Drony VTOL – hybryda płatowca i quadrocoptera
W rozmowach związanych z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych coraz częściej obserwujemy zapotrzebowanie na konstrukcje pozwalające wykonywać długotrwałe misje lotnicze (powyżej 40 minut) przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej elastyczności i prostoty użycia.
Na przestrzeni ostatnich miesięcy na rynku pojawiło się wiele dronów o konstrukcji płatowców. Pozwalają one zapewnić długi czas lotu, zwiększyć zasięg, a jednocześnie można je wykorzystać do szybszego mapowania lub monitoringu. Wadą płatowców jest jednak konieczność stałego przebywania w ruchu oraz odpowiednia przestrzeń do startu i lądowania.
Rynek dronów można porównać do lotnictwa załogowego. Można zdecydować się na qudrocoptera, którego odpowiednikiem w lotnictwie załogowym jest helikopter. Konstrukcje tego typu oferują możliwość startu i lądowania z praktycznie dowolnego miejsca, wysoką manewrowość, a także funkcję zawisu w powietrzu.
Po przeciwległej stronie znajdują się płatowce, których odpowiednikiem w lotnictwie załogowym są samoloty. Konstrukcje tego typu muszą ciągle przebywać w ruchu, wymagają odpowiedniego miejsca do startu i lądowania, ale zużywają mniej energii, pozwalają wykonywać operacje lotnicze na dłuższych odległościach oraz z wyższą prędkością.
Drony VTOL – definicja oraz charakterystyka
W rozmowach z klientami wielokrotnie podkreślamy brak uniwersalnej konstrukcji, która zaadresuje 100% specyficznych potrzeb. Istnieją jednak hybrydy, które pozwalają zaspokoić większość wymagań. Idealnym przykładem są drony typu VTOL – Vertical Take Off and Landing. Mowa o płatowcach, których konstrukcja została zmodyfikowana w taki sposób, aby możliwy był start i lądowanie z miejsca – zupełnie jak w quadrocopterach. Dodatkowo drony VTOL w specyficznych sytuacjach pozwalają zawisnąć w powietrzu – identycznie jak quadrocopter lub helikopter, a to wszystko z zachowaniem wysokiego zasięgu oraz długiego czasu przebywania w powietrzu.
Drony VTOL mogą przyjmować różne konstrukcje, jednak najczęściej spotykane to modele, które w trybie startu i lądowania wykorzystują rotory, a w trakcie lotu poziomego przełączają się na napęd skrzydłowy, podobnie jak samoloty. Tego typu maszyny mogą mieć różne liczby wirników (od czterech do sześciu), a także różne układy napędowe – zarówno elektryczne, jak i hybrydowe.
Drony VTOL w praktyce – w jaki sposób się poruszają?
Drony VTOL wykorzystują zasadę, która jest połączeniem technologii wykorzystywanych w dronach wielowirnikowych oraz samolotach. Początkowo, podczas startu i lądowania, wirniki drona obracają się pionowo, umożliwiając generowanie siły nośnej w sposób analogiczny do quadrocopterów oraz załogowych helikopterów. Dzięki temu, dron jest w stanie unosić się w powietrzu w jednym miejscu, startować i lądować w przestrzeni wymagającej niewielkiego obszaru.
Po osiągnięciu odpowiedniej wysokości, dron przełącza się na napęd poziomy, czyli przyjmuje pozycję przypominającą samolot. W tym trybie dron wykorzystuje skrzydła, a silniki napędzają go do przodu, zapewniając efektywny lot na długie odległości przy znacznie niższym zużyciu energii w porównaniu do trybu wielowirnikowego.
Ta zdolność do przełączania się między różnymi trybami sprawia, że drony VTOL łączą elastyczność i mobilność quadrocopterów z efektywnością lotu samolotów. Co ważne, dzięki takiej technologii dron może poruszać się zarówno w gęsto zabudowanych miastach, jak i nad otwartymi przestrzeniami, nie tracąc przy tym efektywności.
Gdzie najlepiej wykorzystywać konstrukcje VTOL?
- Transport i dostawy
Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań dronów VTOL jest transport towarów w miastach. Dzięki ich zdolności do pionowego startu i lądowania, mogą one lądować na małych dachach budynków czy nawet w wąskich przestrzeniach, gdzie tradycyjne płatowce nie mogą dotrzeć. Tego rodzaju drony mogłyby rewolucjonizować dostawy, szczególnie w miastach o dużej gęstości zabudowy, gdzie klasyczny transport drogowy jest czasochłonny i nieefektywny. - Poszukiwania i ratownictwo
W sytuacjach kryzysowych, takich jak wypadki w trudno dostępnych miejscach, drony VTOL mogą być wykorzystywane do szybkiej oceny sytuacji i transportu ratowników. Ich zdolność do startu i lądowania w ograniczonych przestrzeniach sprawia, że mogą dotrzeć do obszarów, które są trudne do osiągnięcia dla tradycyjnych qudrocopterów. Drony VTOL idealnie sprawdzają się w przypadku wielkopowierzchniowych pożarów lasów, powodzi lub innego rodzaju klęsk żywiołowych. - Monitorowanie środowiska i rolnictwo precyzyjne
Drony VTOL mogą być wykorzystywane do monitorowania terenów rolnych, lasów czy innych obszarów, w których istotne jest dokładne zbieranie danych z powietrza. Dzięki ich zdolności do pokonywania długich dystansów oraz lądowania w różnych lokalizacjach, stanowią one doskonałe narzędzie do badania zmian w środowisku czy optymalizacji procesów rolniczych. - Fotografia i filmowanie z powietrza
W przemyśle filmowym i fotograficznym, drony VTOL oferują nowe możliwości w tworzeniu zdjęć i filmów w miejscach, gdzie klasyczne drony nie mogą lądować lub gdzie wymagana jest większa stabilność podczas długotrwałego lotu. Dzięki możliwości przemiany między różnymi trybami, te drony umożliwiają uzyskanie ujęć z różnych kątów i perspektyw.
