طائرة رباعية المراوح
الطائرة الرباعية المراوح ، والتي تسمى أيضًا بالطائرة الرباعية المراوح ، أو الطائرة الرباعية الدوارة [1] هي نوع من الطائرات المروحية أو الطائرات متعددة المراوح التي تحتوي على أربعة دوارات . [2]
على الرغم من أن طائرات الهليكوبتر الرباعية الدوارة والطائرات المتحولة كانت تُستخدَم تجريبيًا منذ فترة طويلة، إلا أن تكوينها ظل مثيرًا للفضول حتى ظهور الطائرات بدون طيار الحديثة . يسمح الحجم الصغير والقصور الذاتي المنخفض للطائرات بدون طيار باستخدام نظام تحكم في الطيران بسيط بشكل خاص، مما زاد بشكل كبير من فائدة الطائرات الرباعية الدوارة الصغيرة في هذا التطبيق.
مبادئ التصميم
يُنتج كل دوار كلًا من الرفع وعزم الدوران حول مركز دورانه، بالإضافة إلى السحب المعاكس لاتجاه طيران السيارة.
تحتوي الطائرات الرباعية المروحية بشكل عام على دوارين يدوران في اتجاه عقارب الساعة (CW) ودوارين عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW). يتم توفير التحكم في الطيران من خلال التغيير المستقل في السرعة وبالتالي الرفع وعزم الدوران لكل دوار. يتم التحكم في الميل والانقلاب من خلال تغيير مركز الدفع الصافي، مع التحكم في الانحراف من خلال تغيير عزم الدوران الصافي . [3]
على عكس المروحيات التقليدية، لا تحتوي الطائرات الرباعية المراوح عادةً على تحكم دوري في الميل، حيث تتغير زاوية الشفرات ديناميكيًا أثناء دورانها حول محور الدوار. في الأيام الأولى للطيران، كان يُنظر إلى الطائرات الرباعية المراوح (التي يشار إليها آنذاك إما باسم الطائرات الرباعية الدوارة أو ببساطة باسم المروحيات ) على أنها حل محتمل لبعض المشاكل المستمرة في الطيران العمودي. يمكن القضاء على مشكلات التحكم الناجمة عن عزم الدوران (وكذلك مشكلات الكفاءة الناتجة عن دوار الذيل ، والذي لا يولد أي رفع مفيد) عن طريق الدوران المعاكس، كما أن الشفرات القصيرة نسبيًا أسهل بكثير في البناء. ظهر عدد من التصميمات المأهولة في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين. كانت هذه المركبات من بين أولى المركبات الناجحة للإقلاع والهبوط العمودي الأثقل من الهواء (VTOL) . [4] ومع ذلك، عانت النماذج الأولية المبكرة من ضعف الأداء، [4] وتطلبت النماذج الأولية اللاحقة الكثير من حمولة عمل الطيار، بسبب ضعف تعزيز الاستقرار [5] وسلطة التحكم المحدودة.
عزم الدوران
إذا كانت الدوارات الأربعة تدور بنفس السرعة الزاوية ، مع دوران اثنين في اتجاه عقارب الساعة واثنين عكس اتجاه عقارب الساعة، فإن عزم الدوران الصافي حول محور الانحراف يساوي صفرًا، مما يعني عدم وجود حاجة لدوار ذيل كما هو الحال في المروحيات التقليدية. يحدث الانحراف بسبب عدم تطابق التوازن في عزم الدوران الديناميكي الهوائي (أي عن طريق تعويض أوامر الدفع التراكمية بين أزواج الشفرات التي تدور في اتجاه معاكس). [6] [7]
-
مخطط لعزمات رد الفعل على كل محرك من محركات الطائرات الرباعية المروحيات، بسبب دوران الدوارات. تدور الدوارات 1 و3 في اتجاه واحد، بينما تدور الدوارات 2 و4 في الاتجاه المعاكس، مما ينتج عنه عزمان معاكسان للتحكم. -
تحوم الطائرة الرباعية الدوارة أو تعدل ارتفاعها من خلال تطبيق قوة دفع متساوية على جميع الدوارات الأربعة. -
تقوم الطائرة الرباعية الدوارة بتعديل انحرافها عن طريق تطبيق المزيد من الدفع على الدوارات التي تدور في اتجاه واحد. -
تقوم الطائرة الرباعية الدوارة بتعديل درجة ميلها أو دورانها عن طريق تطبيق المزيد من الدفع على دوار واحد (أو دوارين متجاورين) ودفع أقل على الدوار المقابل قطريًا.
حالة حلقة الدوامة
تخضع جميع الطائرات الرباعية المروحية لديناميكيات هوائية عادية للطائرات العمودية، بما في ذلك حالة حلقة الدوامة . [ بحاجة لمصدر ]
البنية الميكانيكية
المكونات الميكانيكية الرئيسية هي جسم الطائرة أو الإطار، والدوارات الأربعة (إما ثابتة أو متغيرة الميل)، والمحركات. للحصول على أفضل أداء وأبسط خوارزميات التحكم، تكون المحركات والمراوح على مسافة متساوية. [8]
الدوارات المحورية
من أجل السماح بمزيد من القوة والاستقرار عند وزن أقل، يمكن للطائرة الرباعية المراوح، مثل أي طائرة متعددة الدوارات أخرى، استخدام تكوين دوار محوري . في هذه الحالة، يحتوي كل ذراع على محركين يعملان في اتجاهين متعاكسين (أحدهما متجه لأعلى والآخر متجه لأسفل). [ بحاجة لمصدر ]
العمليات
طيران مستقل
إن تكوين الطائرة الرباعية المروحية سهل البرمجة نسبيًا للطيران المستقل. وقد سمح هذا بإجراء تجارب على سلوكيات التحليق المعقدة استنادًا إلى الاستشعار الأساسي للطائرات بدون طيار المجاورة. [ بحاجة لمصدر ]
تَحمُّل
أطول وقت طيران تم تحقيقه بواسطة طائرة رباعية المراوح تعمل بالبطارية كان ساعتان و31 دقيقة و30 ثانية. سجل الرقم القياسي فرديناند كيكنجر من ألمانيا في عام 2016. [9] في تحديد الرقم القياسي، استخدم كيكنجر بطاريات ليثيوم أيون عالية السعة ومنخفضة معدل التفريغ وجرد هيكل الطائرة من الوزن غير الضروري لتقليل استهلاك الطاقة وإطالة القدرة على التحمل. [10]
تم استخدام مصادر الطاقة البديلة مثل خلايا وقود الهيدروجين ومولدات الغاز الكهربائية الهجينة لتمديد القدرة على التحمل بشكل كبير بسبب زيادة كثافة الطاقة لكل من الهيدروجين والبنزين على التوالي. [11]
تاريخ
رواد
كانت أول طائرة هليكوبتر أثقل من الهواء تقلع عموديًا هي طائرة هليكوبتر رباعية الدوارات صممها لويس بريجيه . تم اختبارها فقط في رحلة مقيدة وعلى ارتفاع بضعة أقدام. في عام 1908، تم الإبلاغ عن أنها طارت "عدة مرات"، على الرغم من أن التفاصيل نادرة. [12]
أجرى إتيان أوهميشين تجارب على تصميمات الطائرات العمودية في عشرينيات القرن العشرين. ومن بين التصميمات التي جربها كان أوهميشين رقم 2، الذي استخدم أربعة دوارات ثنائية الشفرات وثماني مراوح، وكلها مدفوعة بمحرك واحد. يمكن تغيير زاوية شفرات الدوار عن طريق الانحناء. خمسة من المراوح، تدور في المستوى الأفقي، لتثبيت الآلة جانبيًا. تم تركيب مروحة أخرى في المقدمة للتوجيه. عمل الزوج المتبقي من المراوح كدفع أمامي. أظهرت الطائرة درجة كبيرة من الاستقرار وزيادة في دقة التحكم في وقتها، وأجرت أكثر من ألف رحلة تجريبية خلال منتصف عشرينيات القرن العشرين. بحلول عام 1923، كانت قادرة على البقاء في الهواء لعدة دقائق في المرة الواحدة، وفي 14 أبريل 1924، سجلت أول مسافة قياسية على الإطلاق لطائرات الهليكوبتر في الاتحاد الدولي للطيران لمسافة 360 مترًا (390 ياردة). وقد أثبتت قدرتها على إكمال مسار دائري [13] وفي وقت لاحق، أكملت أول رحلة في دائرة مغلقة بطول كيلومتر واحد (0.62 ميل) بواسطة طائرة عمودية.
قام الدكتور جورج دي بوثيزات وإيفان جيروم بتطوير مروحية دي بوثيزات ، ذات دوارات بست شفرات في نهاية هيكل على شكل X. تم استخدام مروحتين صغيرتين بزاوية متغيرة للتحكم في الدفع والانحراف. استخدمت المركبة التحكم الجماعي في الزاوية. تم بناؤها بواسطة سلاح الجو في جيش الولايات المتحدة ، وقامت بأول رحلة لها في أكتوبر 1922. تم إجراء حوالي 100 رحلة بحلول نهاية عام 1923. كان أعلى ارتفاع وصلت إليه على الإطلاق حوالي 5 أمتار (16 قدمًا و 5 بوصات). على الرغم من إثبات جدواها، إلا أنها كانت ضعيفة القوة وغير مستجيبة ومعقدة ميكانيكيًا وعرضة لمشاكل الموثوقية. كان عبء عمل الطيار مرتفعًا جدًا أثناء التحليق لمحاولة الحركة الجانبية.
فترة ما بعد الحرب
كانت طائرة Convertawings Model A Quadrotor مخصصة لتكون النموذج الأولي لسلسلة من طائرات الهليكوبتر المدنية والعسكرية الأكبر حجمًا. يتميز التصميم بمحركين يدفعان أربعة دوارات من خلال نظام من الأحزمة V. لم تكن هناك حاجة إلى دوار خلفي وتم الحصول على التحكم عن طريق تغيير الدفع بين الدوارات. [14] أثبتت هذه المروحية، التي تم تحليقها عدة مرات منذ عام 1956، تصميم Quadrotor وكانت أيضًا أول مروحية بأربعة دوارات تُظهر رحلة أمامية ناجحة. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود طلبات على الإصدارات التجارية أو العسكرية، تم إنهاء المشروع. اقترحت Convertawings طراز E الذي سيكون له وزن أقصى يبلغ 42000 رطل (19 طنًا) مع حمولة تبلغ 10900 رطل (4.9 طن) على مدى 300 ميل وبسرعة تصل إلى 173 ميلاً في الساعة (278 كم / ساعة). نشأ دوار هانسون المفصلي المرن الخالي من المحامل من العمل الذي تم إنجازه في أوائل الستينيات في شركة لوكهيد كاليفورنيا بواسطة توماس ف. هانسون، الذي عمل سابقًا في شركة كونفيرتوينجز على تصميم دوار الطائرة الرباعية الدوارة ونظام التحكم. [15] [16]
كان مشروع رش المحاصيل Gloster لعام 1960 مثالاً مبكرًا لطائرة بدون طيار رباعية المراوح. لتشغيلها بمحرك Potez 4E رباعي الأسطوانات مبرد بالهواء بقوة 105 حصان، تم تفريغ حمولتها البالغة 20 جالونًا من خلال ذراع رش بطول 22 قدمًا. حمل مشغلان منارات التوجيه في طرفين متقابلين من مسار الرش، بحيث تتجه الطائرة الرباعية المراوح دائمًا نحو المنارة ولا تتجاوزها. ومع ذلك، على الرغم من التصميم المبسط للغاية ومتطلبات التشغيل مقارنة بالآلة التي يقودها طيار، رفض مجلس إدارة الشركة الأم تطويرها وظلت مشروعًا ورقيًا. [17]
كانت طائرة كيرتس رايت VZ-7 التي صممها كيرتس رايت عام 1958 طائرة إقلاع وهبوط عمودي صممها كيرتس رايت في مسابقة "سيارة الجيب الطائرة" التابعة لقيادة النقل والبحث في الجيش الأمريكي. تم التحكم في VZ-7 عن طريق تغيير قوة دفع كل من دوارات المروحة الأربعة.
