クワッドコプター

クワッドコプターは、クアドロコプター、クアドローターとも呼ばれ^[1]、 4つのローターを備えたヘリコプターまたはマルチコプターの一種です。^[2]

クワッドローターヘリコプターや転換式飛行機は長い間実験的に飛行されてきましたが、現代の無人航空機やドローンが登場するまで、この構成は珍しいものでした。ドローンは小型で慣性が低いため、特にシンプルな飛行制御システムを使用でき、この用途における小型クワッドローターの実用性が大幅に向上しました。

各ローターは、回転中心を中心に揚力とトルクの両方を生成するとともに、機体の飛行方向と反対方向に 抗力も生成します。

クワッドコプターには通常、時計回り（CW）と反時計回り（CCW）に回転する2つのローターがあります。飛行制御は、各ローターの速度、つまり揚力とトルクを独立して変化させることによって行われます。ピッチとロールは正味の推力中心を変化させることで制御され、ヨーは正味のトルクを変化させることで制御されます。^[3]

従来のヘリコプターとは異なり、クワッドコプターは通常、ローターハブの周りを回転するときにブレードの角度が動的に変化するサイクリックピッチ制御を備えていません。飛行の初期の頃は、クワッドコプター（当時はクアドローターまたは単にヘリコプターと呼ばれていました）は、垂直飛行のいくつかの永続的な問題に対する可能な解決策であると考えられていました。トルクによって引き起こされる制御の問題（および有用な揚力を生成しないテールローターに起因する効率の問題）は、逆回転によって排除でき、比較的短いブレードは製造がはるかに簡単です。1920年代と1930年代に多くの有人設計が登場しました。これらの乗り物は、空気より重い垂直離着陸（VTOL）乗り物として最初に成功したものの1つでした。^[4] しかし、初期のプロトタイプは性能が低く、^{[4]後期のプロトタイプは安定性増強が不十分で[5]}制御権限が限られていたため、パイロットの作業負荷が大きすぎました。

4つのローターすべてが同じ角速度で回転し、2つが時計回りに、2つが反時計回りに回転する場合、ヨー軸の周りの正味トルクはゼロになり、従来のヘリコプターのようにテールローターは不要になります。ヨーは、空力トルクのバランスの不一致（つまり、逆回転するブレードペア間の累積推力コマンドのオフセット）によって引き起こされます。^{[6] [7]}

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  回転するローターによるクワッドコプター航空機の各モーターの反作用トルクの概略図。ローター 1 と 3 は一方向に回転し、ローター 2 と 4 は反対方向に回転して、制御用の反対方向のトルクを生成します。
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  クアッドローターは、4 つのローターすべてに均等な推力をかけることでホバリングしたり高度を調整したりします。
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  クアッドローターは、一方向に回転するローターにさらに推力を加えることによってヨーを調整します。
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  クアッドローターは、1 つのローター (または隣接する 2 つのローター) により多くの推力を加え、正反対のローターに少ない推力を加えることによって、ピッチまたはロールを調整します。

すべてのクワッドコプターは、渦輪状態を含む通常の回転翼航空機の空気力学の影響を受けます。^[要出典]

主な機械部品は、胴体またはフレーム、4つのローター（固定ピッチまたは可変ピッチ）、およびモーターです。最高の性能と最も単純な制御アルゴリズムを実現するために、モーターとプロペラは等距離に配置されています。^[8]

軽量化を図りながらパワーと安定性を高めるため、クワッドコプターは他のマルチローターと同様に同軸ローター構成を採用することができます。この場合、各アームには反対方向に回転する 2 つのモーター (1 つは上向き、もう 1 つは下向き) があります。^{[引用が必要]}

クワッドコプターの構成は、自律飛行のプログラミングが比較的簡単です。これにより、隣接するドローンの基本的な感知に基づいた複雑な群集行動の実験が可能になりました。^{[引用が必要]}

バッテリー駆動のクワッドコプターで達成された最長飛行時間は2時間31分30秒でした。この記録は2016年にドイツのフェルディナント・キッキンガーによって達成されました。^[9]記録を樹立するために、キッキンガーは低放電率の高容量リチウムイオン電池を使用し、機体から不要な重量を取り除くことで電力消費を減らし、耐久性を延ばしました。^[10]

