Βασικές Αρχές Αεροδυναμικής των πολυκόπτερων (Drones)

Τα Drones, όπως και τα υπόλοιπα «ιπτάμενα μέσα», διαχωρίζονται με βάση τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η παραγωγή της άντωσης. Με βάση αυτόν το διαχωρισμό μπορούμε να διακρίνουμε δύο ειδών πτητικά μέσα: τα αεροσκάφη σταθερών πτερύγων και τα αεροσκάφη περιστρεφόμενων στροφείων.

Στο αεροσκάφος σταθερών πτερύγων η παραγωγή της άντωσης γίνεται λόγω της ταχύτητας της πτέρυγας του. Η άνοδος των αεροσκαφών σταθερών πτερύγων βασίζεται στην καμπυλότητα του σχήματος των πτερύγων που φέρουν και στην οριζόντια κίνηση τους στον αέρα. Τα αεροσκάφη στηρίζονται σε αυτή την αρχή προκειμένου να απογειωθούν, να ανέρχονται, να κατέρχονται αλλά και να διατηρούνται σε συγκεκριμένο ύψος κατά τη διάρκεια της πτήσης. Η διατομή των πτερύγων τους είναι τέτοια ώστε αφενός στην πάνω πλευρά να αναπτύσσονται μεγαλύτερες ταχύτητες και κατά συνέπεια μικρότερες πιέσεις από ότι στην κάτω πλευρά δημιουργώντας έτσι άντωση.

Στα αεροσκάφη περιστρεφόμενων στροφείων η άντωση παράγεται από ένα ή περισσότερα οριζόντια (ή σχεδόν οριζόντια) στροφεία (έλικες). Οι κύριες διαφορές τους με τα αεροσκάφη σταθερών πτερύγων είναι ότι αφ’ ενός το μέσο που παρέχει την άντωση είναι κινούμενο (τα πτερύγια του στροφείου), σε αντίθεση με το αεροπλάνο που έχει σταθερά πτερύγια, και αφ’ ετέρου ότι για την ανύψωσή και πτήση του δεν απαιτείται οριζόντια κίνηση, όπως στα αεροσκάφη σταθερών πτερύγων. Το πιο γνωστό πτητικό μέσο με περιστρεφόμενα στροφεία είναι το ελικόπτερο το οποίο πετάει σύμφωνα με τους ίδιους νόμους της αεροδυναμικής που εφαρμόζονται και στην πτήση των συμβατικών αεροσκαφών σταθερών πτερύγων.

Το ελικόπτερο μπορεί να προσδιοριστεί ως μια πτητική μηχανή η οποία χρησιμοποιεί περιστρεφόμενα πτερύγια για να παράγει άντωση, πρόωση και έλεγχο. Παρότι όπως αναφέρθηκε οι αεροδυναμικές αρχές που διέπουν την πτήση του ελικοπτέρου, είναι ίδιες με αυτές του αεροπλάνου, ωστόσο, στο ελικόπτερο οι αεροδυναμικές δυνάμεις παράγονται από την σχετική κίνηση της επιφανείας του περιστρεφόμενου πτερυγίου σε σχέση με τον αέρα.

Στα ελικόπτερα το κύριο στροφείο αποτελεί το πιο σημαντικό τμήμα του αεροσκάφους, εφόσον αποτελεί πηγή των δυνάμεων και των ορμών οι οποίες ελέγχουν τη θέση και την ταχύτητα του ελικοπτέρου. Όταν το κύριο στροφείο περιστρέφεται δημιουργείται μια ίση και αντίθετη αντίδραση η οποία δρα στην άτρακτο του ελικοπτέρου και προσπαθεί να τη στρέψει στην αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση περιστροφής του κύριου στροφείου. Για να μπορεί το ελικόπτερο να πετάει θα πρέπει να υπάρχει κάποιο μέσο για να αντισταθμίζει τη ροπή του κύριου στροφείου. Η λύση στα συμβατικά ελικόπτερα δόθηκε με την χρήση του ουραίου στροφείου, το οποίο είναι τοποθετημένο κάθετα στο ουραίο τμήμα του ελικοπτέρου και παράγει μια πλευρική ώση, εμποδίζοντας την άτρακτο από το να περιστραφεί.

