Cuadricóptero

Un cuadricóptero , también llamado cuadricóptero o cuadrirrotor ^[1] es un tipo de helicóptero o multicóptero que tiene cuatro rotores . ^[2]

Aunque los helicópteros y convertiplanos cuadricópteros se han utilizado durante mucho tiempo con fines experimentales, su configuración siguió siendo una curiosidad hasta la llegada de los modernos vehículos aéreos no tripulados o drones. El pequeño tamaño y la baja inercia de los drones permiten el uso de un sistema de control de vuelo particularmente simple, lo que ha aumentado enormemente la practicidad del pequeño cuadricóptero en esta aplicación.

Cada rotor produce sustentación y torque alrededor de su centro de rotación, así como también resistencia en dirección opuesta a la dirección de vuelo del vehículo.

Los cuadricópteros suelen tener dos rotores que giran en el sentido de las agujas del reloj (CW) y dos en el sentido contrario a las agujas del reloj (CCW). El control del vuelo se proporciona mediante la variación independiente de la velocidad y, por lo tanto, de la sustentación y el par de cada rotor. El cabeceo y el balanceo se controlan variando el centro neto de empuje , mientras que la guiñada se controla variando el par neto . ^[3]

A diferencia de los helicópteros convencionales, los cuadricópteros no suelen tener control de paso cíclico, en el que el ángulo de las palas varía dinámicamente a medida que giran alrededor del eje del rotor. En los primeros días del vuelo, los cuadricópteros (entonces denominados cuadrirrotores o simplemente helicópteros ) fueron vistos como una posible solución a algunos de los problemas persistentes en el vuelo vertical. Los problemas de control inducidos por el par (así como los problemas de eficiencia originados por el rotor de cola , que no genera sustentación útil) se pueden eliminar mediante la contrarrotación, y las palas relativamente cortas son mucho más fáciles de construir. Una serie de diseños tripulados aparecieron en los años 1920 y 1930. Estos vehículos estuvieron entre los primeros vehículos de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) exitosos . ^[4] Sin embargo, los primeros prototipos sufrieron un rendimiento deficiente, ^[4] y los prototipos posteriores requirieron demasiada carga de trabajo del piloto, debido al pobre aumento de la estabilidad ^[5] y la autoridad de control limitada.

Si los cuatro rotores giran a la misma velocidad angular , con dos girando en el sentido de las agujas del reloj y dos en el sentido contrario, el par neto sobre el eje de guiñada es cero, lo que significa que no hay necesidad de un rotor de cola como en los helicópteros convencionales. La guiñada se induce al desequilibrar los pares aerodinámicos (es decir, al compensar los comandos de empuje acumulados entre los pares de palas que giran en sentido contrario). ^{[6] [7]}

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  Esquema de los pares de reacción en cada motor de un cuadricóptero, debido al giro de los rotores. Los rotores 1 y 3 giran en una dirección, mientras que los rotores 2 y 4 giran en la dirección opuesta, lo que produce pares opuestos para el control.
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  Un cuadricóptero se mantiene en vuelo estacionario o ajusta su altitud aplicando el mismo empuje a los cuatro rotores.
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  Un cuadricóptero ajusta su guiñada aplicando más empuje a los rotores que giran en una dirección.
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  Un cuadricóptero ajusta su inclinación o balanceo aplicando más empuje a un rotor (o dos rotores adyacentes) y menos empuje al rotor diametralmente opuesto.

Todos los cuadricópteros están sujetos a la aerodinámica normal de los helicópteros, incluido el estado de anillo de vórtice . ^{[ cita requerida ]}

Los componentes mecánicos principales son el fuselaje o armazón, los cuatro rotores (de paso fijo o variable) y los motores. Para lograr el mejor rendimiento y algoritmos de control más simples, los motores y las hélices están equidistantes. ^[8]

Para permitir más potencia y estabilidad con un peso reducido, un cuadricóptero, como cualquier otro multirrotor , puede emplear una configuración de rotor coaxial . En este caso, cada brazo tiene dos motores que funcionan en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). ^{[ cita requerida ]}

La configuración del cuadricóptero es relativamente sencilla de programar para el vuelo autónomo, lo que ha permitido realizar experimentos con comportamientos complejos de enjambre basados ​​en la detección básica de los drones adyacentes. ^{[ cita requerida ]}

El tiempo de vuelo más largo logrado por un cuadricóptero alimentado por batería fue de 2 horas, 31 minutos y 30 segundos. El récord lo estableció el alemán Ferdinand Kickinger en 2016. ^[9] Para lograr el récord, Kickinger utilizó baterías de iones de litio de alta capacidad y baja tasa de descarga y despojó al fuselaje de peso no esencial para reducir el consumo de energía y extender la autonomía. ^[10]