水素燃料電池やハイブリッドガス電気発電機などの代替エネルギー源は、水素とガソリンのエネルギー密度の増加により、耐久性を劇的に延長するために使用されてきました。^[11]

空気より重い航空機で垂直離陸した最初のものは、ルイ・ブレゲが設計した4ローターのヘリコプターだった。このヘリコプターは係留飛行で数フィートの高度までしかテストされなかった。1908年には「数回」飛行したと報告されているが、詳細は不明である。^[12]

エティエンヌ・エミヘンは1920 年代に回転翼航空機の設計を実験しました。彼が試した設計の 1 つに、4 つの 2 枚羽根ローターと 8 つのプロペラを採用し、すべて 1 つのエンジンで駆動するエミヘン No. 2 がありました。ローター ブレードの角度は、ワープによって変えることができました。水平面で回転する 5 つのプロペラが機体を横方向に安定させます。もう 1 つのプロペラは操縦用に機首に取り付けられました。残りの 2 つのプロペラは前進推進として機能しました。この航空機は、当時としてはかなりの高い安定性と制御精度の向上を示し、1920 年代半ばに 1,000 回を超えるテスト飛行を行いました。1923 年までには、一度に数分間空中に留まることができるようになり、1924 年 4 月 14 日には、FAI のヘリコプターで初めての 360 メートル (390 ヤード) の距離記録を樹立しました。この飛行機は円形のコースを飛行する能力を実証し^[13]、その後、回転翼機による最初の1キロメートル（0.62マイル）の閉回路飛行を完了しました。

ジョージ・ド・ボゼザ博士とイヴァン・ジェロームは、X字型構造の端に6枚羽根のローターを備えたド・ボゼザ ヘリコプターを開発した。可変ピッチの2つの小さなプロペラが、推力とヨーの制御に使用された。この機体はコレクティブピッチコントロールを使用していた。アメリカ陸軍航空隊によって製造され、1922年10月に初飛行を行った。1923年末までに約100回の飛行が行われた。これまでに到達した最高高度は約5メートル（16フィート5インチ）だった。実現可能性を実証したものの、出力不足、応答性の低下、機械的に複雑、信頼性の問題が発生しやすかった。ホバリング中のパイロットの作業負荷が大きすぎたため、横方向の動きを試みることができなかった。

コンバートウィングス モデル A クアドローターは、はるかに大型の民間および軍用ヘリコプターのラインのプロトタイプとなることが意図されていました。設計は、V ベルト システムを介して 4 つのローターを駆動する 2 つのエンジンを特徴としていました。テール ローターは必要なく、ローター間の推力を変化させることで制御が行われました。 ^[14] 1956 年から何度も飛行したこのヘリコプターは、クアドローター設計を実証し、前方飛行に成功した最初の 4 ローター ヘリコプターでもありました。しかし、民間または軍用バージョンの注文が不足したため、プロジェクトは中止されました。コンバートウィングスが提案したモデル E は、最大重量 42,000 ポンド (19 t)、積載量 10,900 ポンド (4.9 t)、300 マイル以上、最高速度 173 mph (278 km/h) でした。ハンソン弾性関節型（EA）ベアリングレスローターは、1960年代初頭にロッキードカリフォルニアで行われたトーマス・F・ハンソンの研究から生まれました。ハンソンは以前コンバートウィングスでクアッドローターのローター設計と制御システムに携わっていました。^{[15] [16]}

1960 年のグロスター農薬散布機プロジェクトは、クワッドコプタードローンの初期の例でした。105 馬力のポテズ 4E 空冷式フラット 4 気筒エンジンを搭載し、 20ガロンの積載量を 22 フィートの散布ブームから放出しました。2 人のオペレーターが散布作業の両端にホーミング ビーコンを携行し、クワッドコプターが常にビーコンにホーミングし、行き過ぎないようにしました。しかし、パイロット付きの機械に比べて設計と操作要件が大幅に簡素化されたにもかかわらず、親会社の役員会は開発を拒否し、計画段階のままでした。^[17]

1958 年のカーチス ライト VZ-7 は、米国陸軍輸送研究司令部の「空飛ぶジープ」の競争でカーチス ライトが設計した VTOL 航空機です。VZ - 7は、 4 つのダクト ファン ローターのそれぞれの推力を変更することで制御されました。

ピアセッキPA-97 は、 1980 年代にヘリコプターの胴体 4 機と軽量飛行船を組み合わせた大型ハイブリッド航空機の提案でした。

Bell Boeing Quad TiltRotorコンセプトは、固定式クワッドコプターのコンセプトを、提案されている C-130 サイズの軍用輸送機のティルトローター コンセプトと組み合わせることで、さらに進化させています。

エアバスは、都市部の空中タクシーとして機能するバッテリー駆動のクアッドコプターを開発しており、最初はパイロットが搭乗するが、将来的には自律飛行も可能になる可能性がある。^[18]

2000年代初頭、小型無人航空機やドローンのレイアウトとしてクワッドコプターが人気を博しました。機動性とホバリング能力に優れた航空機の必要性から、クワッドコプターの研究が盛んになりました。4ローター設計により、クワッドコプターは比較的シンプルな設計でありながら、信頼性と操縦性に優れています。研究は、マルチクラフト通信、環境探査、操縦性の進歩により、クワッドコプターの能力を向上させるために継続しています。これらの発展中の特性を組み合わせることができれば、クワッドコプターは現在他の乗り物では不可能な高度な自律ミッションを実行できるようになります。^[19]

日本ではすでに1990年代初頭に小型のおもちゃの遠隔操作クワッドコプターが生産されていたが、カメラ付きで大量生産された最初のクワッドコプター（カナダの新興企業ドラガンフライによるドラガンフライヤー安定化航空ビデオシステム、遡ればドラガンフライヤーIとも呼ばれる）は1999年まで設計されなかった。 ^{[20] [21]}

2005年から2010年頃、電子機器の進歩により、安価で軽量なフライトコントローラー、加速度計（IMU）、全地球測位システム、カメラの製造が可能になりました。これにより、小型無人航空機としてクワッドコプター構成が普及しました。小型で機動性に優れたこれらのクワッドコプターは、屋内でも屋外でも飛行できます。^{[1] [22]}

小型ドローンの場合、クワッドコプターは機械的な単純さから、従来のヘリコプターよりも安価で耐久性に優れています。^[23]また、ブレードが小さいため運動エネルギーが少なく、損傷を引き起こす可能性が低くなるという利点もあります。小型クワッドコプターの場合、これにより接近戦でも機体が安全になります。クワッドコプターにローターを囲むガードを取り付けることも可能で、これにより損傷の可能性がさらに低くなります。^[2]ただし、サイズが大きくなるにつれて、固定プロペラのクワッドコプターは従来のヘリコプターに比べて不利になります。ブレードのサイズが大きくなると運動量が増大します。つまり、ブレードの速度変更に時間がかかり、制御に悪影響を及ぼします。ヘリコプターでは、ローターディスクのサイズを大きくしてもブレードピッチの制御能力に大きな影響を与えないため、この問題は発生しません。

クワッドコプターは構造と制御が容易なため、アマチュアの模型飛行機プロジェクトとして人気があります。^{[24] [25]}

2022年のロシアのウクライナ侵攻では、最初はウクライナ軍によって、その後ロシア軍によって、娯楽用および商業用のドローンが使用され始めた。当初は航空偵察や衛星偵察の不足を補うために使用され、その後、小型爆撃機や徘徊兵器として「ゲームチェンジャー」と評される規模で使用されるようになった。^{[26] [27]}

21世紀を通じて、クアッドコプタードローンが犯罪行為に利用された事例が報告されている。メキシコとアメリカの国境の壁の建設により、一部の麻薬カルテルはクアッドコプターを使って麻薬を密輸している。^[28]しかし、クアッドコプタードローンは必ずしも国境を越えて麻薬を密輸するだけではなく、世界中の刑務所に武器やその他の禁止品が密輸されるケースもある。^[29]

クアッドコプタードローン犯罪はヨーロッパでも発生している。2021年8月、チェコ共和国の警察官がメタンフェタミンの小袋を輸送していたクアッドコプターを押収した。^[30]

• エアロヴェロ アトラス
• 人力ヘリコプター
• モジュラー設計

ウィキメディア・コモンズには、クアドローターに関連するメディアがあります。

• UPenn GRASP 研究所 2015-04-20 にWayback Machineでアーカイブ
• ETH チューリッヒのクアドローターに関する研究
• FAA UAS モデル航空機運用安全ガイドライン
• TED ラファエロ・ダンドレア: クワッドコプターの驚異的な運動能力