كانت طائرة Piasecki PA-97 عبارة عن اقتراح لطائرة هجينة كبيرة تم فيها دمج أربعة هياكل مروحية مع طائرة هوائية أخف من الهواء في ثمانينيات القرن العشرين.
التطورات الحالية
يأخذ مفهوم Bell Boeing Quad TiltRotor مفهوم الطائرة الرباعية المراوح الثابتة إلى مستوى أبعد من خلال دمجه مع مفهوم الدوار المائل لنقل عسكري مقترح بحجم C-130.
تعمل شركة إيرباص على تطوير طائرة رباعية المراوح تعمل بالبطارية لتعمل كسيارة أجرة جوية حضرية، في البداية مع طيار ولكن من المحتمل أن تكون ذاتية القيادة في المستقبل. [18]
طائرات بدون طيار
في العقود الأولى من العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أصبح تصميم الطائرة الرباعية المراوح شائعًا للمركبات الجوية غير المأهولة أو الطائرات بدون طيار صغيرة الحجم. أدت الحاجة إلى طائرات ذات قدرة أكبر على المناورة والقدرة على التحليق إلى زيادة أبحاث الطائرات الرباعية المراوح. يسمح التصميم رباعي الدوارات للطائرات الرباعية المراوح بأن تكون بسيطة نسبيًا في التصميم ولكنها موثوقة للغاية وقابلة للمناورة. يستمر البحث في زيادة قدرات الطائرات الرباعية المراوح من خلال إحراز تقدم في الاتصالات متعددة الطائرات واستكشاف البيئة والقدرة على المناورة. إذا كان من الممكن الجمع بين هذه الصفات المتطورة، فستكون الطائرات الرباعية المراوح قادرة على القيام بمهام مستقلة متقدمة لا يمكن تحقيقها حاليًا باستخدام المركبات الأخرى. [19]
في حين تم إنتاج طائرات رباعية المراوح صغيرة الحجم يتم التحكم فيها عن بعد في اليابان بالفعل في أوائل التسعينيات، فإن أول طائرة مزودة بكاميرا يتم إنتاجها بكميات كبيرة (نظام الفيديو الجوي المستقر Draganflyer، والذي يُعرف أيضًا باسم Draganflyer I، بواسطة شركة Draganfly الكندية الناشئة) لم يتم تصميمها حتى عام 1999. [20] [21]
في الفترة من 2005 إلى 2010، سمحت التطورات في مجال الإلكترونيات بإنتاج وحدات تحكم طيران خفيفة الوزن ورخيصة الثمن، ومقاييس تسارع ( IMU )، ونظام تحديد المواقع العالمي والكاميرات. أدى هذا إلى أن أصبح تكوين الطائرة الرباعية المراوح شائعًا للمركبات الجوية الصغيرة بدون طيار . بفضل حجمها الصغير وقدرتها على المناورة، يمكن تحليق هذه الطائرات الرباعية المراوح في الداخل والخارج. [1] [22]
بالنسبة للطائرات بدون طيار الصغيرة، فإن الطائرات الرباعية المراوح أرخص وأكثر متانة من طائرات الهليكوبتر التقليدية بسبب بساطتها الميكانيكية. [23] كما أن شفراتها الأصغر مفيدة لأنها تمتلك طاقة حركية أقل، مما يقلل من قدرتها على التسبب في الضرر. بالنسبة للطائرات الرباعية المراوح الصغيرة، فإن هذا يجعل المركبات أكثر أمانًا للتفاعل الوثيق. من الممكن أيضًا تجهيز الطائرات الرباعية المراوح بحراس يحيطون بالدوارات، مما يقلل بشكل أكبر من احتمالية التلف. [2] ومع ذلك، مع زيادة الحجم، فإن الطائرات الرباعية المراوح ذات المروحة الثابتة تتطور إلى عيوب مقارنة بالطائرات الهليكوبتر التقليدية. يؤدي زيادة حجم الشفرة إلى زيادة زخمها. وهذا يعني أن التغييرات في سرعة الشفرة تستغرق وقتًا أطول، مما يؤثر سلبًا على التحكم. لا تواجه المروحيات هذه المشكلة لأن زيادة حجم قرص الدوار لا يؤثر بشكل كبير على القدرة على التحكم في درجة ميل الشفرة.
