Քվադրոկոպտեր

**Քվադկոպտեր**, նաև հայտնի որպես **քվադրոկոպտեր** կամ **քվադրոտոր**, **քվադրոտորային** տիպի ուղղաթիռ կամ թռչող սարք, որը ունի չորս շարժիչ։
մինի|DJI Phantom կվադրոկոպտեր անօդաչու թռչող սարք
մինի|Տիպիկ մրցարշավային քառակոպտեր՝ ածխածնային մանրաթելային շրջանակով և FPV տեսախցիկով
Չնայած նրան, որ քվադրոտորային ուղղաթիռները երկար ժամանակ է ինչ փորձարկվում են, այն սկսել է հետաքրքրականություն առաջացնել միայն ժամանակակից անօդաչու թռչող սարքերի և դրոնների հայտնվելուց հետո։ Դրոնների փոքր չափը և ցածր իներցիան թույլ են տալիս օգտագործել թռիչքի մասնակի պարզ կառավարում։ Դա է պատճառը, որ քվադկոպտերի կիրառումը մնում է արդիական։

## Դիզայնի սկզբունքներ
Քվադրոկոպտերի բոլոր շարժիչները արտադրում են լիցք և պտտման ուժ՝ իրենց պտտման կենտրոնի շուրջ, ինչպես նաև դիմադրություն, որը հակառակ է քվադրոկոպտերի թռիչքի ուղղությանը։

Քվադկոպտերները սովորաբար ունեն չորս շարժիչ, որոնցից երկուսը պտտվում են ժամացույցի սլաքի ուղությամբ (CW), և երկուսը՝ հակառակ ուղղությամբ (CCW)։ Թռիչքի կառավարումը ապահովվում է յուրաքանչյուր մոտորի արագության անկախ փոփոխմամբ և, հետևաբար, լիցքի և պտտման ուժի փոփոխմամբ։ Պտույտը վերահսկվում է ուժի կենտրոնի, իսկ տատանումը՝ պտտման ուժի փոփոխմամբ։

Շատերի կողմից սովորական ուղղաթիռներից տարբերվելով, քվադկոպտերները սովորաբար չունեն ցիկլիկ պիտչի վերահսկում, որտեղ թևերի անկյունը դինամիկորեն փոխվում է, երբ նրանք պտտվում են մրոտորի կենտրոնի շուրջ։ Թռիչքի առաջին օրերին քվադկոպտերները (ժամանակին կոչված որպես քվադրոտորներ կամ ուղղաթիռներ) դիտվում էին որպես հնարավոր լուծում որոշ մշտական խնդիրների համար ուղղահայաց թռիչքում։ Պտտման ուժի վերահսկման խնդիրները (ինչպես նաև արդյունավետության խնդիրները, որոնք առաջանում են հետևի մրոտորից, որը չի արտադրում օգտակար լիցք) կարող են վերացվել հակառակ պտտմամբ, և համեմատաբար կարճ թևերը շատ ավելի հեշտ են կառուցվում։ 1920-ականների և 1930-ականների ընթացքում մի քանի մարդատար նախագծեր են հայտնվել։ Այս օդանավերը եղել են առաջին հաջողակ ծանրությունից ավելի շատ օդի ուղղահայաց բարձրացում և իջեցման (VTOL) օդանավերից։ Այնուամենայնիվ, սկզբնական պրոտոտիպները տառապում էին վատ կատարողականությամբ, և հետագայում պրոտոտիպները պահանջում էին շատ pilot աշխատանքի, վատ կայունության ավելացման և սահմանափակ կառավարման իրավասության պատճառով։

### Պտտման ուժ
Եթե բոլոր չորս մրոտորները պտտվում են նույն անկյունային արագությամբ, երկուսը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ և երկուսը հակառակ, պտտման ուժը յավի առանցքում կդառնա զրո, ինչը նշանակում է, որ անհրաժեշտ չէ պոչի մրոտոր, ինչպես սովորական ուղղաթիռներում։ Յավը առաջանում է օդային պտտման ուժերի հավասարակշռությունը փոխելու միջոցով (այսինքն՝ հակառակ պտտվող թևերի զույգերի միջև կուտակված լիցքի հրահանգների շեղման միջոցով)։
Պատկեր:Quadrotor_yaw_torque.png|Քվադկոպտերի յուրաքանչյուր շարժիչի պտտման ուժերի արձագանքման սխեմա, որոնք առաջանում են պտտվող շարժիչի շնորհիվ։ Շարժիչներ 1-ը և 3-ը պտտվում են մի ուղղությամբ, մինչդեռ շարժիչներ 2-ը և 4-ը պտտվում են հակառակ ուղղությամբ՝ ստեղծելով հակադիր պտտման ուժեր կառավարման համար։
Պատկեր:Quadrotorhover.svg|Քվադրոտորը օդում մնալու կամ բարձրության փոփոխություն կատարելու համար կիրառում է հավասար լիցք բոլոր չորս շարժիչներում։
Պատկեր:Quadrotoryaw.svg|Քվադրոտորը որոշում է տատանումը՝ ավելացնելով շարժիչների լիցքը, որոնք պտտվում են մեկ ուղղությամբ։
Պատկեր:Quadrotorpitch.svg|Քվադրոտորը կարգավորում է պառլլը կամ պտույտը՝ ավելացնելով մեկ մրոտորի լիցքը   (կամ երկու հարակից մրոտորների) և նվազեցնելով հակառակ կողմում գտնվող մրոտորի լիցքը։


### Որթեքս ռինգի վիճակ
Բոլոր քվադկոպտերները ենթակա են սովորական ուղղաթիռային օդահոսքի առանձնահատկություններին, այդ թվում՝ վորթեքս ռինգի վիճակին։

### Մեխանիկական կառուցվածք
Հիմնական մեխանիկական բաղադրիչներն են գորշը կամ ֆռեյմը, չորս մրոտորները (կամ ֆիքսված պիտչով, կամ փոփոխվող պիտչով), և մոտորները։ Լավագույն կատարողականության և ամենապարզ կառավարման ալգորիթմերի համար մոտորներն ու պրոպելլերները պետք է լինեն նույն հեռավորությամբ։

### Կոաքսիալ մոտորներ
մինի|Կոաքսիալ քառակուսիային – OnyxStar FOX-C8 XT դիտորդ AltiGator-ից
Ստեղծելու ավելի մեծ ուժ և կայունություն՝ կրճատելով քաշը, քվադկոպտերը, ինչպես նաև ցանկացած այլ բազմամոտորային օդանավ, կարող է օգտագործել կոաքսիալ մրոտորային կոնֆիգուրացիա։ Այս դեպքում, յուրաքանչյուր ձեռքը ունի երկու մրոտոր, որոնք պտտվում են հակառակ ուղղություններով (մեկը վերև է ուղղված, մյուսը՝ ներքև)։

## Օպերացիաներ
### Ավտոնոմ թռիչք
Քվադկոպտերների կոնֆիգուրացիան համեմատաբար պարզ է ծրագրավորելու ինքնավար թռիչքի համար։ Սա թույլ է տվել իրականացնել բարդ փշրվող վարքի փորձեր՝ հիմնված հարևան դրոնների հիմնական զգալու վրա։

### Հանդուրժողականություն
Զինվածքների կողմից օգտագործվող ամենաերկար թռիչքի ժամանակը 2 ժամ, 31 րոպե և 30 վայրկյան է։ Ռեկորդը սահմանել է Ֆերդինանդ Կիկինգերը Գերմանիայից 2016 թվականին։ Ռեկորդի սահմանման ժամանակ Կիկինգերը օգտագործել է ցածր թողունակության, բարձր հզորության լիթիում-հիոնային մարտկոցներ և հեռացրել է օդանավի կառուցվածքից անպետք քաշը՝ նվազեցնելով էներգիայի սպառումը և երկարացնելով հանդուրժողականությունը։

Ալտեռնատիվ էներգիայի աղբյուրներ, ինչպիսիք են ջրածնի վառելիքային բջիջները և հիբրիդային գազ-էլեկտրական գեներատորները, օգտագործվել են զգալիորեն երկարացնելու հանդուրժողականությունը՝ ջրածնի և բենզինի մեծ էներգետիկ խտության շնորհիվ։

## Պատմություն
### Ավանգարդներ
Առաջին ծանրությունից ավելի շատ օդի ուղղահայաց թռիչքի միջոցը եղել է չորս մրոտորային ուղղաթիռը, որը նախագծել է Լուի Բրեգետը։ Այն փորձարկվել է միայն կապակցված թռիչքում և մի քանի ոտնաչափ բարձրության վրա։ 1908 թվականին հայտարարվել է, որ այն թռել է « մի քանի անգամ», սակայն մանրամասները հազվադեպ են։

Էտիեն Օեհմիխենը փորձարկումներ է կատարել մրոտորային օդանավերի նախագծերի հետ 1920-ականների ընթացքում։ Նրա փորձարկած նախագծերից մեկը Օեհմիխեն No. 2-ն էր, որն ուներ չորս երկկողմանի մրոտորներ և ութ պրոպելլերներ, բոլորը աշխատում էին մեկ շարժիչով։ Մրոտորների թևերի անկյունը կարող էր փոփոխվել պտտմամբ։ Հորիզոնական հարթության մեջ պտտվող հինգ պրոպելլերները կայունացնում էին սարքը կողմնային ուղղությամբ։ Այլ պրոպելլերը տեղադրված էր քամի սեկցիայի վրա՝ կառավարելու համար։ Մնացած զույգ պրոպելլերները ծառայում էին առաջընթացի համար։ Օդանավը ցուցաբերեց նշանալի կայունություն և բարձրացրեց վերահսկման ճշտությունը իր ժամանակի համար և իրականացրեց ավելի քան հազար փորձնական թռիչք 1920-ականների միջին շրջանում։ 1923 թվականին այն կարող էր օդում մնալ մի քանի րոպե, իսկ ապրիլի 14-ին, 1924 թվականին, սահմանեց առաջին-ever FAI հեռավորության ռեկորդը ուղղաթիռների համար՝ 360 մ (390 յարդ)։ Այն ցուցաբերեց կարողություն պտտվել ռաունդի շրջանաձև երթուղի և հետագայում կատարեց առաջին 1 կիլոմետր (0.62 մղոն) փակուղային թռիչքը մրոտորային օդանավով։
մինի|Դե Բոթեզատ ուղղաթիռը, 1923-ի լուսանկար։
Դոկտոր Ջորջ դե Բոթեզատն ու Իվան Ջերոմը մշակել են դե Բոթեզատ ուղղաթիռը, որը ուներ վեց թևանի մրոտորներ X-աձև կառուցվածքի վերջում։ Փոքր պրոպելլերներ՝ փոփոխվող պիտչով, օգտագործվել էին ուժի և յավի կառավարման համար։ Օդանավը կիրառել է կոլեկտիվ պիտչի վերահսկում։ Այն կառուցվել է Միացյալ Նահանգների զինված ուժերի օդային ծառայության կողմից և առաջին թռիչքը իրականացվել է 1922 թվականի հոկտեմբերին։ 1923 թվականի վերջում կատարվել է մոտ 100 թռիչք։ Այն ամենաբարձր մակարդակը, որն այն հասել է, մոտ 5 մ (16 ոտնաչափ 5 դյույմ) էր։ Հավանաբար ցուցաբերելով կատարման հնարավորությունը, այն ունեցել է պակաս ուժ, եղել է անփոփոխունակ, մեխանիկապես բարդ և հակված վստահության խնդիրների։ Պիլոտի աշխատանքը չափազանց բարձր էր թռիչքի ընթացքում՝ կողմնային շարժում փորձելու համար։

### Հետպատերազմյան դարաշրջան
Convertawings Model A Quadrotor-ը նախատեսված էր որպես Much larger civil and military helicopters**: Այս դիզայնը ներառում էր երկու շարժիչներ, որոնք մատակարարում էին ուժ չորս մրոտորներին՝ V-պտտաձողերի համակարգի միջոցով։ Պոչի մրոտոր չէր անհրաժեշտ, և կառավարվում էր մրոտորների միջև լիցքի տարբերությամբ։ 1956 թվականից շատ անգամ թռչած այս ուղղաթիռը ապացուցեց քվադրոտորային դիզայնի արդյունավետությունը և դարձավ առաջին չորս-մրոտորային ուղղաթիռը, որը հաջողությամբ ցուցադրեց առաջընթացի թռիչք։ Սակայն, կոմերցիոն կամ ռազմական տարբերակների համար պատվերների բացակայության պատճառով, նախագիծը դադարեցվեց։ Convertawings-ը առաջարկեց Model E, որը պետք է ունենար 42,000&nbsp;lb (19 տոննա) առավելագույն քաշ և 10,900&nbsp;lb (4.9 տոննա) բեռնվածություն՝ 300 մղոն տարածության վրա և մինչև 173&nbsp;mph (278 կմ/ժ) արագությամբ։ Hanson Elastic Articulated (EA) առանց սկավառակի մրոտորը ձևավորվել է 1960-ականների սկզբին Lockheed California-ում Թոմաս Ֆ. Հանսոնի կողմից, ով նախկինում աշխատել էր Convertawings-ում քվադրոտորի մրոտորների դիզայնի և կառավարման համակարգի վրա։

