Один дрон может зависнуть перед окном и аккуратно снять фасад здания. Другой летит десятки километров по маршруту, но почти не умеет стоять на месте. Третий взлетает вертикально, а через несколько секунд превращается в маленький самолет. Внешне все они относятся к беспилотникам, но устроены и летают совершенно по-разному.
Главное различие кроется не в размере и не в камере, а в аэродинамической схеме. От нее напрямую зависят время полета, скорость, способность нести груз, требования к месту запуска и даже то, насколько удобно управлять аппаратом.
Разберем основные типы дронов без привязки к конкретной модели.
Квадрокоптер: четыре винта и максимум свободы в воздухе
Квадрокоптер остается самой узнаваемой схемой. Четыре электродвигателя вращают четыре винта, которые одновременно создают подъемную силу и управляют движением аппарата. Для поворота, разгона или смещения контроллер меняет тягу отдельных моторов.
Главное преимущество такой конструкции видно сразу после запуска: квадрокоптеру не нужна полоса. Он поднимается вертикально с небольшой площадки, может зависнуть, медленно двигаться боком, развернуться практически на месте и так же вертикально сесть.
Поэтому квадрокоптеры хорошо подходят для съемки, осмотра сооружений, картографии небольших объектов, поисковых работ и задач, где важнее точное положение в воздухе, чем большая дальность.
Проблема появляется во время обычного горизонтального полета. Все четыре винта постоянно должны удерживать аппарат в воздухе. Крыльев, которые могли бы создавать подъемную силу за счет движения вперед, у квадрокоптера нет. Значительная часть энергии батареи поэтому уходит просто на борьбу с гравитацией.
- Взлет: вертикальный, площадка почти не нужна.
- Зависание: полноценное.
- Скорость: обычно средняя.
- Время полета: сравнительно небольшое.
- Грузоподъемность: от небольшой до высокой у крупных промышленных моделей.
- Управление: сравнительно простое благодаря полетному контроллеру и автоматической стабилизации.
Размер при этом меняет возможности очень сильно. Компактный съемочный коптер и грузовой мультикоптер массой в десятки килограммов используют одну базовую схему, но относятся к совершенно разным классам техники.
FPV-дрон: отдельный тип или обычный квадрокоптер?
FPV часто ставят в один ряд с квадрокоптерами и самолетами, хотя технически это не отдельная аэродинамическая схема. FPV расшифровывается как First Person View, то есть управление от первого лица по изображению с бортовой камеры.
Большинство хорошо известных FPV-дронов действительно построено по схеме квадрокоптера. Разница заключается в характере управления. Обычный потребительский коптер старается сам удерживать горизонт, высоту и положение. FPV-модель в ручном режиме оставляет пилоту гораздо больше контроля над наклоном и движением аппарата.
За счет этого FPV-коптер может резко разгоняться, быстро менять направление, проходить узкие участки и лететь с большими углами наклона. Но управлять им заметно сложнее. Пилоту приходится постоянно контролировать положение машины в трех измерениях, ориентируясь по изображению с камеры.
Скорость сильно зависит от конструкции. Серийный DJI Avata 2, например, по данным производителя, развивает в ручном режиме до 27 м/с, то есть примерно 97 км/ч, при заявленном максимальном времени полета около 23 минут. Эти цифры хорошо показывают характер FPV-схемы: высокая динамика достигается ценой сравнительно небольшой продолжительности полета.
- Главный плюс: скорость реакции и маневренность.
- Зависание: возможно, если аппарат построен как мультикоптер.
- Время полета: чаще меньше, чем у спокойных съемочных коптеров.
- Управление: одно из самых требовательных к навыкам пилота.
- Конструкция: обычно простая рама, двигатели, винты, аккумулятор, камера и полетный контроллер.
FPV бывает не только квадрокоптером. Камеру и управление от первого лица можно поставить на самолет, планер или другой беспилотный аппарат. Поэтому правильнее говорить о способе пилотирования, а затем уже уточнять конструкцию самого дрона.
Дрон-самолет: зачем беспилотнику крылья
Самолетная схема решает главную проблему мультикоптера: двигателю не нужно постоянно держать всю массу аппарата на винтах. После разгона подъемную силу создает крыло, а двигатель в основном поддерживает движение вперед.
По расходу энергии такой полет обычно выгоднее. Поэтому при сопоставимой массе и запасе энергии самолет способен дольше находиться в воздухе и проходить большее расстояние, чем мультикоптер.
Крыло одновременно создает главное ограничение. Обычный дрон-самолет не может просто остановиться в воздухе. Ему нужна поступательная скорость. Взлет выполняют с полосы, катапульты или броском, а посадка требует свободной площадки, шасси, парашюта или другого предусмотренного конструкцией решения.
Самолетная схема особенно удобна там, где нужно обследовать большую территорию, долго идти по маршруту или экономно преодолевать расстояние. Именно поэтому крыло часто используют геодезические, сельскохозяйственные и дальние разведывательные беспилотники.
- Дальность: обычно выше, чем у мультикоптеров того же размерного класса.
- Время полета: высокое благодаря работе крыла.
- Скорость: высокая или средняя в зависимости от назначения.
- Зависание: невозможно у классической самолетной схемы.
- Груз: зависит от размера самолета и площади крыла.
- Запуск и посадка: сложнее, чем у коптера.
Причем беспилотный самолет совсем не обязательно выглядит как уменьшенная Cessna. Фюзеляж может быть очень коротким, а у схемы летающее крыло отдельный хвост вообще отсутствует.
VTOL: самолет, которому не нужна взлетная полоса
VTOL расшифровывается как Vertical Take-Off and Landing, вертикальный взлет и посадка. В беспилотной авиации так называют целую группу схем, способных стартовать как коптер, а затем перейти к более экономичному самолетному полету.
Один из распространенных вариантов использует отдельные двигатели. Несколько винтов поднимают аппарат вертикально, после чего включается маршевый двигатель, беспилотник набирает горизонтальную скорость и летит на крыле. Перед посадкой процесс повторяется в обратном порядке.
Есть и тейлситтеры. Такой аппарат перед стартом буквально стоит на хвосте, поднимается вверх, затем наклоняется вперед и продолжает полет как самолет. Например, картографический WingtraOne GEN II использует именно схему tailsitter VTOL. Производитель заявляет для него время полета до 59 минут и крейсерскую скорость 16 м/с.
VTOL объединяет два полезных свойства: экономичный полет на крыле и вертикальный старт. Но конструкция становится сложнее. Появляются дополнительные двигатели, сервоприводы или механизмы перехода между режимами, а часть силовой установки во время определенных этапов полета может практически не использоваться.
- Взлет и посадка: вертикальные.
- Дальность: обычно выше, чем у сопоставимого мультикоптера.
- Время полета: ближе к самолетам, чем к квадрокоптерам.
- Зависание: возможно у большинства схем.
- Сложность: выше из-за перехода между вертикальным и горизонтальным полетом.
VTOL особенно полезен там, где самолетная дальность нужна без аэродрома. Поэтому такую конструкцию часто применяют в картографии, наблюдении и других задачах над большой территорией.
Зачем дрону шесть или восемь винтов
Четыре двигателя не являются обязательным пределом. Мультикоптер может получить шесть винтов и стать гексакоптером, либо восемь и превратиться в октокоптер.
Дополнительные двигатели нужны прежде всего крупным аппаратам. Они позволяют распределить нагрузку между большим количеством винтов и строить платформы под тяжелое оборудование. Поэтому гекса- и октокоптеры встречаются среди профессиональных съемочных, промышленных и грузовых машин.
Есть и вторая причина: резервирование. Конкретная способность продолжать полет после отказа двигателя зависит от схемы, автоматики и текущего режима, но большое число силовых установок дает разработчикам больше возможностей для построения отказоустойчивой системы.
Расплата вполне физическая: дополнительные моторы, регуляторы, лучи рамы и проводка увеличивают массу. Более тяжелому аппарату требуется больше энергии, а конструкция становится дороже.
Отдельный вариант называется X8. Здесь восемь винтов размещены попарно на четырех лучах: один двигатель находится над другим. Такая компоновка позволяет получить восемь силовых установок без огромной рамы с восемью отдельными лучами.
Как разные схемы отличаются на практике
| Тип | Дальность | Скорость | Время полета | Грузоподъемность | Сложность управления |
|---|---|---|---|---|---|
| Квадрокоптер | Низкая или средняя | Средняя | Низкое или среднее | От низкой до высокой | Низкая при работе автоматики |
| FPV-квадрокоптер | Низкая или средняя | Высокая | Обычно низкое | Обычно небольшая | Высокая в ручном режиме |
| Самолет | Высокая | Средняя или высокая | Высокое | Зависит от размера | Средняя, запуск и посадка сложнее |
| VTOL | Средняя или высокая | Средняя или высокая | Среднее или высокое | Зависит от конструкции | Средняя, автоматика обычно управляет переходом |
| Гексакоптер | Низкая или средняя | Средняя | Низкое или среднее | Средняя или высокая | Низкая при работе автоматики |
| Октокоптер | Низкая или средняя | Средняя | Низкое или среднее | Высокая у крупных моделей | Низкая при работе автоматики |
Точные километры и минуты в такой таблице только запутали бы сравнение. Маленький самолет может уступить крупному промышленному квадрокоптеру, а тяжелый грузовой мультикоптер совершенно не похож по характеристикам на складной дрон с камерой.
Хороший пример дает промышленный DJI Matrice 350 RTK. Производитель указывает максимальное время полета 55 минут без полезной нагрузки, максимальную горизонтальную скорость 23 м/с и максимальную взлетную массу 9,2 кг. У грузового DJI FlyCart 30 полезная нагрузка доходит уже до десятков килограммов, но аппарат относится к совершенно другой весовой категории. Само название «квадрокоптер» или «мультикоптер» поэтому еще ничего не говорит о реальной грузоподъемности.
Вопросы и ответы
Какие основные виды дронов существуют?
Основные аэродинамические схемы небольших беспилотников включают мультикоптеры, самолеты и аппараты вертикального взлета и посадки VTOL. Отдельно часто выделяют FPV-дроны, хотя FPV обозначает способ управления, а не устройство аппарата.
Чем FPV-дрон отличается от квадрокоптера?
Большинство FPV-дронов сами являются квадрокоптерами. Отличие заключается прежде всего в управлении от первого лица и возможности ручного пилотирования с меньшим вмешательством автоматической стабилизации.
Какой тип дрона летает дольше?
При сопоставимых размерах и источнике энергии самолетная схема обычно дает большую продолжительность полета, поскольку подъемную силу в движении создает крыло.
Что такое VTOL-дрон?
VTOL-дрон умеет вертикально взлетать и садиться. Многие аппараты после старта переходят в горизонтальный полет на крыле, сочетая возможности коптера и самолета.
Зачем нужны гексакоптеры и октокоптеры?
Дополнительные двигатели позволяют строить более крупные аппараты, распределять нагрузку между винтами и применять схемы с резервированием силовой установки.
Почему самолетный дрон летает дальше квадрокоптера?
Во время горизонтального полета самолет поддерживает себя в воздухе за счет подъемной силы крыла. Квадрокоптеру приходится постоянно расходовать энергию двигателей на создание вертикальной тяги.
Какой дрон проще всего пилотировать?
Обычный квадрокоптер с автоматической стабилизацией, удержанием высоты и спутниковым позиционированием обычно проще в ручном управлении, чем FPV-дрон или самолет.