Τα ελικόπτερα που έχουν ένα κύριο και ένα ουραίο στροφείο αποτελούν τον πιο συνηθισμένο τύπο ελικοπτέρων, παρότι υπάρχουν και άλλες λύσεις για την αντιστάθμιση της ροπής του κύριου στροφείου. Στη μία λύση χρησιμοποιούνται δύο συγχρονισμένα κύρια στροφεία, τα οποία περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η αντίθετη περιστροφή έχει σαν αποτέλεσμα να ακυρώνεται η ροπή που δημιουργεί το ένα στροφείο από τη ροπή που δημιουργεί το άλλο με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ανάγκη για ουραίο στροφείο. Σε μια δεύτερη διαμόρφωση ελικοπτέρων, έχουμε δύο ομοαξονικά στροφεία. Η ροπή της ατράκτου αντισταθμίζεται με τη χρήση δύο στροφείων που περιστρέφονται αντίθετα και είναι τοποθετημένα το ένα πάνω από το άλλο σε έναν κοινό άξονα.

 

 

Παρ’ όλη την υπεροχή των ελικοπτέρων μιας κύριας έλικας, στο παρελθόν έγιναν πολλές προσπάθειες και κατασκευάστηκαν ελικόπτερα με πολλαπλούς έλικες αλλά κυρίως με 4 έλικες τα οποία αναφέρονται ως «τετρακόπτερα» (ἠ quadrotor). Ένα από αυτά (ίσως το πρώτο) ήταν το Convertawings Model “A” , που κατασκευάστηκε και έκανε την πρώτη του επιτυχημένη πτήση το 1956. Διέθετε τέσσερις έλικες με δυο πτερύγια ο καθένας που έπαιρναν κίνηση από δύο κινητήρες. Ο έλεγχός του ήταν εφικτός μεταβάλλοντας την ώση καθενός από τους τέσσερις κινητήρες.

Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία των μη επανδρωμένων πτητικών συστημάτων με πολλαπλά στροφεία (drones -Unmanned Aerial Systems- UAS ), παρουσιάζει ιδιαίτερη άνθηση αφού αποτελεί μια προσιτή λύση με ποικίλες εφαρμογές στην καθημερινή ζωή αλλά και σχεδόν σε κάθε κλάδο της βιομηχανίας. Τα multicopters (ή drones) που έχουν κατακλύσει την αγορά είναι εφοδιασμένα με 4 ή περισσότερους οριζόντιους έλικες. Μπορούν να  αιωρούνται και να πετάνε με μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα χάρη στα εξελιγμένα ηλεκτρονικά τους. Σημαντική διαφοροποίηση από τα κλασσικά ελικόπτερα είναι ότι οι έλικές τους δεν είναι στροφεία, δεν μπορούν δηλαδή να αλλάξουν βήμα (γωνία περιστροφής)  και έτσι οι αλλαγές γίνονται μόνο με διαφοροποίηση στην ταχύτητα των κινητήρων των ελίκων.

Αρχές πτητικής λειτουργίας τετρακόπτερου

Τα τετρακόπτερα κατατάσσονται στην κατηγορία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV) περιστρεφόμενων στροφείων. Αποτελούνται από τέσσερα στροφεία/ρότορες τοποθετημένους σε ίσες αποστάσεις και συμμετρικά κατανεμημένα από το κέντρο μάζας του τετρακόπτερου. Ο έλεγχος πραγματοποιείται με αλλαγή της ταχύτητας του κάθε στροφείου/ρότορα οι οποίοι λειτουργούν με κίνηση από ισάριθμα ηλεκτρικά μοτέρ. Όπως προαναφέρθηκε, στα κλασσικά ελικόπτερα η ροπή που παράγεται από το κεντρικό στροφείο αντισταθμίζεται από έναν επιπλέον στροφείο στην ουρά του ελικοπτέρου ώστε να εξισορροπούνται οι γυροσκοπικές αντιδράσεις της ατράκτου. Στην περίπτωση του τετρακόπτερου, ο έλεγχος γίνεται ευκολότερος εφόσον η κίνηση του αεροσκάφους δεν εξαρτάται από τα γυροσκοπικά φαινόμενα, αφού τα δύο στροφεία στρέφονται κατά την φορά των δεικτών του ρολογιού (δεξιόστροφα) ενώ οι υπόλοιποι δύο αντίθετα με την φορά των δεικτών του ρολογιού (αριστερόστροφα), απαλείφοντας με αυτό τον τρόπο τα γυροσκοπικά φαινόμενα. Τα τετρακόπτερα έχουν διατεταγμένα τα στροφεία τους σε δύο διατάξεις ανάλογα με τη κατεύθυνση της πτήσης: σε διάταξη “+” και “X”.

