SiFly утверждает, что ее дроны летают в 4 раза дольше, в 10 раз дальше, в 10 раз тише и несут в 5 раз больше полезной нагрузки, чем конкуренты, при этом производятся в США по конкурентоспособным ценам в Китае. И им не нужны парашюты. Мы спросили, как… Вот секретный соус!
Заявления SiFly абсолютно возмутительны. Многороторные дроны существуют уже более 10 лет, у китайских компаний, таких как DJI, было десятилетие, чтобы развить и оптимизировать эти относительно простые планеры. Как стартап может вальсировать в эту область и получить 400-1000% прироста в критических факторах производительности, таких как продолжительность полета?
Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, и директор по стратегии Дэвид Мазар рассказал мне во время видеозвонка, что команда SiFly выезжала и представляла эти доказательства людям лично, в последний раз на мероприятии по использованию беспилотников для правоохранительных органов в Огдене, штат Юта, на этой неделе.
Вероятно, это не самое захватывающее зрелище в мире — наблюдать, как дрон зависает в воздухе в течение двух часов на аккумуляторе — он смеется, когда я спрашиваю, приносят ли люди на демонстрации подушку и одеяло. «То есть, ты в чем-то прав, — говорит он. — