آشنایی با پهپادهای مولتی روتور در زندگی مدرن

پهپاد یکی از لغت‌هایی است که در چند سال اخیر در زمینه‌های مختلفی شنیده شده است. پهپاد یا به اختصار پرنده‌ی هدایت‌پذیر از دور (پهپاد) یک وسیله هوایی است که بدون داشتن خلبان انسانی مستقر بر روی آن یعنی از دور قابل هدایت باشد. در واقع پهپاد یک سازه هوافضایی و معادل فارسی شده‌ی عبارت Unmanned Aerial Vehicle (UAV) است. پهپاد نیز به‌عنوان یک سازه هوافضایی به شمار می‌رود و از قوانین و فناوری‌های این حوزه بهره می‌برد. این هواپیمای کوچک نقش مهمی که در جنگ و مسائل نظامی ایفا می‌نماید، برای درک و آشنایی بهتر با این مبحث، مطالعه مهندسی هوافضا چیست؟ می‌تواند کمک‌کننده باشد.
در این مقاله نوعی از پهپادها با نام مولتی روتور، مورد بررسی قرار خواهد گرفت و کاربردهای جدیدی از آن را بیان می‌کنیم.

معرفی مولتی روتور

پهپاد (UAV) یا هواپیمای بدون سرنشین با هدف شناسایی حسگرها، تعیین‌کننده‌های هدف، ارسال و شناسایی مهمات تهاجمی یا فرستنده‌های الکترونیکی برای تداخل یا نابودی اهداف دشمن طراحی شده‌اند. پهپادها که فاقد خدمه، سیستم‌های پشتیبانی از حیات و الزامات طراحی و ایمنی هواپیماهای سرنشین‌دار هستند، می‌توانند به طور قابل توجهی کارآمد باشند و برد و استقامت قابل توجه بیشتری نسبت به سیستم‌های سرنشین‌دار معادل ارائه دهند.

پهپادها انواع گوناگونی دارند که برای کاربردهای متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر از نظر نوع عملکرد در پرواز به دسته‌بندی آن‌ها بپردازیم می توان به دو نوع زیر اشاره نمود:

بدون سرنشین بال ثابت
مولتی روتورها

مولتی روتور یا مولتی‌کوپتر (multirotor or multicopter) یک نوع پرنده بدون سرنشین است که بیش از دو روتور(Rotor) دارد. روتور به بخش دوار یک دستگاه گفته می‌شود. نحوه برخاست و پرواز این پرنده‌ها مشابه هلیکوپتر از طریق چرخش روتورها و در نتیجه چرخش پره‌های متصل به آن است. مولتی روتور ها بر اساس تعداد روتور نام‌گذاری می‌شوند:

انواع مولتی روتور	توضیحات
مولتی روتور با سه روتور tricopter	این پهپاد نیروی شناوری ایجاد می‌کند که برای حرکت و کنترل استفاده می‌شود. فاصله بازوها معمولاً ۱۲۰ درجه است و معمولاً به شکل Y و گاهی اوقات به شکل T است. مزایای این نوع پهپاد کم‌هزینه بودن، انعطاف‌پذیری و اندازه سبک آن است چون فقط به سه روتور نیاز دارد که پیکربندی نسبتاً کم‌هزینه‌ای به شمار می‌رود و به دلیل کم بودن تعداد موتورها قدرت بالابری زیادی ندارد.
مولتی روتورهای با 4 روتور یا quadcopter	مدل 4 موتوره محبوب‌ترین نوع مولتی‌کوپتر موجود در فرم‌های X و H شکل است. چهار موتور روی یک قاب متقارن هستند. دو موتور در جهت عقربه‌های ساعت دو موتور باقی‌مانده در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند تا تعادل را حفظ کنند. در این مولتی روتور شاهد عملکرد ایده‌آلی از نظر پایداری و زمان پرواز خواهیم بود.
مولتی روتورهای با 8 روتور یا hexacopter	هگزاکوپتر در هر بازو معمولاً ۶۰ درجه است و شامل موتورهای بیشتری نسبت به کوادروتور است تا پایداری و قدرت آن افزایش یابد. این پهپاد بخاطر بالا بودن زمان مداخله با افزونگی باعت می‌شود که اگر موتور پهپاد در طول پرواز از کار بیفتد، بتواند به‌درستی در هوا کار به پرواز ادامه دهد و به طور ایمن فرود بیاید.
کوادکوپتر یا کوادروتور (Quadcopter or Quadrotor)	در واقع زیر مجموعه‌ای از مولتی روتورها به شمار می‌آید که به دلیل کمک گرفتن از چهار پروانه برای نیروی پیشرانش، با کواد (چهار) کوپتر نامیده می‌شود.

کوادکوپترها به دلیل داشتن قدرت مانور فوق‌العاده و پروازهایی با تعادل بالا از کاربردهای بسیار گسترده‌ای برخوردارند، به همین دلیل در سال‌های اخیر توجه شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بیش از پیش به این نوع از پهپادها جلب شده است و لذا روزانه پیشرفت چشم‌گیری در امکانات و پرواز این نوع از پرنده‌ها مشاهده می‌کنیم.

اجزای مولتی روتور

مولتی روتورها یا پهپادهای چند موتوره از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش مهمی در عملکرد کلی پهپاد دارند. اجزای اصلی مولتی روتور عبارتند از:

بدنه
موتور
موتور براش (Brushed motor)
موتورهای کورلس(coreless)
موتور براشلس(Brushless motor)
ملخ
سیستم کنترل پرواز(Flight controller)

بدنه

در بدنه‌ی یک مولتی روتور موارد پراهمیت زیادی وجود دارد زیرا این فاکتور کی از عوامل مهم به پرواز درآمدن و و سقوط نکردن کوادکوپتر خواهد بود.

قاب یا بدنه از نظر سایز، جنس، وزن و طراحی چیدمان مهم است.
در جنس بدنه دو فاکتور کلیدی سبکی و استحکام باید برقرار شود.
جنس بدنه باید تعادل بین سبکی و استحکام برقرار کند.
آلومینیوم، چوب، فیبر، کربن، فوم و فایبرگلاس مواد معمول برای ساخت بدنه هستند.
در طراحی چیدمان بدنه در نوع X باید وزن کم، پایداری زیاد و طراحی متقارن انجام شود و فاصله موتورها از سیستم کنترل پرواز برابر باشد.
در طراحی چیدمان بدنه در نوع H نیز وزن زیاد و استحکام بالا بهترین خواهند بود و موتورهای عقب و جلو نزدیک‌تر به یکدیگر نسبت به موتورهای طرفین باشند

موتور

نیروی پیشران مولتی روتورها از طریق، موتورهای الکتریکی تامین می‌شود. موتورهای الکتریکی انواع متفاوتی دارند. یکی از ویژگی‌های دسته‌بندی موتورها، وجود یا عدم وجود جاروبک یا براش (brush) است.

موتور براش (Brushed motor)

در ساختار این موتورها، آهنربا ثابت و سیم‌پیچ ها متحرک هستند و قطعه‌ای بنام برس یا براش وظیفه تقسیم ولتاژ را انجام می‌دهد.

موتورهای کورلس(coreless)

نوع خاصی از موتورهای DC دارای براش هستند که روتور آن‌ها بدون هسته آهنی ساخته شده و می‌تواند شتاب بالایی را تولید کند. موتورهای کورلس به دلیل نحوه کار آسان و قیمت ارزان، از محبوبیت خاصی در بین کاربران و سازندگان کوادروتور برخوردار هستند. البته این موتور فقط برای کوادروتورهای کوچک و با قابلیت‌های پایین کاربرد دارد.

موتور براشلس(Brushless motor)

موتورهای براشلس با همان اصل مورد استفاده در موتورهای معمولی کار می‌کنند، با این تفاوت که در این موتورها، سیم‌پیچ ثابت بوده و آهنرباها می‌چرخند. براشلس‌ها نسبت توان به وزن بسیار بالاتری دارند. از آنجایی که سیم‌پیچ در این موتورها ساکن است، نیازی به برس‌ها نیست. کار تقسیم ولتاژ بین سیم‌پیچ‌ها را کنترل‌کننده سرعت یا همان اسپید کنترل (Electronic Speed Control= ESC) انجام می‌دهد که به معنای کنترل سرعت به صورت الکترونیکی است.

ملخ

ملخ یا پیشران وسیله‌ای است که از آن برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی رانش استفاده می‌شود. نیروی رانش لازم را از به حرکت درآوردن هوا یا آب فراهم می‌گردد. یک ملخ از دو یا چند تیغه یا پره‌ی تاب ‌خورده تشکیل می‌شود.

در مورد ملخ، 3 ویژگی اهمیت دارد:

قطر ملخ: فاصله‌ی بین دو سر ملخ قطر ملخ نام دارد.
گام ملخ: مسافتی که یک ملخ در طی یک دور چرخش می‌پیماید را گام ملخ می‌نامند.
تعداد پره‌ها: افزایش تعداد پره‌های ملخ مقدار تراست را افزایش می‌دهد اما در کل بهره را کاهش خواهد داد؛ همان اتفاقی که در ملخ بلندتر روی می‌دهد. در واقع با افزایش پره‌ها مجبور نیستیم طول ملخ را زیاد کنیم.

سیستم کنترل پرواز(Flight controller)

در تعریف ساده مجموعه‌ی نرم افزارها و سخت ‌افزارهایی که به کنترل کردن پرنده کمک می‌کنند. این سیستم جعبه‌ای کوچک است که پر از قطعات الکترونیکی و نرم‌افزار هوشمند که هر کاری را که پهپاد انجام می‌دهد، نظارت و کنترل می‌کند مانند مغز موجودات مختلف. کنترل‌کننده‌های پرواز نیز از نظر اندازه و پیچیدگی متفاوت هستند.

کاربردهای مولتی روتور در زندگی روزمره

موارد استفاده	توضیحات
عکاسی و فیلم برداری	از بیشترین کاربردی که از مولتی روتور‌ها می‌شود می‌توان به عکس‌برداری و فیلم‌برداری از کاربری‌های ساده مثل مراسم‌ها و تشریفات تا نقشه‌برداری مثال زد.
کشاورزی	از دیگر کاربردهای مولتی روتورها در صنایع کشاورزی برای آبیاری مزارع، سم پاشی و دیده بانی محصولات است.
نظامی	از موارد دیگری که پهپادها به کمک نیروی انسانی آمده است، موقعیت‌های نظامی است به‌دست آوردن اطلاعات تصویری و صوتی به وسیله ریزپرنده‌ها انجام می‌شود و حتی تا مرزبانی‌های گسترده را شامل می‌شود.
آتش نشانی	رساندن آب به تمام محل‌های درگیر آتش از مراحل پیچیده و سخت کار آتش‌نشان‌ها است. امروزه مولتی روتورها به کمک آتش نشان‌ها آمده اند تا با کمترین آسیب به افراد، عمل اطفاء حریق انجام شود.
امداد و نجات	امدادرسانی در شرایط خطر همیشه یکی از دغدغه‌های انسان‌ها بوده است. ورود به محل‌های غیرقابل دسترس برای انسان‌ها یکی از ویژگی‌های جالب پهپادها است
کنترل ترافیک	برای بررسی و رصد میزان ترافیک در سطح معابر به بزرگراه، نیروی انسانی، زمان و هزینه زیادی صرف می‌شود. پهپادها با پرواز بر فراز این معابر و عکس‌برداری و فیلم‌برداری می‌توانند در کنترل ترافیک به پلیس راهنمایی و رانندگی کمک کنند.
حمل بار	در فرآیند حمل بار مولتی روتورها می‌توانند مانند یک پستچی عمل کنند و با انتقال محوله‌های پستی،دارویی وظایف خود را در زمان کوتاهی انجام دهد.

چالش ها و محدودیت ها

مولتی روتورها کاربرد های گسترده ای در صنایع و زندگی روزمره‌ی انسان‌ها دارند. این کاربردها در ایران با استفاده از پهپاد به عنوان ابزار فیلم و عکس برداری در مراسمات و نقشه برداری شروع گردید. حال نیز مصارف پزشکی، حمل و نقل و کشاورزی به سرآمد استفاده‌ی خود در پهپادها رسیده است. با اینکه بیش از یک دهه است که پهپادها در زمینه‌های غیرنظامی فعال هستند اما شما می‌توانید با گذراندن دوره‌های حرفه ای، علم ساخت و کنترل آن‌ها را کسب کنید.

گروه آموزشی پارس پژوهان با برگزاری دوره‌های تخصصی هوافضا می‌تواند شما را از استعدادهای شکفته نشده‌ تان باخبر نماید. با شرکت در دوره‌های زیر می‌توانید حتی در حیطه‌های نظامی نیز قدمی بزرگ برای سربلندی کشور خود بردارید:

جمع بندی

در مجموع با در نظر گرفتن همه‌ی این کارکردها، پهپادها و به طور خاص نوع رایج مولتی روتور، مانند همه دست سازه‌های بشر، با هدف خدمت به انسان‌ها، طبیعت و بهبود کیفیت زندگی، طراحی و تولید می‌شود. هرچند گاهی کاربردهای منفی نیز دارد. علاقه‌مندان به یادگیری و ساخت پهپاد می‌توانند در این زمینه‌ی پولساز قدم بگذارند و با آموزش دیدن و هدف گذاری در این زمینه به بهترین درجات دست پیدا کنند.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس مهندسی هوافضا. صالحه علی پور کارشناس ارشد مهندسی پزشکی