¿Por qué los taxis aéreos son multirrotor, en lugar de un solo rotor?

Hay algunas razones principales por las que la mayoría de los taxis aéreos eléctricos tienen múltiples rotores.

1) Simplicidad mecánica. Los helicópteros se controlan variando el ángulo de ataque de las palas a medida que giran, y los mecanismos mecánicos para hacerlo (platos oscilantes) son complejos y costosos de construir y mantener. La idea es que con los motores eléctricos, puede estabilizar el vehículo usando empuje diferencial y eliminar la complejidad de esos sistemas. Esto tiene implicaciones para el costo del vehículo.

2) Ruido . Una de las razones principales por las que no hay aerolíneas de helicópteros ahora (y solía haberlas ) es que los helicópteros son muy ruidosos. El ruido en los helicópteros está relacionado con muchas cosas, pero uno de los principales impulsores es la velocidad de la punta de la pala. Con más rotores más pequeños, puede tener velocidades de punta de pala más bajas para la misma área de disco, lo que reduce el ruido. Aún no se ha demostrado de manera concluyente si esto tiene el potencial de reducir el ruido lo suficiente como para marcar una diferencia significativa, principalmente porque no existe una definición clara de "reducción de ruido suficiente".

3) Seguridad. Otro argumento común para los taxis aéreos eVTOL es más motores = más seguridad, porque si un motor falla, tienes muchos otros para mantenerte en el aire. La validez de este argumento depende de la cantidad de redundancia que tenga en el resto de su tren motriz, pero en principio, la oportunidad de una mayor redundancia ofrece un camino hacia una mayor confiabilidad. Hay nuevos modos de falla introducidos por esta multitud de rotores y, en general, estos vehículos no tienen capacidad de autorrotación, lo que hace que una falla total de energía tenga una consecuencia mucho mayor; todo lo cual hay que tener en cuenta.

4) Se ve bien. Probablemente hay más en este argumento de lo que se le atribuye. La mayor parte de la inversión y el impulso detrás del concepto de taxi aéreo proviene de Silicon Valley y no de los jugadores aeroespaciales tradicionales (quienes, hay que decirlo, están empezando a subirse a bordo, especialmente Airbus). Esto crea presión para desarrollar un producto que se vea y se sienta revolucionario, para recaudar los miles de millones necesarios para el desarrollo de aeronaves. La aceptación pública de estos sistemas también será un problema, y ​​la opinión pública en muchas ciudades grandes es bastante antihelicóptero.

Desde el punto de vista del rendimiento, la gran diferencia entre la mayoría de los conceptos de multirotor y los helicópteros actuales es que muchos conceptos de multirotor funcionan con baterías (por motivos de ruido, emisiones locales y flexibilidad de la infraestructura). Las baterías son mucho peores que avgas desde el punto de vista de energía/peso. Un multirotor híbrido-eléctrico tendría un rendimiento muy similar al de un helicóptero híbrido-eléctrico, suponiendo que tuvieran la misma carga de disco.

Es una buena pregunta. Los helicópteros de un solo rotor ya existen y serían una propuesta de inversión mucho más aburrida para el capital privado que un nuevo tipo de vehículo que presume de revolución, modernidad y limpieza.

El clip de arriba (también publicado en este hilo de hace cinco años (!)) muestra a una persona que controla un multicóptero eléctrico, que parece tener un éxito parcial en aprender a controlar la nave en efecto suelo en 6 minutos, lo que parece ser el duración del vuelo que las baterías pueden proporcionar.

Comparando múltiples contra un solo rotor:

1. Eficiencia. Las ecuaciones genéricas para el empuje T y la potencia P son:

   $$T = \dot{m}\cdot v \tag{1}$$ $$P = ½ \cdot \dot{m} \cdot v^2 \tag{2}$$ con$\dot{m}$el flujo másico de la corriente de aire a través de los rotores y$v$su velocidad. Entonces, para una cantidad dada de empuje, un área de disco de rotor total más grande requiere menos potencia. Un solo rotor que cubra el perímetro exterior de la foto OP sería más eficiente que varios rotores pequeños que dejan una gran cantidad de espacio libre en el disco.

2. Controlabilidad. El multicóptero en el clip tiene rotores de paso fijo. Para controlar la nave en cabeceo y balanceo, algunos de los rotores se pueden acelerar, lo que inclina la nave y, por lo tanto, el vector de empuje. Un mecanismo simple si el empuje diferencial puede suministrarse lo suficientemente rápido, como ocurre con el suministro de corriente a los motores eléctricos. La desaceleración de algunos de los rotores siempre se puede hacer rápidamente, pero reduce el empuje total, la nave desciende mientras se controla.

   La forma de control del multicóptero es más simple que la del ajuste de paso cíclico del helicóptero tradicional. Una alternativa podría ser un rotor grande sin control de paso cíclico, con cuatro rotores pequeños para aumentar/disminuir la velocidad para el control.

3. Ascensor traslacional. A medida que un helicóptero acelera, requiere menos potencia para impulsar los rotores con un empuje determinado debido al flujo de aire que ingresa. Como en esta respuesta: la potencia inducida requerida se reduce.

   Para aprovechar al máximo la sustentación traslacional, los rotores deben poder ajustar su paso: como en un avión de hélice, el ángulo de ataque de una pala de paso fijo se reduce a medida que aumenta la velocidad, lo que finalmente da como resultado un empuje cero en la pala AoA cero. Pero ese requisito niega la simplicidad de múltiples hélices de paletas fijas, una disposición que restringe severamente la velocidad máxima.

