Como os drones realmente voam?

Drones multirotores são agora comuns e avançados o suficiente para que qualquer um possa pilotá- los, mas a maioria das pessoas provavelmente não entende como eles permanecem no ar. Compreender a física básica de vôo de drones pode torná-lo um piloto de drones melhor. É simples!

Como os helicópteros voam

Começaremos com algo completamente diferente: helicópteros. Pode parecer um desvio estranho, mas saber um pouco sobre como os helicópteros voam tornará a compreensão do voo dos drones muito mais fácil.

Um helicóptero típico tem um rotor principal e um rotor de cauda. Outros projetos existem, mas todos funcionam para controlar as mesmas forças. Esta é uma  explicação muito  básica de como os helicópteros voam, mas apropriada ao nosso objetivo quando se trata de compreender o voo dos drones.

O helicóptero possui um rotor principal que gera o empuxo para baixo, elevando a aeronave no ar. O problema é que conforme o rotor gira em uma direção, ele exerce uma força no corpo do helicóptero (obrigado Newton!) E, portanto, tanto o rotor quanto o corpo do helicóptero girariam, apenas em direções opostas.

Obviamente, essa não é uma ótima maneira de voar, e é por isso que os helicópteros têm rotores de cauda. Este rotor fornece impulso horizontal para neutralizar o torque do rotor principal.

Existem helicópteros sem cauda com outros sistemas antitorque, como o russo  Kamov Ka-52 , que usa dois rotores principais girando em direções opostas, conhecido como arranjo coaxial.

Você provavelmente também está familiarizado com o CH-47 Chinook do Exército dos EUA , que tem dois enormes rotores principais contra-rotativos que neutralizam o torque um do outro e, ao mesmo tempo, fornecem uma enorme capacidade de elevação.

O que isso tem a ver com seu quadricóptero? Tudo!

Drones multirotores e o problema de torque

Se olharmos para o layout básico do quadricóptero, você notará que os quatro rotores estão dispostos em um padrão X. Dois pilares giram no sentido horário e os outros dois no sentido anti-horário. Especificamente, os adereços dianteiros giram em direções opostas entre si e o mesmo é verdadeiro para os adereços traseiros. Assim, os adereços que estão em frente um do outro giram diagonalmente na mesma direção.

O resultado final desse arranjo é que, se todos os adereços estiverem girando na mesma velocidade, o drone deve ficar perfeitamente imóvel com o nariz fixo no lugar.

Usando Torque e Impulso para Manobrar

Se você não quiser manter o nariz do drone fixo em uma posição, você pode usar este princípio de cancelamento de torque para manobrar. Se você propositalmente desacelerar alguns motores e acelerar outros, o desequilíbrio fará com que toda a nave gire.

Da mesma forma, se você acelerasse os dois motores traseiros, a parte traseira do drone se levantaria, inclinando toda a nave para a frente. Isso é verdade para um par de rotores, então você pode inclinar a nave em qualquer direção cardinal.

Existem problemas com esta abordagem! Por exemplo, se você reduzir a velocidade de um rotor, também reduzirá seu empuxo e outro rotor terá que acelerar para compensar isso. Do contrário, o empuxo total diminuiria e o drone perderia altitude. No entanto, se você aumentar o impulso de um rotor, isso fará com que o drone se incline mais, o que causa um movimento indesejado.

A única razão pela qual um quadricóptero ou outra nave multirotor pode voar é graças à complexa solução de problemas em tempo real realizada pelo hardware que o controla. Em outras palavras, quando você diz ao drone para se mover em uma direção particular no espaço 3D, os sistemas de controle de vôo a bordo determinam exatamente a velocidade que cada motor deve girar os rotores para alcançá-lo.

Do ponto de vista do piloto, as entradas de controle são as mesmas de qualquer aeronave. Primeiro, temos a guinada, onde o drone gira em torno de seu eixo vertical. Em segundo lugar, temos a inclinação, onde o nariz do drone se inclina para cima ou para baixo, fazendo-o voar para a frente ou para trás. Finalmente, temos o roll, onde o drone se move de um lado para o outro. Claro, você também tem controle sobre a quantidade de empuxo, o que altera a altitude do drone.

Todos os movimentos do drone são uma combinação desses movimentos. Por exemplo, voar na diagonal é uma mistura de pitch e roll nos controles. O controlador de vôo a bordo faz todo o trabalho complicado de descobrir como traduzir um comando para, por exemplo. Incline o nariz para baixo em velocidades de motor específicas.

Rotores de passo coletivo vs. fixo

Há um último aspecto importante de como os drones multirotores voam, e isso tem a ver com os próprios rotores. Quase todos os drones que você pode comprar hoje usam rotores de “passo fixo”. Isso significa que o ângulo em que a pá do rotor corta no ar nunca muda.

Voltando aos helicópteros por um momento, o rotor principal é tipicamente um projeto de “passo coletivo”. Aqui, um conjunto complexo de ligações pode alterar o ângulo de ataque dos rotores.

Se o passo for zero (as pás do rotor são planas), nenhum empuxo é gerado, não importa quão rápido o rotor está girando. À medida que o passo positivo (impulso para baixo) é aumentado, o helicóptero começa a se levantar. Mais importante ainda, os rotores podem ser movidos para uma  posição de passo negativo  . Aqui, o rotor está impulsionando para cima, de modo que a nave pode descer mais rápido do que a mera força da gravidade.

A inclinação negativa significa que, teoricamente, o helicóptero pode voar de cabeça para baixo, mas a maioria dos helicópteros em escala real são muito grandes e pesados ​​para fazer isso na prática. Os helicópteros em escala não têm essa limitação. Isso levou ao surgimento de voos de helicópteros “3D” RC e desempenhos alucinantes por pilotos qualificados .

Com um rotor de passo fixo, a única maneira de aumentar o empuxo é aumentar a velocidade do rotor, ao contrário de um helicóptero onde a velocidade do rotor pode permanecer constante enquanto o passo varia. Isso significa que o drone precisa aumentar ou diminuir a velocidade de seus rotores constantemente, não pode voar em qualquer atitude dentro do espaço 3D e não pode descer mais rápido do que em queda livre.

Por que não temos drones coletivos? Houve tentativas como o  Stingray 500 3D Quadcopter,  mas a complexidade e o custo de tal projeto o limitam a aplicações especializadas.

Fácil de voar, não voa facilmente

Drones multirotores como o DJI Mini 2 são maravilhas da engenharia e da tecnologia da computação . Eles só podem voar devido à convergência de várias ciências e tecnologias, tudo para que você possa obter alguns clipes incríveis nas férias. Agora, da próxima vez que você levar seu drone para dar uma volta, terá um novo respeito pelo que o pequenino pode fazer.