Рамы для гоночных квадрокоптеров

Эта статья — руководство по выбору рамы для гоночного квадрокоптера. Обзор конструкций и сведения о том, как они влияют на лётные характеристики беспилотников. Есть много факоров, которые нужно учитывать при сборке дрона, в зависимости от его назначения. В тексте идет речь  о гоночных моделях и лёгких аппаратах для фристайла. Рамы мультикоптеров для аэрофотосъёмки и носителей большой грузоподъёмности будут описаны отдельно.

Содержание:

• Рама квадрокоптера и зачем она нужна
• Материалы для изготовления
• Варианты конструкции
• Размеры
• Форма рамы и конфигурация лучей
• Дизайн Unibody
• Другие конструктивные особенности
• Эволюция дизайна квадрокоптерных рам

Что такое рама квадрокоптера

Рама — это несущая конструкция, на которой расположены узлы и агрегаты вашего квадрокоптера или мультикоптера. Её правильный выбор важен по нескольким причинам:

• Дизайн рамы определяет, как будут расположены компоненты, насколько сложным для сборки и удобным в ремонте окажется будущий квадрокоптер.
• Рама влияет на лётные характеристики беспилотника: балансировку, распределение веса, жёсткость, грузоподъёмность, аэродинамику и многое другое.
• От выбора конструкции и материала рамы зависит, насколько квадрокоптер устойчив к авариям. Если вы занимаетесь гонами FPV или фристайлом, падения и столкновения с препятствиями неизбежны. В отличие от профессиональных пилотов, для большинства любителей с ограниченным бюджетом нужна прочность. Неважно, насколько хорошо летает аппарат и как красиво выглядит. Если при каждом полете будут ломаться лучи или верхняя пластина, это может серьезно испортить настроение.

Есть ещё много моментов, от которых зависит выбор рамы квадрокоптера. Перечислить их все невозможно, но мы постараемся рассмотреть главное.

Кстати, название квадрокоптеру обычно дают по модели рамы. Возможно, это не так важно, как другие факторы, но тоже имеет значение.

Материал для рамы

Рама квадрокоптера может быть изготовлена из любого: дерева, полимеров для трёхмерной печати, литьевого пластика, стекловолокна, алюминия или даже ПВХ труб. Но самым популярным для дронов пока остаётся углеродное волокно. Вероятно, 99% из них делаются из карбона, благодаря его низкой стоимости и отличным физическим свойствам, особенно важным для гоночных беспилотников:

1. Небольшой вес. Лёгкий квадрокоптер быстрее, имеет лучшую манёвренность, большее время полёта и меньше разрушается при авариях.
2. Прочность. Углеродное волокно — относительно прочный и долговечный материал.
3. Жёсткость. Карбоновые рамы имеют высокую жёсткость при небольшом весе. Она очень важна для стабильного полета и эффективного управления.

Несмотря на все преимущества, использование углеродного волокна при изготовлении рам квадрокоптеров имеет свои недостатки:

1. Карбоновое волокно проводит электрический ток. Если есть оголённые провода, соприкасающиеся с рамой, это может привести к короткому замыканию и выгоранию электронных компонентов.
2. Сделанная из углепластика рама экранирует радиоволны. Это особенно заметно на высоких частотах, например, 2.4 ГГц и 5.8 ГГц, которые используются для управления квадрокоптером и передачи видео. Нужно следить, чтобы антенны не оказались скрытыми внутри рамы.

В этой статье мы будем рассматривать рамы для гоночных квадрокоптеров, изготовленные из углеродного волокна. Другие материалы — это предмет отдельного обсуждения.

Конструкция рамы гоночного квадрокоптера

Раму можно условно разделить на две части: тело и лучи, которые иногда называют лапами.

Тело служит защитой для электронных компонентов, включая полётный контроллер, PDB, камеру FPV, передатчик VTX и все остальное. Обычно оно состоит из нижней и верхней пластин, а также некоторых промежуточных слоёв и опор между ними, чтобы удерживать все вместе.