بسبب سهولة بنائها والتحكم فيها، أصبحت الطائرات الرباعية المراوح شائعة الاستخدام كمشاريع طائرات نموذجية للهواة . [24] [25]
النشاط الإجرامي
طوال القرن الحادي والعشرين، كانت هناك حالات تم الإبلاغ عنها لاستخدام طائرات بدون طيار رباعية المراوح في أنشطة إجرامية. وبسبب بناء الجدار الحدودي بين المكسيك والولايات المتحدة ، لجأت بعض عصابات المخدرات إلى استخدام طائرات بدون طيار رباعية المراوح لتهريب المخدرات. [26] ومع ذلك، لا تقوم طائرات بدون طيار رباعية المراوح بتهريب المخدرات عبر الحدود بالضرورة فحسب، بل هناك أيضًا حالات يتم فيها تهريب الأسلحة وغيرها من العناصر المحظورة إلى السجون في جميع أنحاء العالم. [27]
كما تحدث جرائم الطائرات بدون طيار رباعية المراوح في أوروبا أيضًا. ففي أغسطس 2021، استولى ضابط شرطة في جمهورية التشيك على طائرة رباعية المراوح كانت تنقل كيسًا من الميثامفيتامين . [28]
انظر أيضا
مراجع
- ^ ab Hoffmann, GM; Rajnarayan, DG; Waslander, SL; Dostal, D.; Jang, JS; Tomlin, CJ (نوفمبر 2004). "منصة اختبار ستانفورد للطائرات العمودية ذاتية التحكم للتحكم متعدد العوامل (STARMAC)". في وقائع المؤتمر الثالث والعشرين لأنظمة الطيران الرقمية . سولت ليك سيتي، يوتا. ص. 12.E.4/1–10. CiteSeerX 10.1.1.74.9999 . doi :10.1109/DASC.2004.1390847. ISBN 0-7803-8539-X.
- ^ ab Hoffman, G.; Huang, H.; Waslander, SL; Tomlin, CJ (20–23 August 2007). "Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment" (PDF) . في مؤتمر المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية . هيلتون هيد، ساوث كارولينا. مؤرشف من الأصل (PDF) في 13 أغسطس 2010.
- ^ ستافورد، جيسي (ربيع 2014). "كيف تعمل الطائرة الرباعية المراوح | كلاي ألين". جامعة ألاسكا، فيربانكس . تم الاسترجاع في 20 يناير 2015 .
- ^ ab Leishman, JG (2000). Principles of Helicopter Aerodynamics. New York, NY: Cambridge University Press. ISBN 9780521858601.
- ^ أندرسون، إس بي (1997). "نظرة تاريخية عامة على تكنولوجيا الطائرات العمودية/القصيرة/القصيرة المدى". مذكرة ناسا التقنية رقم 81280 .
- ^ "Quadrotor". مؤرشف من الأصل في 27 ديسمبر 2014. اطلع عليه بتاريخ 29 ديسمبر 2014 .
- ^ أندرو هوبدن. "Quadcopters: Yaw". hoverbear.org . تم الاسترجاع في 3 أبريل 2017 .
- ^ Uriah (13 أبريل 2010). "طائرة هليكوبتر Wyvern Quadrotor" . تم الاسترجاع في 29 ديسمبر 2014 .