1960 թվականի Gloster Crop Sprayer նախագիծը քվադկոպտերային դրոնի վաղօրինակ օրինակներից էր։ Այն աշխատելու էր 105 հզորության Potez 4E օդով հովացվող չորս-ցիլինդրային շարժիչով, իսկ նրա 20 գալոն բեռնվածությունը դուրս էր հոսում 22 ոտնաչափ սփրեյ բումի միջոցով։ Երկու օպերատորներ կրում էին տեղայնացման ազդանշաններ սփրեյի երթուղու հակառակ ծայրերում, որպեսզի քվադկոպտերը միշտ ուղղվի ազդանշանի վրա և չանցնի սահմանը։ Չնայած շատ պարզեցված դիզայնին և գործողությունների պահանջներին՝ պիլոտավորված մեքենաների համեմատ, մայր ընկերության խորհրդ_board-ը մերժեց դրա զարգացումը, և այն մնաց թղթային նախագիծ։
աջից|մինի|Curtiss-Wright VZ-7
1958 թվականի Curtiss-Wright VZ-7-ը ուղղահայաց թռիչք և հեծանիվ (VTOL) օդանավ էր, որը նախագծվել էր Curtiss-Wright ընկերության կողմից՝ ԱՄՆ-ի բանակի տրանսպորտի և հետազոտության հրամանատարության «թռչող ջիպ» մրցույթի համար։ VZ-7-ը կառավարվում էր չորս հզոր պտտաձողերի լիցքի փոփոխությամբ։

Piasecki PA-97-ը 1980-ականներին առաջարկված մեծ հիբրիդային օդանավի նախագիծ էր, որտեղ չորս ուղղաթիռի գորշներ համակցված էին թեթև օդում գտնվող օդագնացու հետ։

### Ընթացիկ զարգացումներ
Bell Boeing Quad TiltRotor կոնցեպտը ավելի է տանում ֆիքսված քառակոպտերի կոնցեպտը՝ համատեղելով այն թեք ռոտորի կոնցեպտի հետ՝ առաջարկվող C-130 չափսի ռազմական տրանսպորտի համար:
աջից|մինի|Parrot AR.Drone-ի թռչող նախատիպը
մինի|Parrot AR.Drone 2.0 թռիչք, Նևադա, 2012 թ
Airbus-ը մշակում է մարտկոցով աշխատող քառակոպտեր, որը կգործի որպես քաղաքային օդային տաքսի, սկզբում օդաչուի հետ, բայց ապագայում պոտենցիալ ինքնավար:

### Դրոններ
մինի|FPV «whoop» անօդաչու սարքերը կարող են լինել 30 գրամ թեթև
2000-ականների առաջին տասնամյակում քվադկոպտերային դիզայնը ստացավ մեծ ժողովրդականություն փոքր չափի ինքնավար օդանավերի կամ դրոնների համար։ Օդանավերի պահանջը ավելի մեծ манևրողունակություն և կանգառային ունակություն պահանջող հանգամանքներում հանգեցրեց քվադկոպտերների հետազոտության աճի։ Չորս մրոտորային դիզայնը թույլ է տալիս քվադկոպտերներին լինել համեմատաբար պարզ կառուցվածքով, բայց շատ հուսալի և манևրողունակ։ Հետազոտությունները շարունակվում են մեծացնել քվադկոպտերների հնարավորությունները՝ զարգացնելով բազմազան ինքնաթիռների միջև հաղորդակցություն, շրջակա միջավայրի հետազոտություն և манևրողունակություն։ Եթե այս զարգացող հատկությունները կարողանան միավորվել, քվադկոպտերները կկարողանան իրականացնել առաջադեմ ինքնավար առաքելություններ, որոնք ներկայումս անհնար են այլ տրանսպորտային միջոցներով։