Лучи рамы квадрокоптера — это выступающие из тела части, на которые устанавливают двигатели. На них могут располагаться регуляторы оборотов ESC и иное оборудование, если это предусмотрено конструкцией. Лучи рассчитаны, чтобы выдерживать значительные нагрузки в течение длительного времени. Обычно их делают из листов углеволокна толщиной от 3 до 5 мм.

Размер рамы

Размер рамы квадрокоптера, по аналогии с автомобилем, иногда называют колёсной базой. Он представляет собой расстояние в миллиметрах между парой двигателей, расположенных на диагональных лапах или лучах. Для измерения берут валы моторов, а не точки крепления или иные элементы.

Размер рамы влияет на основные характеристики гоночного дрона:

• момент инерции;
• силу сопротивление воздуха;
• общий вес;
• максимальный размер пропеллера.

Двигатели установлены на лучах, которые являются рычагами. Чем дальше расположены точки крепления от центра, тем больше момент инерции — сопротивление угловому ускорению. При прочих равных условиях, беспилотники меньшего размера более манёвренны.

Чем больше рама, тем выше сопротивление воздуха при движении и выше масса.

Размеры рамы частично определяют максимальный диаметр пропеллеров. Это соотношение довольно жёсткое и даже позволяет классифицировать квадрокоптеры по лопастям используемых винтов. Например, можно смело называть раму 210 мм пятидюймовой, потому что на неё можно установить лопасти диаметром 5 дюймов.

В таблице приведены габариты рам квадрокоптеров и пропеллеры, для которых они предназначены:

Это приблизительные данные. В реальности размеры пропеллеров не всегда связаны только с дизайном рамыи могут быть другие варианты.

Независимо от размера рамы в миллиметрах, нужно проверять, какие пропеллеры подходят для нее. Например, рама, пригодная для 5-дюймовых лопастей, может оказаться больше или меньше 210 мм. Но есть модели 250 мм, которые совместимы с 5" и совершенно не подходят для 6"лопастей. Все зависит от дизайна.

Несмотря на возможность поставить пропеллеры меньшего размера, лучше этого не делать. Чтобы собрать быстрый и манёвренный гоночный дрон, нужно использовать рамы минимального возможного размера, соответствующие выбранным лопастям. Например, вместо того чтобы ставить 4" пропеллеры на 5-дюймовую раму, которая для них тоже подходит, правильнее подобрать 4-дюймовую.

Форма рамы и расположение лучей

Форма рамы и её конфигурация определяются тем, как лучи конструкции соединены с телом. В процессе совершенствования конструкций гоночных квадрокоптеров, появляется много новых вариантов рам, предназначенных для самых разных задач. На сегодняшний день самые популярные из них:

• H-образные рамы;
• X-образные или «Икс-рамы»;
• гибридные X-образные;
• вытянутые X-образные;
• квадратные (коробчатые).

Может показаться, что все конфигурации рам квадрокоптеров очень похожи, потому что они все имеют прямоугольную форму. Но каждый из типов сделан по-разному. Всегда были споры о том, какие преимущества есть у различных форматов. Постараемся объяснить и разобраться в различиях.

Н-образная рама

Первоначально гоночные квадрокоптеры имели рамы в форме буквы «Н». Главное преимущество такой конструкции в неограниченном пространстве для компонентов, что упрощает сборку.

Лучи крепятся  к Н-раме спереди и сзади корпуса. За счет этого создаётся вместительное пространство, где удобно размещается электроника. Видеокамеру HD и батарею можно закепить на верхней пластине, чтобы лучше распределить вес. В результате квадрокоптер будет менее подвижным, чем на более новых X-рамах. Это связано с увеличенным моментом инерции по оси тангажа. Многие любители воздушной акробатики предпочитают такое поведение — оно добавляет плавности при полётах в свободном стиле.

X-образная рама

На раме в форме буквы X все плечи встречаются в центре, образуя Х-образную форму с одинаковой шириной и длиной (проекция представляет собой квадрат). Тело при этом уменьшается, а компоненты размещены в середине, что приводит большей централизации массы. Это снижает времени инерции и обеспечивает более скоростные лётные характеристики по сравнению с H-образными рамами. Такая конструкция идеально подходит для гонок FPV.

Х-образные рамы значительно легче других, потому что они требуют меньше материала для изготовления. Но из-за нехватки места, компоновка квадрокоптера может оказаться чуть сложнее. Основные элементы, включая видеокамеру и аккумулятор, приходится устанавливать один над другим строго посередине. Такая конструкция иногда называется «истинной» X-образной рамой, в отличие от «гибридных» X.

Рама Hybrid-X

Рама конструкции Hybrid-X тоже имеет X-образную форму, но длинное тело, наподобие обычной H-образной рамы. Некоторые считают, что она мало отличается от H-рамы, с точки зрения полётных характеристик, так как распределение масс у обоих конструкций примерно одинаково. Но разница в том, как тяга двигателей приложена к раме. Не следует забывать также о рычаге и о том, что вибрация моторов с вращающимися пропеллерами передаётся через плечи в разные стороны и влияет работу на полётного контроллера.

Растянутая X-образная рама

Она очень похожа на обычную X-образную, но растянута значительно длиннее. Идея состоит в том, чтобы улучшить скоростные характеристики, особенно важные для FPV гонок. Это достигается двумя путями:

1. Задние пропеллеры значительно удалены от передних, чтобы снизить турбулентность воздуха. Это позволяет летать быстрее, более стабильно и с меньшим наклоном.
2. Поскольку в процессе гонки угол тангажа имеет наклон вперёд, вытянутая форма рамы обеспечивает лучшую стабильность по продольной оси при сохранении той же манёвренности в виражах.

Коробочная рама

Квадратная или коробочная рама может быть H или X-образной формы. Она имеет снаружи дополнительные элементы, который связывают крепления двигателя с центром конструкции. Это придаёт дополнительную жёсткость и снижает вероятность поломки одного из лучей.

Увеличение числа элементов рамы неизбежно приводит к повышению сопротивления воздуха и увеличивает вес.

Если вы не новичок, собираете не первый квадрокоптеров и уже перестали беспокоиться по поводу каждой аварии, коробчатая рама — не самый лучший выбор.

Другие конфигурации

Есть и другие конструкции рам, такие как Deadсat, V-Tail и подобные им. Но они менее популярны, потому что требуют индивидуального подбора каждого из двигателей и намного сложнее в настройке.

Дизайн UNIBODY

Конструкция рамы может позволять замену лучей. Такой дизайн выгоден при поломке, но всегда означает потребность в дополнительном крепеже, таком как винты, болты и усилительная плита. Все это добавляет много лишнего веса.

Перегрузки можно избежать, применяя UNIBODY дизайн, при котором лучи являются частью нижней пластины. Такие рамы не только легче, но и упрощают монтаж элементов. Но если один из лучей сломается при аварии, придётся заменить всю нижнюю пластину. Снятие и переустановка бортовой электроники и двигателей может занять много времени.

Сегодня на рынке можно найти как сверхлёгкие, с отдельными лучами, так и очень прочные рамы монолитной конструкции. Если они выпущены известными фирмами и сделаны качественно, совсем не важно, используется ли дизайн Unibody или нет.

Если сравнивать жёсткость, рамы со сменной конструкцией лучей выигрывают по отношению к неразборным моделям. Жёсткость в целом зависит от того, насколько широки лучи и тело рамы, велик вырез и насколько толстая пластина используется.

Большинство трехмиллиметровых рам Unibody подвержены сильным вибрациям от двигателей, от которых практически невозможно избавиться.

Толщина углеродного волокна

Более толстое углеродное волокно обеспечивает лучшую жёсткости и прочность, но рама становится тяжелее. Для размеров 150 мм или меньше часто используют листы карбона толщиной 2 мм, а более крупные обычно изготовлены из 3–4 миллиметровых пластин.

Толщина важна именно для лучей и нередко можно встретить рамы с более тонкими верхними или нижними пластинами. Это хороший вариант, потому что лучи больше подвержены поломкам при авариях. Для современных гоночных квадрокоптеров толщина лучей рамы в 4 мм является стандартом, хотя некоторые профессионалы используют и более тонкие, чтобы сэкономить вес.

В некоторых случаях, применение углеволокна толщиной 3 мм предпочтительнее, потому что позволяет сделать конструкцию легче и получить лучшие характеристики за счёт уменьшения момента инерции.

Кромки пластин углеволокна

Если рама имеет острые края, их обязательно нужно скруглить. Это важно по нескольким причинам:

• При крушении, от сильного удара может произойти расслоение угольного волокна, из которого сделана рама и восстановить её не удастся. Можно предотвратить последствия падения, если немного прошлифовать кромки наждачной бумагой и покрыть несколькими слоями цианилакрилового клея.
• Острые края рамы могут прорезать изоляцию проводов, ремни крепления LiPo батарей или ещё что-нибудь.
• Твёрдость угольного волокна не хуже, чем у оконного стекла — при неосторожном обращении, обострый край можно порезать руку.

Обработкой краёв рамы лучше всего заниматься под струёй проточной воды, чтобы не вдыхать пыль углеволокна. Если пользуетесь электроинструментом, обязательно использовать респиратор и защитные очки.

Другие особенности

Жёсткость. Правильно спроектированная рама должна быть прочной, устойчивой к столкновениям и достаточно жёсткой. Если во время полёта появится небольшой изгиб или деформация лучей, квадрокоптер будет подвержен сильным вибрациям. Его будет трудно настроить, а полет станет неустойчивым. Даже если настройка пройдёт успешно, полётному контроллеру придётся много работать, чтобы стабилизировать беспилотник. Это может привести к перегреву двигателей.

Вес. Очень важный фактор для гоночного квадрокоптера. Все углеволокно весит примерно одинаково. Различие в том, как спроектирована рама, сколько и какого материалы применяются для увеличения прочности, какие винты, болты и стойки используются в конструкции.

Надёжность. Очень сложно предсказать, насколько надёжной и долговечной является рама, только глядя на фотографии и спецификации. Самое лучшее, что можно сделать, это почитать реальные отзывы. Помимо собственной долговечности, рама должна надёжно защищать от повреждений все компоненты вашего гоночного дрона.

Угол наклона камеры. В последнее время всё больше пилотов стали использовать большой наклон камеры, например, 60 градусов. Многие производители почему-то считают, что полеты происходят на меньших скоростях и допускают только небольшой угол наклона. Убедитесь, что рама поддерживает именно то, что нужно.

Поддержка камеры HD. Если планируется летать с GoPro или Runcam 3, рама должна быть предназначена для установки HD-камер. В некоторых случаях придётся заплатить дополнительные деньги за самостоятельную 3D-печать или попросить производителя включить дополнительное крепление в комплект поставки.

Запасные части и гарантия. Наличие запасных частей не означает, что при поломке одного из лучей или пластины не придётся покупать новую раму. Тем не менее, наличие запасных частей очень важно. Некоторые производители даже предлагают пожизненную гарантию, которая позволяет получать запасные части, если вы её соблюдаете. Такие рамы обычно стоят ненамного дороже — стоит подумать об их приобретении.

Защита двигателей. Дополнительный материал в местах крепления двигателей потенциально может защитить их от повреждений при авариях. Обратная сторона такого решения — дополнительный вес.

Фаски на кромках. Большинство производителей стали стали продавать рамы с обработанным фасками на кромках углеволокна. Можно сэкономить временя на том, что раньше приходилось делать самостоятельно.

Расположение батареи

Разместить LiPo аккумулятор сверху или снизу рамы? Это ещё один спорный вопрос, связанный с выбором оптимального дизайна рамы. Его решение больше зависит от личных предпочтений, чем от технической целесообразности. При прочих равных условиях, лучше устанавливать батарею сверху по двум причинам:

• Центр массы смещается ближе к уровню или плоскости пропеллеров, где создаётся тяга. Это уменьшает момент инерции при вращении.
• Приземление на батарею, с большой вероятностью, может привести к её разрушению. Это не имеет отношения к аварийному падению, потому что совершенно нельзя предсказать заранее, какой именно стороной произойдёт удар.

Несмотря на эти соображения, большинство популярных X-образных рам допускает только нижнее крепление аккумулятора, просто потому что свободное пространство ограниченно.

История развития рам гоночных квадрокоптеров

Мир гоночных дронов стремительно развивается, многие образцы становятся устаревшими через несколько месяцев после появления на рынке и о них быстро забывают. В этом разделе перечислены некоторые интересные конструкции рам, которые были созданы на протяжении всей истории квадрокоптеров. Это не рекламное сравнение. Каждая из них имеет свои уникальные особенности, о которых полезно знать.

Рамы Blackout, появившиеся в 2014 году, положили начало эпохе современных гоночных дронов. Они были очень популярны, несмотря на высокую цену и недоступность на рынке. Вскоре после этого, в массовой продаже появились знаменитые ZMR250, которые многие считают удачным клоном Blackout. Они стали доступны для любителей. Большинство рам того времени изготовлялось размером 250 мм и было предназначено для 5" и 6" пропеллеров.

Рамы Lumenier QAV стали популярны благодаря видеоблогу CHARPU FPV на Youtube, который спонсировала компания Lumenier. Чуть позже появились отличные, хотя и немного тяжёлые Atas Defiance 265 и Robocat.

Рама Alien компании ImpulseRC стала знаковой, потому что она была одной из первых гибридных X-образных рам и получила одобрение у многих топовых пилотов того времени. Одновременно с этим приобрели известность рамы серии Armattan F.

Самый популярный размер квадрокоптеров был рассчитан на пропеллеры 5”, потому что большинство людей полагало, что такие аппараты имеют наилучший баланс между мощностью и манёвренностью. В этот период стало появляться всё больше и больше рам True-X.

Позже стали выпускать множество X-образных рам для различных моделей видеокамер. В это время 3D-печать стала играть очень большую роль в изготовлении квадрокоптеров.

В квадрокоптерах применяются самые разные материалы. Например, для изготовления рам Ragg-E используется сверхпрочный HDPE — полиэтилен низкого давления. С другой стороны, некоторые производители стремились предельно облегчить свои конструкции, используя лучи минимальной толщины. Так были сделаны рамы X-foot и QAV-ULX.

В некоторых моделях, выпущенных во второй половине 2016 года, на смену вертикальным стойкам пришли облегчённые боковые пластин. Прекрасными примерами этого являются Armattan Armadillo и DemonRC Fury.

В начале 2017 года в топовых моделях рам из углеродного волокна стали использовать алюминиевые металлические усилительные скобы .Эти изделия имеют очень прочную структуру и потрясающи внешний вид. Рамы на фотографиях — это DQuad Obsession и Armattan Chameleon, попавшие в число лучших конструкций года.

Прекрасные, но очень дорогие

Можно ли использовать недорогую подделку, чтобы сэкономить деньги? Ведь копия мало чем отличается от оригинала.

Если есть возможность, лучше этого не делать. Чтобы спроектировать и наладить производство хорошей рамы для квадрокоптера, компаниям требуются месяцы исследований, испытаний и большой опыт. Но рама гоночного дрона, даже самая совершенная — это всего лишь кусок обработанного углеволокна. Если не тратить денег на разработку, финансовый порог для входа в бизнес по производству рам очень низкий. Естественно, он не обходится без огромного числа подражателей, клонирующих топовые модели.

Создатели подделок могут продавать свои рамы по половине или даже четверти от цены оригинала, потому что они не инвестировали в НИОКР и используют самый дешёвый материал. Действительно, можно сэкономить несколько тысяч рублей, используя низкокачественные копии. Но это очень вредит компаниям, которые создают и разрабатывают настоящие классные продукты. В конце концов, такой подход вредит развитию хобби-отрасли и всем нам. Нужно поддерживать настоящие инновации.

Заключение

Можно измерить производительность двигателя или ESC, точность и быстродействие полётного контроллера или мощность передатчика аппаратуры управления. Для этого существуют вполне объективные критерии. Но когда речь идёт о выборе идеальной рамы для гоночного квадрокоптера, дело обстоит немного сложнее. Сложно учесть все, что касается дизайна, эстетики, особенностей компоновки, личных предпочтений или моды. Эта статья должна дать некоторые основы и помочь принять правильное решение.