- ^ Ferdinand Kickinger (30 أبريل 2016)، 151 دقيقة و30 ثانية FPV مع Copter، تم أرشفته من الأصل في 22 ديسمبر 2021 ، تم استرجاعه في 26 أغسطس 2018
- ^ طائرات بدون طيار SPK. كيف تطير الطائرات الرباعية المروحيات Archived 6 أغسطس 2020 at the Wayback Machine .
- ^ McNabb, Miriam (فبراير 2018). أطلقت شركة Harris Aerial الأمريكية المصنعة طائرة بدون طيار هجينة جديدة تعمل بالغاز والكهرباء. Dronelife
- ^ يونغ، وارن ر. (1982). المروحيات. شيكاغو: كتب تايم لايف. ص 28. ISBN 978-0-8094-3350-6.
{{cite book}}:|work=تم تجاهله ( مساعدة ) - ^ " رحلة ناجحة لطائرة هليكوبتر فرنسية" 24 يناير 1924 ص47
- ^ "1956 - 1564 - Flight Archive". flightglobal.com . تم الاسترجاع في 13 مارس 2015 .
- ^ "براءة اختراع US3261407 - نظام دوار المروحية". google.com . تم الاسترجاع في 13 مارس 2015 .
- ^ Inan, Esin; Kiris, Ahmet (20 January 2007). المؤتمر الدولي السابع حول مشاكل الاهتزاز ICOVP 2005. Springer. ISBN 9781402054013تم الاسترجاع بتاريخ 13 مارس 2015 .
- ^ جيمس، ديريك ن.؛ طائرات غلوستر منذ عام 1917 ، بوتنام، 1971، ص 413.
- ^ "إيرباص في طريقها لإطلاق طائرتها الكهربائية في عام 2018". 5 أكتوبر 2017.
- ^ "Illumin - The Quadrotor's Coming of Age". يوليو 2010. تم الاسترجاع في 29 ديسمبر 2014 .
- ^ داراك، محرر. "تاريخ موجز للطائرات الرباعية الدوارة". مجلة الطيران والفضاء .
- ^ "قصتنا | Draganfly". draganfly.com . مؤرشف من الأصل في 12 ديسمبر 2016 . تم الاسترجاع 17 ديسمبر 2021 .
- ^ بوشي، رولاند (2011). Fascination Quadrocopter . كتب حسب الطلب. ISBN 978-3-8423-6731-9.
- ^ باوندز، ب.؛ ماهوني، ر.؛ كورك، ب. (ديسمبر 2006). "نمذجة وتحكم في روبوت رباعي الدوارات" (PDF) . في وقائع المؤتمر الأسترالي للروبوتات والأتمتة . أوكلاند، نيوزيلندا.
- ^ "كيفية: طائرة رباعية المراوح مبنية على أردوينو". MAKE . مؤرشف من الأصل في 11 ديسمبر 2011 . تم الاسترجاع في 29 ديسمبر 2014 .
- ^ "FrontPage - UAVP-NG - The Open Source Next Generation Multicopter" . تم الاسترجاع في 29 ديسمبر 2014 .
- ^ "مهربو المخدرات يلجأون إلى الطائرات بدون طيار لتعزيز العمليات". DroneDJ . 21 ديسمبر 2020 . تم الاسترجاع 10 أغسطس 2021 .
- ^ “Věznice | EAGLE.ONE”. Eagle.One (باللغة التشيكية) . تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2021 .
- ^ بوكورني ، بيتر (10 أغسطس 2021). "Strážník v Doksech rukama chytil neregistrovaný dron، který přenášel pervitin". تشيسكوليبسكي دينيك (باللغة التشيكية) . تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2021 .
روابط خارجية
- تم أرشفة مختبر GRASP التابع لجامعة بنسلفانيا في 2015-04-20 على موقع Wayback Machine
- المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ يبحث في الطائرات الرباعية الدوارة
- إرشادات السلامة لعمليات الطائرات النموذجية UAS التابعة لإدارة الطيران الفيدرالية
- TED Raffaello D'Andrea: القوة الرياضية المذهلة للطائرات الرباعية المروحيات