Gwałtowny rozwój konstrukcji VTOL
Konstrukcje VTOL idealnie wpisują się w scenariusze wykorzystania dronów w ramach Smart City oraz UAM – Urban Air Mobility. Drony VTOL gwałtownie się rozwijają, a na rynku pojawia się coraz więcej konstrukcji o świetnych właściwościach technicznych takich jak prędkość, stabilność, czas lotu czy ładowność.
Do przykładowych konstrukcji VTOL możemy zaliczyć serię Dragonfish od Autel Robotics oraz premierowego FIXAR 025 – rozwinięcie dostępnego na rynku modelu FIXAR 007.
Autel Robotics Dragonfish to rodzina dronów VTOL o różnej wielkości i udźwigu. Seria pozwala na nawet 180 minutową autonomię lotu z zasięgiem do 30 km od kontrolera, a wbudowany moduł payload oferuje 50-krotne zbliżenie. Dragonfish jest modułowym, wodoodpornym, inteligentnym i niezawodnym statkiem powietrznym typu VTOL, który sprawdzi się podczas wielogodzinnych obserwacji z powietrza. Odporność na wiatr do 13,8 m/s oraz norma IP43 pozwala na wykonywanie nalotów w niekorzystnych warunkach pogodowych.
Dragonfish wyposażony jest w 4 wirniki, które zapewniają bezpieczny pionowy start, a także pozwalają na zatrzymanie się podczas lotu i wykonywanie zawisu. Dwa wirniki, które umieszczone są na końcówkach śmigieł zmieniają swoje położenie o 90 stopni w zależności od trybu lotu. Dwa pozostałe silniki z dużymi śmigłami, które umieszczone są w przedniej i środkowej części kadłuba wytwarzają ciąg pionowy zapewniając płynny start i lądowanie oraz zwiększając wydajność powolnych lotów.
Niesamowity zasięg wspierany przez mobilną stację, która pozwala na wykonywanie lotów do 30 kilometrów. Automatyczne przełączanie w czasie rzeczywistym między 2,4GHz a 5,8GHz umożliwia niezawodny lot w środowisku zakłóceń, a szyfrowanie AES-256 gwarantuje bezpieczną transmisję danych. Zasięg jest taki sam w każdym z dostępnych wersji Dragonfish.
Wszystkie najważniejsze moduły (barometr, systemy GPS, kompas, IMU oraz akumulatory są zdublowane aby zapewnić najwyższe bezpieczeństwo lotu. Oznacza to, że gdy jeden z systemów odmówi pracy automatycznie uruchamia się zapasowy aby w pełni bezpiecznie kontynuować lot. Podwójna redundantna magistrala CAN do komunikacja chroni samolot przed elektromagnetycznymi zakłóceniami i umożliwia monitorowane stanu połączenia i transmisji w czasie rzeczywistym.
Warto zwrócić również uwagę na premierę 2025 roku, a więc łotewską konstrukcję FIXAR 025. Jest to w pełni automatyczny bezzałogowy statek powietrzny typu VTOL (pionowego startu/lądowania) o konstrukcji hybrydowej. Zaprojektowano go specjalnie do misji o wysokim zasięgu działania. Charakterystyczna konstrukcja typu eVTOL ogranicza opory powietrza, a silniki elektryczne o wysokiej efektywności pozytywnie wpływają na maksymalny zasięg i czas lotu. Produkt opracowany przez łotewską firmę FIXAR pozwala na w pełni autonomiczne loty o dystansie do 300 km (przy zachowaniu zasięgu operacji lotniczej w granicach do 150 km pomiędzy operatorem, a statkiem powietrznym). Dron został przystosowany do wykonywania misji różnego rodzaju – od mapowania terenu, poprzez inspekcję z powietrza, aż po monitoring infrastruktury krytycznej i dostarczanie niewielkich przesyłek. Dron wykorzystuje wydajne akumulatory litowo-polimerowe, które zasilają cztery efektywne energetycznie silniki elektryczne o wysokim momencie obrotowym.
Dron FIXAR 025 może być wyposażony w wiele ciężkich czujników i dostarczać kompleksowe wyniki w oparciu o zwiększony zasięg i czas lotu. FIXAR 025 charakteryzuje się wygodną i elastyczną konstrukcją ładunku użytecznego, umożliwiającą integrację z dowolnymi czujnikami innych firm: RGB, kamerami hiper spektralnymi, kamerami wideo, skanerami LiDAR, kamerami noktowizyjnymi, specjalnymi dozownikami i innymi. Maksymalna masa modułów payload wynosi 10 kg.
Drony VTOL zwiększą swoje udziały rynkowe w niedalekiej przyszłości
Aktualnie drony VTOL stanowią ciekawostkę rynkową. Ich udział w sprzedaży dronów jest stosunkowo niewielki, ale proporcje zmieniają się z miesiąca na miesiąc. Dzięki swojej zdolności do pionowego startu i lądowania oraz możliwości płynnego przechodzenia na lot poziomy, stają się one wszechstronnym narzędziem w wielu branżach, takich jak transport, ratownictwo, monitorowanie środowiska czy filmowanie. W miarę jak technologia będzie się rozwijać, drony VTOL mogą stać się kluczowym elementem przyszłości mobilności powietrznej i zmienić sposób, w jaki myślimy o transporcie i logistyce w miastach.
