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drone utilizzante quattro rotori Da Wikipedia, l'enciclopedia libera
Un quadrirotore,[1] chiamato anche elicottero quadrirotore , è un aeromobile sollevato e spinto da quattro rotori. I quatrirotore vengono classificati come aerogiri, diversi dagli aeroplani in quanto la portanza è data esclusivamente dai quattro rotori. Possono essere classificati anche come elicotteri, sebbene diversamente dagli elicotteri tradizionali, i quadrirotori hanno la funzione di utilizzare pale a “passo fisso”, ovvero aventi attacco rigido con il mozzo, il cui angolo d’attacco non varia durante la rotazione. Il controllo dei movimenti avviene tramite la variazione della velocità relativa di ogni rotore, in modo tale da cambiare la spinta e la coppia prodotta da ciascuno di essi. Questo effetto può essere ottenuto anche con un veicolo a tre rotori.
Esistono due generazioni di modelli di quadrirotori. La prima generazione di quadrirotori fu progettata per trasportare passeggeri. Questi quadrirotori sono stati tra i primi velivoli “più pesanti dell'aria” (heavier-than-air) e a decollo e atterraggio verticale (Vertical Take Off and Landing - VTOL) ad avere successo.[2]
Tuttavia, i primi prototipi presentavano scarso rendimento, mentre i successivi modelli richiedevano un carico di lavoro eccessivo per il pilota, dovuto alla poca stabilità.[3]
La generazione più recente di quadrirotori viene progettata per volare senza pilota a bordo (aeromobile a pilotaggio remoto - APR). Questi velivoli utilizzano un sistema di controllo e dei sensori elettronici per stabilizzarsi. Grazie alle loro ridotte dimensioni e all'agilità di manovra, questi quadrirotore possono esser fatti volare in luoghi chiusi così come all'esterno.[4]
I vantaggi dell'attuale generazione di quadrirotori, nei confronti degli elicotteri convenzionali di scala comparabile, sono i seguenti. In primo luogo, i quadrirotori non necessitano di collegamenti meccanici per variare l'angolo d’attacco del rotore quando ruotano; questo semplifica la conformazione del velivolo e riduce tempi e costi di manutenzione.[5]
In secondo luogo, l'uso di quattro rotori fa sì che il diametro dei singoli rotori sia minore di quello necessario per un elicottero convenzionale equivalente, consentendo loro di immagazzinare minore energia cinetica. Questo riduce il danno che verrebbe provocato nel momento in cui i rotori dovessero colpire un oggetto. Per quanto riguarda gli APR di scale minori, il minor accumulo di energia cinetica nei rotori li rende più sicuri per interazioni a distanza ravvicinata. Infine, i rotori possono essere racchiusi all'interno di una struttura che ne consenta la protezione in caso di collisione, permettendo voli al chiuso e in ambienti densi di ostacoli con un basso livello di rischio di danneggiare il velivolo, gli operatori e ciò che lo circonda.
Ogni rotore produce una spinta ed una coppia motrice nel suo centro di rotazione, così come una certa resistenza fluidodinamica opposta alla direzione di volo del velivolo. Quando tutti i rotori ruotano con la stessa velocità angolare, con i rotori “uno” e “tre” rotanti in senso orario ed i rotori “due” e “quattro” in senso antiorario, la coppia aerodinamica netta e, di conseguenza, l'accelerazione angolare attorno all'asse di imbardata è pari a zero, il che implica che il rotore che stabilizza l'imbardata degli elicotteri convenzionali non è necessario. L'imbardata viene provocata da una discrepanza nel bilanciamento del momento torcente aerodinamico (ovvero controbilanciando i comandi di spinta cumulativa tra le coppie di eliche che ruotano in maniera opposta).
Accelerazioni angolari attorno agli assi di beccheggio e rollio possono essere effettuate separatamente senza incidere sull'asse di imbardata. Ogni coppia di eliche che ruota nella stessa direzione controlla un asse, di rollio o di beccheggio. Aumentare la spinta di un motore riducendo quella dell'altro, permette di mantenere il bilancio di coppia necessario per la stabilità all'imbardata e produce una coppia netta attorno all'asse di rollio o di beccheggio. In questo modo, si può utilizzare un rotore con pale a passo fisso per manovrare il velivolo in tutte le direzioni. Un'accelerazione di traslazione può essere raggiunta mantenendo un angolo di beccheggio o rollio diverso da zero.
La piattaforma quadrirotore rappresenta un interesse relativamente nuovo nell'area dei controlli. È un sistema sottoattuato poiché ha sei gradi di libertà: beccheggio, imbardata, rollio, x (movimento nella direzione frontale del veicolo), y (movimento verso il lato sinistro del veicolo) e z (altitudine) ma è controllato utilizzando solo quattro attuatori. Il vantaggio dell'architettura di un quadrirotore quindi è quello di non richiedere la presenza di alettoni, flap e martinetti. Le piattaforme quadrirotore forniscono anche un'interessante prospettiva progettuale. Con pochi utilizzi storici a dirigere le future applicazioni, la progettazione dei quadrirotore è un settore scarsamente esplorato. Tuttavia la simmetria del design consente una centralizzazione dei sistemi di controllo e del carico utile. Questa caratteristica agevola anche il sistema di controllo perché, anche con carichi diversi, è abbastanza semplice mantenere il baricentro nella stessa posizione, sull'asse verticale.
Un altro vantaggio dell'architettura quadrirotore è che ogni rotore contribuisce al raggiungimento della portanza richiesta; quindi fornisce una quantità di spinta maggiore rispetto ad un elicottero convenzionale consentendo di portare carichi utili e piattaforme computazionali più pesanti. Differentemente dall'architettura tradizionale il quadrirotore non ha bisogno di un rotore di coda che assorbe potenza ma non da un contributo per la portanza (serve solo a bilanciare la coppia generata dal rotore principale).
I rotori dei quadrirotori possono essere facilmente coperti con una protezione avvolgente (shrouding); consentono in questo modo una migliore protezione rispetto ai rotori di un elicottero standard con le pale scoperte. La possibilità di impedire il contatto delle pale con gli ostacoli, in caso di urto violento, unita alle più semplici leggi di controllo, consente la possibilità ai quadrirotori di volare anche all'interno di locali chiusi. L'attitudine al volo indoor sta generando una nuova ampia gamma di utilizzi e l'opportunità di creare nuovi mercati, grazie ai nuovi profili di missione che si affiancano a quelli già svolti da elicotteri con il pilota a bordo.
Dietro tutti questi vantaggi c'è l'unico handicap di una bassa velocità di crociera. Tuttavia la sua particolare attitudine per l'hovering, la sua stabilità, le sue leggi di controllo e tutti i vantaggi menzionati precedentemente fanno del quadrirotori la piattaforma più versatile e promettente.
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