Или краткая история о том, почему четыре мотора на палках — это ещё не «Ланцет», а попытка сэкономить на аэродинамике заканчивается там же, где и начинается — в кювете
Вместо пролога
Есть в инженерном деле такой занятный феномен: человек, однажды собравший в гараже FPV-дрон и научившийся более-менее врезаться им в картонные коробки, внезапно чувствует себя конструктором крылатых ракет. Интернет пестрит видео, где очередной энтузиаст прикручивает четыре мощных мотора к четырём алюминиевым трубкам, насаживает это на трубу большего диаметра, радостно объявляет: «Вот она, электроракета!» — и... ну, дальше начинается физика.
А физика, как известно, предмет суровый. В отличие от школьной учительницы, на экзамене она не принимает досрочные ответы и не закрывает глаза на списывание. И те, кто прогуливал уроки динамики, однажды встречаются с ней в небе. Исход этой встречи предсказуем.
Акроним беды: 4-в-1, или "четыре палки — четыре мотора"
Давайте сразу договоримся: в мире существуют вполне успешные конструкции, например, тот же «Ланцет» с его схемой «двойное X» . Но там работают люди, которые знают, что такое вектор тяги, интерференция воздушных потоков и прочие скучные вещи.
Гаражная же мысль идёт другим путём — путём прямой аналогии с квадрокоптером. «Если квадрик летает, — рассуждает гений, — почему бы не сделать то же самое, но вытянутым?»
И вот рождается конструкция: длинный корпус (чтобы было похоже на ракету), на четырёх перпендикулярных балках — четыре мощных электромотора с толкающими винтами. Красота? Безусловно. Работоспособность? Тут начинаются нюансы.
Проблема первая: цент тяжести и прочие «мелочи»
Главное открытие, которое ждёт гаражного Кулибина после первого запуска, звучит так: центр тяжести и центр давления — это не синонимы. Более того, они имеют привычку играть в кошки-мышки.
В классической компоновке с четырьмя моторами на балках создаётся огромная проблема с распределением масс. Тяжёлые моторы вынесены далеко от корпуса. Аккумулятор — внутри. Полезная нагрузка — в носу. И вот этот «бутерброд» начинает жить своей жизнью.
При попытке набрать скорость выясняется, что конструкция отчаянно норовит уйти в штопор. Почему? Потому что каждый из четырёх моторов создаёт не только тягу вперёд, но и реактивный момент. В квадрокоптере это гасится парой винтов, вращающихся в разные стороны. Но квадрокоптер висит на месте, а здесь аппарат летит вперёд, и воздушный поток начинает взаимодействовать с этими вынесенными моторными гондолами самым непредсказуемым образом.
Дисбаланс из-за смещения центра тяжести становится проклятием такого подхода. На малой скорости это ещё можно терпеть, но стоит разогнаться...
Проблема вторая: угол 70° — точка невозврата
Здесь мы подходим к самому интересному. Представьте, что наш гаражный шедевр всё-таки взлетел, выровнялся и даже показывает какие-то успехи. Оператор видит в очках картинку, разгоняет аппарат до 100, 120, 150 км/ч. И тут вдалеке появляется цель.
Нужно резко спикировать — то есть создать большой угол наклона траектории. Скажем, градусов 70–80 к горизонту.
И вот тут конструкция «четыре мотора на палках» говорит: «Прощайте, я вас любил... но физика против».
При переходе на крутые углы атаки в игру вступает аэродинамика корпуса и этих самых моторных балок. Четыре торчащих во все стороны мотора с винтами начинают работать как огромные воздушные тормоза, но работают они неравномерно. Те моторы, что оказываются сверху, попадают в другие потоки, чем те, что снизу. Возникает эффект, который инженеры называют нехорошим словом «кувырок».
Аппарат перестаёт слушаться рулей. Если они вообще есть. Потому что в «гениальной» упрощённой схеме рулей часто нет — предполагается, что управление будет осуществляться изменением тяги моторов, как на квадрокоптере. Но квадрокоптер управляется так на висении, а на скорости 150 км/ч с дифференциальной тягой четырёх моторов ситуация напоминает попытку управлять автомобилем, перекладывая груз с заднего сиденья на переднее.
Проблема третья: один в поле не воин
Но допустим невероятное. Допустим, наш гаражный гений каким-то чудом решил проблемы центровки и аэродинамики. Сделал сложную систему управления, поставил мощные сервоприводы на настоящие рули. Аппарат летит и даже не рассыпается.
Остаётся «сущая мелочь» — попасть в цель.
И вот тут встаёт главный вопрос: кто будет наводить эту ракету на скорости под 200 км/ч?
В нормальной, «скучной» военной инженерии для этого существует разделение труда. Есть разведчик, который висит сверху, наблюдает за целью и передаёт координаты. Есть бортовая система захвата, которая автономно сопровождает объект, делая сотни поправок в секунду. Оператор лишь нажимает кнопку «подтверждаю».
В гаражном варианте перед монитором сидит Вася, который вчера кушал пельмени. Вася видит мелькающую картинку с камеры, где земля и небо меняются местами каждую секунду. Он пытается джойстиком удержать перекрестие на маленькой цели.
Физиология человека такова, что время реакции составляет в лучшем случае 0.2–0.3 секунды. За эти 0.3 секунды на скорости 150 км/ч (это около 42 метров в секунду) аппарат пролетает больше 12 метров. И это время только на осознание, что цель сместилась. Нужно ещё успеть сдвинуть стик, дождаться, пока сервоприводы отработают, пока аппарат изменит траекторию... А цель уже в другом месте.
Итог предсказуем: Вася видит красивое видео подлетающей к земле травы или облаков и горизонта, а потом — "connection lost". Попадание? Нет. Встреча с рельефом по касательной.
Эпилог: о пользе школьного образования
Что интересно, проблема эта давно решена. Существуют патенты на электроракеты с головками самонаведения, с блоками измеряющих угловое рассогласование, с управляющим вычислительным модулем, который сам отрабатывает отклонения и сводит их к нулю, не дожидаясь Васиной реакции . Всё это умные люди придумали ещё в 2019 году.
Но гаражная мысль не ищет лёгких путей. Легче накрутить четыре мотора на балки, написать в Telegram-канале «Мы сделали супероружие!» и... разбиться об стену непонимания аэродинамики.
Печаль этой истории даже не в том, что умельцы теряют деньги на сгоревших регуляторах и разбитых корпусах. Печаль в другом: когда пытаешься объяснить им про смещение центра тяжести, невозможность ручного наведения на 150+ км/ч и дикие моменты на углах атаки за 70 градусов — в ответ слышишь сакраментальное: «Да ты просто не умеешь их готовить».
Физику, видите ли, можно обмануть. В отличие от школьной учительницы, которая всё равно поставит двойку. Только учительница поставит двойку в журнал, а физика — в огород.
Автор выражает уверенность, что данная статья всё равно не остановит ни одного гаражного изобретателя, и заранее снимает с себя ответственность за их центропланы, балансиры и остатки самолюбия