4. Ruido. El empuje es proporcional a la velocidad de la punta. de la teoría del impulso expandido:

   $$T = C_T \cdot \rho \cdot A \cdot {(\Omega R)}^2 \tag{3}$$ con${(\Omega R)}$siendo la velocidad punta. Para maximizar el empuje para un rotor dado, se debe usar la velocidad punta máxima: escalas de empuje con el valor cuadrado.

   El principal contribuyente al ruido del helicóptero es el motor, un turboeje es muy ruidoso mientras que un motor eléctrico es muy silencioso.

5. Escalabilidad. La ampliación de aeronaves más pesadas que el aire está sujeta a la ley del cubo cuadrado . Lo que es relativamente fácil de hacer con un peso bajo se vuelve muy problemático con un peso más alto, y todas las aeronaves se enfocan en la reducción de peso. Una nave de despegue vertical aún más: el empuje debe ser mayor que el peso, a diferencia de un avión de ala fija. Las baterías son un spoiler importante aquí ya que son pesadas .

6. Una posible solución. Los ruidosos motores turboeje y de pistón tienen muy buenas relaciones potencia-peso. Impulse un helicóptero múltiple con un generador de motor de pistón silencioso y haga que los rotores tengan un paso colectivo ajustable.

¿Por qué los taxis aéreos son multirrotor, en lugar de un solo rotor?

No hay muchas buenas razones técnicas. La simplicidad del control no es un problema urgente que deba resolverse, la tecnología de paso cíclico está madura y existe desde hace casi un siglo. El principal motivo parece ser el marketing, ya que la imagen de un multicóptero asocia automáticamente una actuación eléctrica limpia y silenciosa, mientras que la de un helicóptero se asocia con un ruido fuerte del motor.

La verdadera razón es que el concepto actual de taxis aéreos surgió de personas que no entienden o no se preocupan por la aerodinámica. Esta es una de las diez ideas de negocios que Uber está/estaba impulsando para su oferta pública inicial, y han tenido éxito con el dinero que invirtieron en su comercialización. Se originó a partir de la extrapolación de la tecnología de drones con cámara al tamaño de un pasajero humano, pero la tecnología no escalará.

Tiene toda la razón en que un rotor grande es más eficiente que muchos rotores pequeños, pero tanto para el movimiento estacionario como para el lateral. El vuelo estacionario es muy ineficiente y requiere el doble de energía que un despegue con traslación. Pequeño no es necesariamente más silencioso, ya que el flujo de aire supersónico en las puntas genera ruido y los rotores giran a la velocidad para la que están diseñados.

Los cuadricópteros dominan los drones con cámara, ya que el control es simple. Los rotores múltiples se adaptan a los motores eléctricos pequeños, que son más silenciosos que los motores de gasolina pequeños. Desafortunadamente, la electricidad tiene que provenir de baterías muy ineficientes, o necesita un generador de electricidad a gas y vuelve al ruido. La simplicidad se bloquea cuando se trata de fallas, por lo que duplicar todo significa que un cuadricóptero se convierte en un octocóptero.

Los multicópteros son un medio ineficiente para lograr VTOL, un perfil de vuelo ineficiente, usando baterías, una reserva de energía ineficiente. Puede esperar que cualquier cosa que tenga esta configuración falle.

Quizás no sea la razón principal, pero una importante además de las otras respuestas, es IP. Los jugadores establecidos en el diseño y la fabricación de helicópteros son solo eso, establecidos; todas son empresas que han estado refinando su tecnología durante décadas, a menudo con una financiación sustancial de defensa, por lo que todas las ganancias de rendimiento y eficiencia en su ingeniería están sujetas a patentes disputadas estridentemente. Estos valen muchos, muchos millones de dólares.

Como suele ser el caso con la investigación de estas organizaciones, habrá patentes para cosas que desarrollaron y que finalmente no usaron, que conservan simplemente para evitar que alguien más las use. Y evitarán que cualquiera los use de forma gratuita.

No sé el estado de las patentes que cubren lo que comenzó como juguetes novedosos, que es de donde se han desarrollado estos multicópteros estabilizados, controlados por microprocesador y alimentados por energía eléctrica; presumiblemente, no están en manos de Boeing, Lockheed, Bell, Sikorsky. , Agusta, et al.

Sin embargo, la historia de la aviación está plagada de avances que se han producido simplemente como resultado de evitar la infracción de patentes. Por ejemplo, los hermanos Wright estaban obsesionados con impedir que alguien más, particularmente Curtis, usara cualquiera de sus ideas. Se esforzaron tanto en litigar como en construir y volar. Rolls Royce y GE están en un baile constante de infracción de patentes con sus motores hasta el día de hoy, al igual que Boeing y Airbus. Realmente odian tener que licenciar tecnología de o para sus competidores.

El dibujo conceptual muestra una ventaja de seguridad del diseño de rotores múltiples: puede ver las vigas que soportan los rotores múltiples. Las vigas están debajo de los rotores. Esto hace que sea menos probable que los pasajeros se interpongan accidentalmente en el camino de los rotores.

Desde el punto de vista del artista conceptual, es mucho más fácil hacer que las vigas que soportan varios rotores parezcan sólidas y circulares que hacer que un único rotor parezca sólido y circular.