Se han utilizado fuentes de energía alternativas, como las pilas de combustible de hidrógeno y los generadores híbridos de gas y electricidad, para ampliar drásticamente la autonomía debido a la mayor densidad energética del hidrógeno y la gasolina, respectivamente. ^[11]

El primer aerodino más pesado que el aire que despegó verticalmente fue un helicóptero de cuatro rotores diseñado por Louis Breguet . Se probó únicamente en vuelo cautivo y a una altitud de unos pocos pies. En 1908 se informó que había volado "varias veces", aunque los detalles son escasos. ^[12]

Etienne Oehmichen experimentó con diseños de helicópteros en la década de 1920. Entre los diseños que probó estaba el Oehmichen No. 2, que empleaba cuatro rotores de dos palas y ocho hélices, todos impulsados ​​por un solo motor. El ángulo de las palas del rotor podía variarse mediante deformación. Cinco de las hélices, que giraban en el plano horizontal, estabilizaban la máquina lateralmente. Otra hélice estaba montada en el morro para la dirección. El par restante de hélices funcionaba como propulsión hacia adelante. El avión exhibió un grado considerable de estabilidad y un aumento en la precisión de control para su época, y realizó más de mil vuelos de prueba durante mediados de la década de 1920. En 1923 pudo permanecer en el aire durante varios minutos seguidos, y el 14 de abril de 1924 estableció el primer récord de distancia de la FAI para helicópteros de 360 ​​m (390 yd). Demostró la capacidad de completar un recorrido circular ^[13] y, más tarde, completó el primer vuelo en circuito cerrado de 1 kilómetro (0,62 millas) realizado por un helicóptero.

El Dr. George de Bothezat e Ivan Jerome desarrollaron el helicóptero de Bothezat , con rotores de seis palas en el extremo de una estructura en forma de X. Se utilizaron dos pequeñas hélices de paso variable para el control de empuje y guiñada. El vehículo utilizaba control de paso colectivo. Construido por el Servicio Aéreo del Ejército de los Estados Unidos , realizó su primer vuelo en octubre de 1922. Se realizaron alrededor de 100 vuelos a fines de 1923. La mayor altura que alcanzó fue de unos 5 m (16 pies 5 pulgadas). Aunque demostró ser viable, tenía poca potencia, no respondía, era mecánicamente complejo y susceptible a problemas de confiabilidad. La carga de trabajo del piloto era demasiado alta durante el vuelo estacionario para intentar el movimiento lateral.

El Convertawings Model A Quadrotor fue concebido para ser el prototipo de una línea de helicópteros civiles y militares mucho más grandes. El diseño incluía dos motores que impulsaban cuatro rotores a través de un sistema de correas trapezoidales. No se necesitaba rotor de cola y el control se obtenía variando el empuje entre los rotores. ^[14] Volado muchas veces desde 1956, este helicóptero demostró el diseño de cuadrirrotor y también fue el primer helicóptero de cuatro rotores en demostrar un vuelo hacia adelante exitoso. Sin embargo, debido a la falta de pedidos de versiones comerciales o militares, el proyecto se dio por terminado. Convertawings propuso un Modelo E que tendría un peso máximo de 42.000 libras (19 t) con una carga útil de 10.900 libras (4,9 t) a lo largo de 300 millas y hasta 173 mph (278 km/h). El rotor sin cojinetes Hanson Elastic Articulated (EA) surgió del trabajo realizado a principios de los años 1960 en Lockheed California por Thomas F. Hanson, quien anteriormente había trabajado en Convertawings en el diseño del rotor y el sistema de control del cuadricóptero. ^{[15] [16]}

El proyecto Gloster Crop Sprayer de 1960 fue uno de los primeros ejemplos de un dron cuadricóptero. Iba a ser propulsado por un motor de cuatro cilindros plano refrigerado por aire Potez 4E de 105 hp, y su carga útil de 20 galones se descargaba a través de una barra de pulverización de 22 pies. Dos operadores llevaban balizas de localización en extremos opuestos de la pista de pulverización, de modo que el cuadricóptero siempre se dirigiera a una baliza y no se pasara de largo. Sin embargo, a pesar del diseño y los requisitos operativos mucho más simplificados en comparación con una máquina pilotada, la junta directiva de la empresa matriz se negó a desarrollarlo y siguió siendo un proyecto en papel. ^[17]

El Curtiss-Wright VZ-7 de 1958 fue un avión VTOL diseñado por Curtiss-Wright para competir por el "jeep volador" del Comando de Transporte e Investigación del Ejército de los Estados Unidos. El VZ-7 se controlaba modificando el empuje de cada uno de los cuatro rotores de ventilador entubados.

