کوادکوپتر چیست و چگونه کار می‌کند؟ کوادروتور چیست؟

single-rotor یا multi-rotor مسئله این است!

روتورکرفت‌ها خود به دو دسته بزرگ multi-rotor ها و single-rotor ها تقسیم می‌شوند. درحالی که مشغول تماشای پرواز یک هلیکوپتر هستید در واقع پرواز یک single-rotor را مشاهده می‌کنید (single به معنای تک).

در single-rotor ها تنها یک موتور اصلی وظیفه تامین نیروی بالابرندگی را به عهده دارد (در هلیکوپتر موتور دم نقش بالابرندگی نداشته و شمرده نمی‌شود). در مقابل، مولتی روتورها (multirotor) هستند که برای اینکار از بیش از یک موتور استفاده می‌کنند (multi به معنی چند).

دم حیاتی هلیکوپتر! (مشکلات هلیکوپتر)

تا قبل از ظهور کوادکوپترها و گسترده شدن آنها بسیاری از کارهایی که امروزه با کوادکوپترها انجام می‌شود (مانند تصویر برداری هوایی، نقشه برداری، بازدید هوایی و …) توسط هلیکوپترها انجام می‌شد اما کوادکوپترها چگونه توانستند به این سرعت جایگزین هلیکوپترها شوند؟

برای پاسخ به این سوال بد نیست نگاهی به ساختار و نحوه حرکت هلیکوپتر بیاندازیم.

به نظرتان اگر موتور عقب یک هلیکوپتر از کار بیفتد چه اتفاقی خواهد افتاد؟ حتما در فیلم‌ها دیده اید که بعد از از بین رفتن قسمت عقب هلیکوپتر، هلیکوپتر شروع به چرخش به دور خود می‌کند و با اصابت به زمین از بین می‌رود…

اما این نحوه به تصویر کشیدن نابودی یک هلیکوپتر خیلی هم بی‌راه نیست چرا که اگر موتور عقبی هلیکوپتر وجود نداشت بلافاصله بعد از روشن شدن موتور اصلی، هلیکوپتر شروع به چرخش به دور خود می‌کرد! دلیل این اتفاق ساده است، عمل و عکس العمل!

با چرخش ملخ اصلی هلیکوپتر، ملخ در دو جهت به ملکول‌های هوا نیرو وارد می‌کند، یکی در جهت پایین و دیگری در جهت چرخش ملخ، ازانجایی که هر عملی یک عکس العمل به دنبال دارد در نتیجه مولکول‌های هوا نیز دو نیرو به ملخ و هلیکوپتر وارد می‌کنند، یکی در جهت بالا و دیگری در خلاف جهت چرخش ملخ، نیروی اول باعث بالا رفتن هلیکوپتر در هوا می‌شود اما نیروی دوم باعث چرخش هلیکوپتر به دور خود می‌شود (در خلاف جهت چرخش ملخ).

بنابراین برای جلوگیری از چرخش هلیکوپتر به دور خود نیاز به نیرویی است تا جلوی چرخش هلیکوپتر به دور خود را بگیرد که این نیرو توسط موتور عقب هلیکوپتر تامین می‌شود. موتور دم با تولید نیرو در خلاف جهت چرخش هلیکوپتر باعث جلوگیری از چرخش هلیکوپتر در هوا می‌شود. اگر پیش از این علت وجود موتور دم و ضرورت قرارگیری افقی آن را نمی‌دانستید اکنون می‌توانید آن را برای دوستانتان توضیح دهید!

پایان دوران یکه تازی هلیکوپتر (مهاجرت به مولتی روتورها)

مدت زمان خیلی زیادی سپری شد تا مهندسان بر مشکل چرخش هلیکوپتر به دور خود چیره شدند، شاید جالب باشد که بدانید مدل هلیکوپتری که توسط لئوناردو داوینچی ارائه شد نیز دچار همین مشکل بود!

