Мультикоптеры и аппараты самолётного типа

Два больших класса беспилотников решают разные задачи — и платят за это разной физикой.

Мультикоптер создаёт всю подъёмную силу винтами и умеет висеть; аппарат самолётного типа создаёт её крылом и обязан лететь вперёд, чтобы держаться в воздухе.

Мультикоптеры

Квадрокоптер, гексакоптер, октокоптер — у них 4, 6 или 8 моторов с винтами, направленными вверх. Подъёмная сила здесь полностью «винтовая»: висение бесплатно по времени реакции, но дорого по энергии — моторы всё время толкают воздух вниз, удерживая вес.

Плюсы: вертикальный взлёт и посадка, висение на месте, простая механика, манёвренность.
Минусы: малое время полёта, скромная дальность, высокий расход энергии.

Аппараты самолётного типа

У них есть крыло, которое создаёт подъёмную силу за счёт движения вперёд, и тянущий или толкающий винт. Висеть они не умеют (без специальных схем), зато крыло несёт вес гораздо экономнее винтов.

Плюсы: большая дальность и продолжительность, высокая крейсерская скорость, экономичность.
Минусы: нужна полоса или катапульта/бросок, нельзя зависнуть, сложнее манёвр у земли.

Как работает под капотом

Грубое правило энергетики: коптер в висении тратит мощность примерно пропорционально весу в степени полтора, а самолёт в крейсере — пропорционально весу, делённому на аэродинамическое качество. Сравним «стоимость» удержания одного и того же веса. Возьмём качество крыла $K=12$ и сравним с упрощённой оценкой мощности висения.

import math
m = 2.0; g = 9.81
W = m * g                 # вес, Н
# Самолёт: тяга на крейсере = W / K
K = 12.0
thrust_plane = W / K
print("Вес аппарата:", round(W, 2), "Н")
print("Тяга самолёта в крейсере:", round(thrust_plane, 2), "Н")
# Коптер обязан создавать тягу = весу всегда
thrust_copter = W
print("Тяга коптера в висении:", round(thrust_copter, 2), "Н")
print("Во сколько раз больше:", round(thrust_copter / thrust_plane, 1))

Вывод:

Вес аппарата: 19.62 Н
Тяга самолёта в крейсере: 1.64 Н
Тяга коптера в висении: 19.62 Н
Во сколько раз больше: 12.0

Самолёту крыло «дарит» выигрыш ровно в $K$ раз по тяге — поэтому он летит дальше. Есть и гибриды (VTOL): взлетают как коптер, летят как самолёт, объединяя достоинства ценой массы и сложности.

Частые ошибки

Считать, что самолётный тип «всегда лучше»: для съёмки точки или инспекции висение коптера незаменимо.
Забывать, что у самолёта есть минимальная (сваливающая) скорость — медленнее лететь нельзя.
Думать, что VTOL — это «бесплатно лучшее из двух»: за универсальность платят лишним весом механизмов.

Итог

Мультикоптер: висение и манёвр, но дорогая энергетика и малая дальность.
Самолётный тип: дальность и экономичность за счёт крыла, но нужна скорость и взлётная полоса/бросок.
Крыло даёт выигрыш по тяге примерно в $K$ (аэродинамическое качество) раз.