VTOL-дроны (Vertical Take-Off and Landing) объединяют преимущества квадрокоптера и самолета. Они могут взлетать и садиться вертикально без взлетно-посадочной полосы, зависать в воздухе, а затем переходить в экономичный горизонтальный полет. Именно возможность безопасно сочетать эти режимы сделала VTOL-платформы востребованными в геодезии, картографировании, мониторинге территорий, сельском хозяйстве и промышленной инспекции.
Однако переход между режимами — один из самых сложных этапов полета. В этот момент беспилотник перестает работать только как мультикоптер и начинает использовать аэродинамические свойства крыла.
Что такое переходный режим VTOL
После вертикального взлета аппарат некоторое время находится в переходном режиме.
В этот момент:
- вертикальные двигатели продолжают удерживать беспилотник;
- маршевый двигатель разгоняет аппарат вперед;
- крыло постепенно начинает создавать подъемную силу.
Главная задача автопилота — обеспечить плавную передачу нагрузки от вертикальных двигателей к крылу без потери высоты и устойчивости. Именно поэтому переход считается наиболее сложной частью полета VTOL.
Как происходит переход в горизонтальный полет
1. Вертикальный взлет
Аппарат взлетает как обычный мультикоптер, используя подъемные двигатели.
После достижения безопасной высоты автопилот начинает подготовку к переходу.
2. Разгон
Запускается маршевый двигатель (тянущий или толкающий винт), который начинает разгонять беспилотник вперед.
Несмотря на увеличение скорости, большую часть веса аппарата пока продолжают удерживать вертикальные двигатели.
3. Передача подъемной силы
По мере увеличения воздушной скорости крыло начинает создавать все большую подъемную силу.
Важно понимать, что крыло работает с самого начала движения, однако на небольшой скорости создаваемой подъемной силы недостаточно для удержания аппарата.
Автопилот непрерывно анализирует параметры полета и постепенно уменьшает участие вертикальных двигателей в создании подъемной силы. Решение принимается не только по скорости, но и с учетом режима полета, высоты, ориентации аппарата и других параметров.
4. Горизонтальный полет
Когда достигаются условия для устойчивого самолетного полета, основную подъемную силу начинает создавать крыло.
Дальнейшая работа вертикальных двигателей зависит от конструкции конкретного VTOL:
- они могут полностью остановиться;
- перейти в режим минимальной тяги;
- продолжать участвовать в стабилизации;
- у tiltrotor изменить свое положение вместе с поворотными мотогондолами.
Все это определяется конструкцией аппарата и настройками автопилота.
Почему переход нельзя выполнить мгновенно
Главная особенность самолетного крыла заключается в том, что его эффективность зависит от воздушного потока.
Подъемная сила определяется несколькими факторами:
- воздушной скоростью;
- площадью крыла;
- профилем крыла;
- углом атаки;
- плотностью воздуха.
Поэтому невозможно сразу после взлета отключить вертикальные двигатели — на малой скорости крыло еще не способно полностью удерживать аппарат. Именно постепенная передача нагрузки обеспечивает безопасный переход между режимами.
Что делает автопилот во время перехода
Во время перехода автопилот в режиме реального времени обрабатывает данные сразу нескольких систем:
- гироскопов;
- акселерометров;
- GPS;
- барометра;
- магнитометра;
- датчика воздушной скорости (если установлен).
На основании этих данных система управляет:
- тягой двигателей;
- углом тангажа;
- креном;
- курсом;
- высотой;
- скоростью полета.
Для пилота этот процесс выглядит практически незаметным, однако контроллер постоянно корректирует параметры полета, обеспечивая плавный переход между режимами.
Основные схемы VTOL
QuadPlane
Наиболее распространенная схема.
В состав входят:
- четыре или более вертикальных двигателя;
- маршевый двигатель;
- самолетное крыло.
Именно QuadPlane сегодня широко применяется в профессиональных беспилотных комплексах.
Tiltrotor
В этой конструкции поворачиваются сами двигатели или мотогондолы.
Во время взлета винты направлены вверх.
При переходе они постепенно разворачиваются вперед и начинают работать как самолетные пропеллеры.
Tailsitter
- Аппарат взлетает практически вертикально, располагаясь на хвостовой части.
- После набора высоты он постепенно наклоняется вперед, переходя в горизонтальный полет.
- Переход у таких аппаратов отличается от классического QuadPlane и управляется отдельными алгоритмами автопилота.
Как выполняется посадка
Обратный переход выполняется по аналогичному принципу.
Автопилот:
- снижает воздушную скорость;
- увеличивает участие вертикальных двигателей;
- постепенно переносит нагрузку с крыла на винты;
- переводит аппарат в режим зависания;
- выполняет вертикальную посадку.
При этом алгоритм также учитывает параметры полета и тип VTOL-платформы, обеспечивая плавное торможение и устойчивое снижение.
Преимущества VTOL-технологии
Благодаря переходу между двумя режимами VTOL-дроны сочетают достоинства сразу двух типов летательных аппаратов:
- вертикальный взлет и посадка без подготовки площадки;
- высокая скорость и большая дальность полета;
- более экономичный расход энергии в самолетном режиме;
- возможность выполнять длительные миссии на больших территориях;
- эффективная работа при аэрофотосъемке, мониторинге, поисково-спасательных операциях и инспекции объектов.
Переход из вертикального взлета в горизонтальный полет — это сложный алгоритмический процесс, в котором одновременно участвуют двигатели, крыло и система автоматического управления. Современный автопилот непрерывно анализирует воздушную скорость, высоту, положение аппарата и другие параметры, чтобы определить оптимальный момент передачи подъемной силы от вертикальных двигателей к крылу. Благодаря этому VTOL-дроны безопасно сочетают преимущества мультикоптера и самолета, обеспечивая высокую эффективность при выполнении профессиональных задач.