اما استفاده از یک موتور ثانویه (موتور دم) که هیچ کار مثبتی برای بالا رفتن هلیکوپتر انجام نمی‌دهد و تنها وظیفه آن جلوگیری از چرخش هلیکوپتر است تنها راه حل جلوگیری از این مشکل نیست! شاید اگر ملخ اصلی دیگر وجود داشت که با چرخش در خلاف جهت ملخ اولیه نیروی چرخش آن را خنثی می‌کرد، بتوان موتور دم را که نقشی در بالا رفتن هلیکوپتر ندارد حذف کرد. این ایده زمینه ساز خلق مدل‌های جدیدی از هلیکوپترها به نام‌های coaxial rotor (تلفظ: کواکسیال روتور) و tandem rotor (تلفظ: تندم روتور) شد.

در tandem rotor دم هلیکوپتر به طور کلی حذف شده است زیرا هر ملخ گشتاور چرخشی ملخ دیگر را خنثی می‌کند و هلیکوپتر پایدار باقی می‌ماند.

در coaxial rotor دو ملخ اصلی بر روی هم قرار دارند و در خلاف جهت یکدیگر میچرخند تا اثر چرخش یکدیگر را خنثی کنند. موتور دم در این نوع هلیکوپترها نیز حذف شده و یا در صورت وجود زاویه قرار گیری متفاوتی نسبت به موتور دم در هلیکوپترهای معمولی دارد.

بیشتر هلیکوپترهای اسباب بازی نیز از مدل coaxial rotor پیروی می‌کنند (برای نمونه میتوانید هلیکوپتر سایما مدل S8 را ببینید).

با توجه به وجود دو روتور اصلی که وظیفه بالابرندگی این مدل هلیکوپترها را به عهده دارند می‌توان این دو مدل هلیکوپتر را در دسته مولتی روتورها نیز جای داد.

آغاز سلطنت کوادکوپتر (کوادکوپتر چگونه کار می‌کند؟)

در اوایل قرن بیستم و همزمان با ظهور هلیکوپترهایی که موتور دم در آنها حذف شده بود ایده‌های تازه‌ای برای ساخت نوع جدیدی از هلیکوپترها و ماشین‌های پرنده‌ ظهور کردند. اولین کوادکوپتر ساخته شده مدلی‬ آزمایشی بود که در سال ۱۹۰۷ توسط دو برادر فرانسوی به نام Jacques and Louis Breguet در پروژه‌ای به نام Quadcopter ساخته و تست شد، هرچند آن‌ها نتوانستند پرنده خود را در آسمان نگه دارند ولی موفق به پرواز ثابت شدند.

ماشین پرنده‌ای که دارای چهار روتور است و هیچ انرژی برای جلوگیری از چرخش در آن اتلاف نمی‌شود. اما یک کوادکوپتر چگونه در هوا معلق می‌ماند؟

مطمئنا اکنون می‌دانید که اگر هر چهار موتور کوادکوپتر در یک جهت شروع به چرخش کنند کوادکوپتر به سرعت شروع به چرخش به دور خود خواهد کرد!

بنابراین دو موتور باید در یک جهت بچرخند و دو موتور دیگر در جهتی دیگر تا گشتاور چرخشی یکدیگر را خنثی کنند. با این اصل دو نوع کوادکوپتر می‌توان ساخت، کوادکوپترهای نوع H و X.

در کوادکوپترهای نوع H موتورهای کناری هم جهت می‌چرخند

و در کوادکوپترهای نوع X این موتورهای روبه‌رو هستند که در یک جهت می‌چرخند.

کوادکوپترهای نوع X متداول‌تر بوده و کاربرد بیشتری دارند.

کوادکوپتر چگونه پرواز می‌کند؟

برخلاف بسیاری از ماشین‌های پرنده، کوادکوپتر به آسانی می‌تواند در هر سه محور اصلی حرکت کند، حرکت کوادکوپتر در هر سه محور بعلاوه چرخش آن حول محور عمودی با تغییر سرعت موتورهای آن انجام می‌شود.

برای اینکه کوادکوپتر بتواند ارتفاع خود را حفظ کند لازم است تا مجموع نیروی بالابرندگی چهار موتور کوادکوپتر ثابت باقی بماند. در شکل زیر هر چهار موتور با یک سرعت در حال چرخش هستند که باعث می‌شود کوادکوپتر بدون چرخش حول محور عمودی و تغییر ارتفاع در یک نقطه در هوا معلق و پایدار بماند.