Չնայած փոքր խաղալիք հեռակառավարվող քվադկոպտերներ արդեն արտադրվում էին Ճապոնիայում 1990-ականների սկզբին, առաջին տեսախցիկով քվադկոպտերը, որը արտադրվել է կարևոր քանակներով (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, հետադարձում նաև Draganflyer I, Կանադական ստարտափ Draganfly-ից) չի նախագծվել մինչև 1999 թվականը։

2005-2010 թվականներին էլեկտրոնիկայի ոլորտում առաջընթացները թույլ տվեցին արտադրել էժան թեթև օդաչուական կառավարման սարքեր, արագաչափեր (IMU), գլոբալ դիրքի որոշման համակարգեր (GPS) և տեսախցիկներ։ Սա հանգեցրեց քվադկոպտերային կոնֆիգուրացիայի ժողովրդականացմանը փոքր ինքնավար օդանավերի համար։ Իրենց փոքր չափի և манևրողունակության շնորհիվ, այս քվադկոպտերները կարող են թռչել ինչպես ներսում, այնպես էլ դրսում։

Փոքր դրոնների համար քվադկոպտերները ավելի էժան և ավելի դիմացկուն են, քան ավանդական ուղղաթիռները՝ իրենց մեխանիկապես պարզ կառուցվածքի շնորհիվ։ Նրանց փոքր թևերը նույնպես առավելություն ունեն, քանի որ նրանք ունեն քիչ կինետիկ էներգիա, նվազեցնում են վնաս հասցնելու հնարավորությունը։ Փոքր չափի քվադկոպտերների համար սա դարձնում է դրանք ավելի անվտանգ մոտավոր շփման համար։ Կարող են նաև տեղադրվել քվադկոպտերների վրա թևերի պաշտպանիչներ, որոնք լրացուցիչ նվազեցնում են վնասի հնարավորությունը։ Սակայն, չափի աճի դեպքում, ֆիքսված պրոպելլերային քվադկոպտերները ունեն բացասական կողմեր ավանդական ուղղաթիռների համեմատ։ Թևերի չափի մեծացումը բարձրացնում է նրանց մոմենտը։ Սա նշանակում է, որ թևերի արագության փոփոխությունները երկար են տևում, ինչը բացասաբար ազդում է կառավարման վրա։ Ուղղաթիռները չեն ունենում այս խնդիրը, քանի որ պտտվող սկավառակի չափի աճը չի ազդում թևերի պիտչի կառավարման ունակությանը։

#### Հանցավոր գործունեություն
21-րդ դարի ընթացքում հաղորդվել է, որ քվադկոպտերային դրոնները օգտագործվում են քրեական գործունեության համար։ Մեքսիկա-Միացյալ Նահանգների սահմանի պատի կառուցման հետևանքով, որոշ թմրամիջոցների կարտելներ resortվել են քվադկոպտերների օգտագործմանը՝ թմրամիջոցներ smuglerելու համար։ Այնուամենայնիվ, քվադկոպտերային դրոնները միայն թմրամիջոցներ չեն տեղափոխում սահմանի մյուս կողմը, քանի որ նաև կան դեպքեր, երբ զենքեր և այլ արգելված իրեր smuggling են բանտեր ամբողջ աշխարհում։

Քվադկոպտերային դրոնների օգտագործումը քրեական գործունեության մեջ տեղի է ունենում նաև Եվրոպայում։ Օգոստոս 2021 թվականին Չեխիայի Հանրապետությունում ոստիկանապետը առգրավել է մի քվադկոպտեր, որն տեղափոխում էր մեթամֆետամինի պայուսակ։

## Ծանոթագրություններ

## Արտաքին հղումներ

* UPenn GRASP Laboratory 
* ETH Zurich Research on Quadrotors
* FAA UAS Model Aircraft Operations safety guidelines
* TED Raffaello D'Andrea: The astounding athletic power of quadcopters

Կատեգորիա:Անօդաչու օդանավեր
Կատեգորիա:Ուղղաթիռներ