Декомпозиция винто-моторных групп eVTOL

Задача — повысить устойчивость, управляемость, маневренность крупных мультикоптеров. Имеются ввиду грузовые, одноместные и многоместные eVTOL. 

Начну с проблемы. С ростом размеров коптера и масштабированием выявляется основная проблема в этой технологии — снижение отзывчивости винто-моторных групп за счет задержки и не возможности  быстрого изменения оборотов “большого” воздушного винта фиксированного шага, что приводит к получению “медленного контура  регулирования” и соответственно к неисправимой осцилляции, резонансным явлениям, загрублению PID-параметров и в итоге к потери стабильности при удержании коптера в воздухе. При этом отзывчивость и управляемость коптера падает настолько, что управление подобным ЛА становится испытанием для пилота и автопилота любого уровня. Все очень просто — в отличие от вертолета, копер держится в воздухе за счет постоянного контроля и возможности быстрого изменения тяги на своих лучах. Это позволяет ему держаться ровно в воздухе без кренов и раскачки. За это отвечает полетный компьютер, который анализирует датчики положения в пространстве и отправляет сигналы на лучи к моторам через контроллеры. Полетный компьютер работает быстро — тысячи раз в секунду (реальная скорость работы примерно 400 Гц)  происходит изменение тяги на одном канале. Однако дальше идет канал связи, контроллер мотора, сам мотор и воздушный винт. Именно при увеличении размеров мотора и воздушного винта происходит резкое снижение скорости изменения тяги — тяжелый винт большого диаметра раскрутить и остановить гораздо сложнее чем маленький и легкий. А компьютер не прекращает отправлять сигнал на луч и требовать изменений — изменения тяги происходят но уже с задержкой. Компьютер пытается компенсировать тягой на другом луче и вся система раскачивает сама себя с нарастающей амплитудой что может привести к аварии. Данную проблему можно частично решить настройкой компьютера и PID-параметров. Однако это лишь частично приводит к результату — аппарат становится очень медлительным и инертным, неспособным к резким маневрам или борьбе с порывами ветра. Именно поэтому на рынке eVTOL так мало примеров полетов на крупных коптерах с энергичными маневрами, поворотами, набором высоты, снижением, в условиях ветровых нагрузок, с полной загрузкой и пр. Проблема у всех одна и та же, законы физики работают для всех одинаково: для нас, для Joby, CityAirbus, Archer, Blade, Beta, Lift, Volocopter, E-hang и др. Если вы видите воздушные винты диаметром от 40” и выше — то проблема точно будет.

Решение задачи. Данную задачу решают многие. Конечно, можно развивать ПО полетного компьютера и пытаться нивелировать инертность при помощи софта — да, это работает, но до определенных пределов. Или увеличивать кол-во стандартных лучей и моторов (как это сделал E-hang на модели 184 удвоив их) чтобы разбавить проблему, снизить тем самым зависимость от отклика на конкретном луче. Но при увеличении кол-ва лучей сильно страдают габариты аппарата — у E-hang они почти удвоились. А ведь габариты для современного eVTOL — это одно из преимуществ по сравнению с вертолетами и самолетами. 

А что если пойти не наружу, увеличивая кол-во малоэффективных винтомоторных групп, а внутрь — увеличивая их качество? Какие параметры важны при этом? Известно, что с увеличением диаметра воздушного винта растет эффективность, но не нужно забывать что имеется в виду его увеличение относительно мощности мотора. Важен параметр отношения мощности к диаметру винта и тяге (энергетическая эффективность). Также нас интересует тяга и затраты энергии на единицу ометаемой площади (габаритные характеристики). Ну и конечно самый важный именно для коптера параметр — время отклика мотора и винта (устойчивость и маневренность). 

Применим декомпозицию — приём, применяемый при решении проблем, состоящий в разделении проблемы на множество частных проблем, а также задач, не превосходящих суммарно по сложности исходную проблему, с помощью объединения решений которых, можно сформировать решение исходной проблемы в целом.

Если сравнить классическую винтомоторную группу для eVTOL диаметром 57” (размер воздушных винтов 40” — 70” являются самыми распространенными в eVTOL) и винтомоторную группу 5” стандартную для drone racing, то получается что с той же ометаемой площади можно получить вдвое больше тяги при декомпозировании, при том же удельном весе декомпозированной винтомоторной группы, а скорость отклика возрастет в десятки раз. Появится возможность перехода на более быстрые протоколы связи между полетным компьютером и контроллером мотора, где аналоговый протокол Multishot в 80 раз быстрее классического PWM, а цифровой протокол DShot1200 примерно в 150 раз быстрее чем PWM.  Платить за это придется повышенным расходом энергии в декомпозированной винтомоторной группе, но при этом уходят прежние затраты энергии на попытки постоянной стабилизации eVTOL.  

Не стоит забывать про вес несущих конструкций — рамы и лучей. В случае декомпозиции эти элементы также разбиваются на более мелкие со всеми вытекающими последствиями — вместо одного массивного узла возникает несколько менее массивных, создаются кластеры и подгруппы.   

Итак, какие же на первый взгляд преимущества дает метод декомпозиции:

• сокращение затрат энергии на борьбу полетного компьютера с колебаниями и осцилляцией

• возможность уменьшить габариты eVTOL или повысить грузоподъемность 

• ликвидация травмоопасных винтов большого диаметра

• увеличение отказоустойчивости ВМГ (кластеры независимых друг от друга ВМГ)

• увеличение устойчивости и коррекция развесовки eVTOL путем распределения тяги по площади в необходимых секторах

• возможность придания любой геометрической формы ВМГ в отличие от круга

• высокая ремонтопригодность

• более эффективное распределение и перенос частей силовой электроники 

• модульность и универсальность ВМГ 

Из минусов можно отметить повышенное потребление энергии, сложность диагностики, усложнение конструкции лучей. Возможно что-то еще.

Скорее всего такой вариант возможно реализовать, плюсы вроде бы его очевидны, минусы вылезут во время реализации. Пока на вскидку можно только говорить о “трудностях” в управлении, например в канале курса, так как в классическом варианте это делается за счет разницы вращательных моментов на лучах, в случае декомпозиции момент будет возникать не в определенной точке, а в области и он будет меньшим, может его и не хватить. На мой взгляд более эффективный способ — это разделение ВМГ на группу создающую подъемную силу и группу ВМГ отвечающую за стабилизацию положения в пространстве.

Надеюсь, в идее декомпозиции есть определенный смысл. И мне очень интересно ваше мнение коллеги! Жду ваших комментариев по теме!