کوادکوپتر چگونه در هوا بالا و پایین می‌رود؟

با افزایش سرعت چرخش تمام موتورها، کوادکوپتر در هوا بالا می‌رود. به شکل زیر دقت کنید (به ضخامت فلش‌ها دقت کنید).

برای کاهش ارتفاع نیز کافیست سرعت چرخش تمامی موتورها کم شود.

کوادکوپتر چگونه در هوا می‌چرخد؟

در هلیکوپترهای معمولی این موتور دم بود که با تغییر سرعت خود باعث چرخش هلیکوپتر در هوا می‌شد. در کوادکوپترها این مکانیزم توسط تغییر سرعت موتورهای هم جهت انجام می‌شود. به این صورت که دو موتور هم جهت سرعت خود را کم می‌کنند و دو موتور هم جهت دیگر به همان میزان سرعت حرکت خود را افزایش می‌دهند تا بدون تغییر در ارتفاع (چرا که مجموع نیروی بالابرندگی موتورها ثابت باقی مانده است)، کوادکوپتر به دور خود بچرخد.

در شکل زیر دو موتور ساعتگرد با افزایش سرعت خود باعث می‌شوند تا گشتاور ساعتگرد بیشتر شده و در نتیجه کوادکوپتر در خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت چرخش کند (عکس العمل این گشتاور به کوادکوپتر وارد می‌شود و در خلاف جهت آن است – قانون سوم نیوتن!).

ارتفاع نیز به علت ثابت ماندن مجموع نیروی بالابرندگی موتورها تغییر نخواهد کرد.

کوادکوپتر چگونه به جهت‌های مختلف حرکت می‌کند؟

حرکت به جهت‌های جلو، عقب، چپ و راست نیز با برهم زدن تعادل کوادکوپتر صورت می‌گیرد. همانطور که دیدید برای جلوگیری از چرخش کوادکوپتر لازم است تا گشتاور چرخشی دو موتور ساعتگرد با گشتاور چرخشی ناشی از دو موتور پادساعتگرد برابر باشد، بنابراین برای حرکت به یک سمت بدون چرخش لازم است تا این دو گشتاور را برابر نگه داریم.

به شکل زیر که حرکت کوادکوپتر به سمت پایین را نمایش می‌دهد دقت کنید. در این حرکت برای بر هم زدن تعادل کوادکوپتر یکی از موتورهای ساعتگرد(موتور بالایی) سریعتر از 3 موتور دیگر می‌چرخد و دو موتور پادساعتگرد نیز سرعت خود را بدون تغییر حفظ می‌کنند، برای جلوگیری از چرخش کوادکوپتر نیز لازم است تا موتور پایینی به همان میزان افزایش سرعت موتور بالایی سرعت خود را کاهش دهد تا گشتاور چرخشی موتورهای ساعتگرد و پادساعتگرد برابر باقی بمانند و یکدیگر را خنثی کنند (به ضخامت فلش‌ها دقت کنید).

با توجه به اینکه مجموع نیروی بالابرندگی چهار موتور ثابت باقی مانده است ارتفاع کوادکوپتر نیز در این حرکت تغییری نخواهد کرد.

هدایت کوادکوپتر

به جرات می‌توان گفت هدایت کوادکوپترها از تمام وسایلی که به هر نحوی می‌توانند پرواز کنند و در هوا معلق بمانند راحت‌تر است!

اضافه شدن قابلیت هدلس مود به کوادکوپترها هدایت آنها را به مراتب راحت‌تر از هلیکوپترها کرده است، به طوری که هر انسانی با هر رده سنی می‌تواند با کمی تمرین تبدیل به یک خلبان تمام و کمال کوادکوپتر شود.

یکی از مزیت‌های کوادکوپترها نسبت به هلیکوپترها و سایر ماشین‌های پرنده، تعادل خوب آنها در هنگام پرواز است. کوادکوپترها به دلیل ساختاری که در طراحی خود دارند بسیار بهتر از یک هلیکوپتر می‌توانند بدون نگرانی از برهم خوردن تعادلشان، وسایل و تجهیزات مختلف مانند دوربین را با خود حمل کنند. همین ویژگی باعث شده تا کوادکوپترها برای کاربردهای مختلفی بکار گرفته شوند.