием режимов его работы, соответственно придется помаяться с управлением, и это будут не пара строчек кода…
С подбором винта и прочим.
Что касается вообще без хвостового винта — вряд ли, либо на очень большом плече (проблемы с устойчивостью, прочность, парусностью)… Мощности части корректирующего двигателя просто не хватит.
Опять же каков будет вес, ведь если взять обычный авиамодельный двигатель, он сам себя — не поднимет, и наверняка после определенного предела конструкция с механизмом перекоса банально выгоднее по энергозатратам чем дополнительные движки, иначе сейчас бы вертолеты летали с маленькими двигателями управления :)vasimv Автор
17.06.2015 13:15На моем килограммовом прототипе — хвостовой винт вращается практически вхолостую (граммов 30-50, наверное, выдает), дергаясь только при отрыве от земли. Обороты у основного винта — довольно высокие, плюс еще остальные корректирующие крутятся в обратном направлении, так что не проблема это никакая.
Обычный авиамодельный двигатель, даже без редуктора — сам себя очень даже поднимает (раз в 8-10 больше своего собственного веса).mdaemon
17.06.2015 14:27эээ ну 8-10 вы перегнули, 3-4 в максимуме
но если добавить массу топлива и батарей для системы зажигания, то уже 100% резерва и не будет. + еще масса элеткродвигателей, самого коптера и т.п.vasimv Автор
17.06.2015 14:41+1Специально посмотрел данные по движкам с форума — 3W-106 + 28x10 — 25 кг тяги на 3 кг мотора, 3W-28i + 18x8 — 8.2 кг тяги на 1.2 кг мотора, ASP 91 FS + 15x6 — 4.9 кг на 650 грамм мотора. Электродвигатели, по моим прикидкам — нужны где-то в 10 раз меньшей мощности (каждый), весить будут где-то раз в 20 меньше.
vasimv Автор
17.06.2015 14:50Длинные плечи, кстати, особых проблем тоже не вызовут. Они же не несущие, как в обычном коптере, а просто рычаги.
vasimv Автор
17.06.2015 12:20Ну будет раза в два-три больше. Зато схема с несущим винтом — даст выигрыш еще раза в два, а то и три (на единицу полезного веса). При гораздо более дешевом и простом коптере. Вам хочется заплатить больше и возиться со сборкой коптера больше, только ради лишней маневренности, которая на тяжелом коптере — не очень-то и нужна?
vasimv Автор
17.06.2015 12:27Кстати, только сейчас дошло — оптимальной нагрузки на ДВС в первом пункте не будет. Нагрузка на генератор (а значит и на ДВС) будет сильно меняться, в зависимости от высоты и режима полета коптера. Буферный аккумулятор не сильно поможет, так как это будут не пиковые нагруки, а вполне себе постоянные (условно говоря, взлетели на 200 метров — нагрузка выросла процентов на 20%; перестали висеть и полетели в горизонтальном направлении с наклоном в 30 градусов — еще процентов на 50%)
mdaemon
17.06.2015 13:08Она будет или оптимальная или ХХ, пиковые выбросы за счет аккумулятора, так что все ок.
А вот вам с подъемным винтом придется повозится компенсируя постоянное изменение мощности, и вряд ли удастся сделать это плавно.
Т.е. дунул ветер, ваши корректирующие двигатели наклонили конструкцию, а бензиновый движок не успел раскрутиться — просадка, потом подскок. и т.п.vasimv Автор
17.06.2015 13:18Оптимальной не будет, коптеры же не все время висят. Полетел за хлебом в соседний амазон — и на второй минуте аккумулятор выдохся — вся нагрузка опять на генератор (+50..80% нагрузки на ДВС).
Для компенсирования инерционности ДВС — корректирующие двигатели могут просто чуток прибавлять мощности во время «просадок», много-то не надо.mdaemon
17.06.2015 14:15судя по вашему же посту выше скачки под 50%, ваши электродвигатели будут мощностью в 50% бензинового?
vasimv Автор
17.06.2015 14:18Нет, там от корректирующих пик понадобится только на время наращивания мощности бензиновым (если наклонять не слишком быстро, то можно и даже без этого обойтись).
AlexanderYastrebov
17.06.2015 17:47+1По пункту 3 видится регулировка оборотов при помощи электромагнитной муфты.
Grox
18.06.2015 05:35Уже готовый проект на Кикстартере
26dx
18.06.2015 17:10Вот эти ребята у меня вызывают подозрения, что-то они не договаривают. На всех видео, что у них есть, у ДВС не видно выхлопа, даже если это не двигатель на нитрометане, а двухтактник на бензине, хоть какой-то выхлоп должен быть. В апдейте проекта, где они показывают работу двигателя, он очень четко меняет скорость работы, прям как электромотор. Пишут про устройство которое напрямую присоединено к валу двигателя, которое и регулирует обороты, и даже позволяет запустить двигатель, но сути его работы не раскрывают. Любопытно все это.
Grox
18.06.2015 17:40Было бы логично для них иметь вариаторную передачу, чтобы двигатель постоянно работал на оптимальной частоте вращения, а вариатором можно быстро менять обороты. Я не вдавался в подробности проекта.
Возможно, используются электродвигатели, которые, во первых, действительно могут запустить двс, и могут либо работать, как генераторы в полёте, либо, влиять на обороты двс, дораскручивая, когда нужно и подтормаживая. Тем более, что верхние части под самими винтами очень похожи на классические аутранеры.
vasimv Автор
18.06.2015 17:56Там явно электродвигатели сидят на валу с бензиновыми. Они там рекламируют как раз то что он может и на аккумуляторах лететь. Пункт 3, я про них написал же.
robofox
Нужно еще учесть, что жидкое топливо будет постоянно булькать и менять центр масс, из-за чего стабилизатор сойдет с ума.
Недавно была новость про квадрокоптер на водороде, но это не из серии «сделай сам».
vasimv Автор
Ну, может будет немного вихлять. У меня на коптерах много раз батарея отваливалась и повисала на проводах, болтаясь — ничего страшного не происходило. Но для идеально стабильного полета, конечно, придется что-нибудь придумывать.
kumbr_87
бак по принципу надувного шара решит проблему.
densss2
Парусность же!
link0ln
Да, и это не ново, в любительском авиамоделизме сильно распространено хранение топлива в растягиваемых резиновых резервуарах. Из плюсов — не будет хлебать пузыри и подача до жиклера всегда под давлением.
Loki3000
Чтобы топливо не бултыхалось, можно емкость разделить на секции, соединенные перемычками небольшого сечения. Для перетекания топлива их будет достаточно, а для резкого перемещения — нет.