El Piasecki PA-97 fue una propuesta de un gran avión híbrido en el que se combinaban cuatro fuselajes de helicóptero con un dirigible más ligero que el aire en la década de 1980.

El concepto Quad TiltRotor de Bell Boeing lleva el concepto de cuadricóptero fijo más allá al combinarlo con el concepto de rotor inclinable para un transporte militar propuesto del tamaño del C-130.

Airbus está desarrollando un cuadricóptero alimentado por batería que actuará como taxi aéreo urbano, al principio con un piloto pero potencialmente autónomo en el futuro. ^[18]

En las primeras décadas de la década de 2000, el diseño de cuadricóptero se ha vuelto popular para vehículos aéreos no tripulados o drones de pequeña escala. La necesidad de aeronaves con mayor maniobrabilidad y capacidad de vuelo estacionario ha llevado a un aumento en la investigación de cuadricópteros. El diseño de cuatro rotores permite que los cuadricópteros sean relativamente simples en diseño pero altamente confiables y maniobrables. La investigación continúa aumentando las capacidades de los cuadricópteros mediante avances en comunicación entre múltiples naves, exploración del entorno y maniobrabilidad. Si estas cualidades en desarrollo se pueden combinar, los cuadricópteros serían capaces de misiones autónomas avanzadas que actualmente no son posibles con otros vehículos. ^[19]

Si bien ya a principios de los años 90 se empezaron a fabricar en Japón pequeños cuadricópteros de juguete controlados a distancia, el primero con cámara que se fabricó en cantidades significativas (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, posteriormente también Draganflyer I, de la start-up canadiense Draganfly) no se diseñó hasta 1999. ^{[20] [21]}

Entre 2005 y 2010, los avances en electrónica permitieron la producción de controladores de vuelo, acelerómetros ( IMU ), sistemas de posicionamiento global y cámaras de bajo costo y peso ligero. Esto hizo que la configuración de cuadricóptero se volviera popular para los pequeños vehículos aéreos no tripulados . Con su pequeño tamaño y maniobrabilidad, estos cuadricópteros pueden volar tanto en interiores como en exteriores. ^{[1] [22]}

En el caso de los drones pequeños, los cuadricópteros son más baratos y duraderos que los helicópteros convencionales debido a su simplicidad mecánica. ^[23] Sus palas más pequeñas también son ventajosas porque poseen menos energía cinética, lo que reduce su capacidad de causar daños. En el caso de los cuadricópteros de pequeña escala, esto hace que los vehículos sean más seguros para la interacción cercana. También es posible equipar los cuadricópteros con protectores que encierran los rotores, lo que reduce aún más el potencial de daños. ^[2] Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño, los cuadricópteros de hélice fija desarrollan desventajas en relación con los helicópteros convencionales. El aumento del tamaño de las palas aumenta su impulso. Esto significa que los cambios en la velocidad de las palas tardan más, lo que afecta negativamente al control. Los helicópteros no experimentan este problema, ya que el aumento del tamaño del disco del rotor no afecta significativamente la capacidad de controlar el paso de las palas.

Debido a su facilidad de construcción y control, los cuadricópteros son populares como proyectos de modelos de aviones amateurs. ^{[24] [25]}

A lo largo del siglo XXI, se han reportado casos de drones cuadricópteros utilizados para actividades delictivas. Debido a la construcción del muro fronterizo entre México y Estados Unidos , algunos cárteles de la droga han recurrido al uso de cuadricópteros para contrabandear drogas. ^[26] Sin embargo, los drones cuadricópteros no necesariamente solo contrabandean drogas a través de la frontera, sino que también hay casos en los que se introducen armas y otros artículos prohibidos en prisiones de todo el mundo. ^[27]

Los delitos cometidos con drones cuadricópteros también se producen en Europa. En agosto de 2021, un agente de policía de la República Checa confiscó un cuadricóptero que transportaba una bolsita de metanfetamina . ^[28]

• Atlas de AeroVelo
• Helicóptero de propulsión humana
• Diseño modular

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• Laboratorio GRASP de la Universidad de Pensilvania Archivado el 20 de abril de 2015 en Wayback Machine
• Investigación sobre cuadricópteros en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich
• Directrices de seguridad para operaciones de modelos de aeronaves no tripuladas de la FAA
• TED Raffaello D'Andrea: La asombrosa potencia atlética de los cuadricópteros