Και στις δύο διατάξεις οι κινητήρες 1 και 3 περιστρέφονται δεξιόστροφα, ενώ οι κινητήρες 2 και 4 αριστερόστροφα. Οι έλικες που στερεώνονται στους κινητήρες 1 και 3 έχουν αντίθετη κλίση από τις έλικες που στερεώνονται στους κινητήρες 2 και 4, αφενός μεν για να δίνουν όλες ώθηση προς την ίδια κατεύθυνση και αφετέρου για να αλληλοαναιρούν τα γυροσκοπικά φαινόμενα που δημιουργούνται. Η κίνηση του τετρακόπτερου, όπως ήδη αναφέρθηκε, εξαρτάται από την ταχύτητα των κινητήρων. Με την αλλαγή της ταχύτητας αλλάζουν και οι δυνάμεις ώσης με αποτέλεσμα την παραγωγή κίνησης, ενώ αυξάνοντας ή μειώνοντας την ταχύτητα όλων των κινητήρων το τετρακόπτερο μπορεί να κινείται κάθετα.

Παρά την συμμετρική κατανομή των κινητήρων και των φορτίων στην άτρακτο του τετρακόπτερου και την αντίθετη κίνηση των στροφείων, ο σχεδιασμός τους είναι τέτοιος που δεν τους παρέχει σταθερή πτήση και για αυτό τον λόγο απαιτείται η ύπαρξη ενός υπολογιστικού συστήματος που θα συμπληρώνει τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά και θα σταθεροποιεί την πτήση. Το ηλεκτρονικό –υπολογιστικό σύστημα αυτό είναι γνωστό ως «fligh controller». Ο flight controller λαμβάνει τα στοιχεία λειτουργίας από τα ηλεκτρονικά στοιχεία (γυροσκόπιο, επιταχυνσιόμετρο, GPS κλπ) του τετρακόπτερου και μετά την επεξεργασία τους παρέχει εντολές διόρθωσής στα συστήματα ελέγχου ώστε να υπάρχει σταθερότητα στην κίνηση αλλά και έλεγχος του συστήματος.

Ένα τετρακόπτερο μπορεί να κινηθεί σε τρεις βασικές διευθύνσεις: εμπρός – πίσω, αριστερά – δεξιά και πάνω-κάτω. Όπως προαναφέρθηκε, όλες οι κινήσεις αυτές γίνονται με την αυξομείωση των κινητήρων  τους οποίους διαθέτει το τετρακόπτερο. Για παράδειγμα, όταν δίνεται η εντολή για την κίνηση προς τα εμπρός ενός τετρακόπτερου σε διάταξη «Χ», ο flight controller μειώνει την ταχύτητα των κινητήρων 1 και 2 και αυξάνει την ταχύτητα των κινητήρων 3 και 4. Η κίνηση προς τα δεξιά πραγματοποιείται με αύξηση της ταχύτητας των κινητήρων 1, 4 και με αντίστοιχη μείωση της ταχύτητας των 2 και 3. Επίσης, για την περιστροφή γύρω από τον κάθετο άξονα προς τα δεξιά αυξάνεται η ταχύτητα του αριστερού εμπρός και δεξιού πίσω (κινητήρας 1 και 3) ενώ μειώνεται η ταχύτητα των άλλων δύο (κινητήρας 2 και 4). Τέλος, όταν δοθεί εντολή για άνοδο τότε αυξάνεται η ταχύτητα και των τεσσάρων κινητήρων ενώ αντίστοιχα όταν απαιτηθεί κάθοδος τότε μειώνεται η ταχύτητα και των τεσσάρων κινητήρων.

Στο παρόν άρθρο έγινε μία προσπάθεια συνοπτικής παρουσίασης των βασικών αρχών αεροδυναμικής των αεροσκαφών σταθερών πτερύγων και των αεροσκαφών περιστρεφόμενων στροφείων, εστιάζοντας στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη  πολλαπλών περιστρεφόμενων στροφείων και ειδικότερα στα τετρακόπτερα. Θα πρέπει να τονιστεί όμως ότι η ανάλυση του αεροδυναμικού μοντέλου του τετρακόπτερου, του flight controller και των αισθητήρων που χρησιμοποιεί για την ευστάθεια του, τον προσανατολισμό και τον έλεγχο του κατά την πτήση είναι ένα πολυσύνθετο πρόβλημα που απαιτεί σημαντικό γνωστικό υπόβαθρο Μαθηματικών, Αεροδυναμικής αλλά και Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου.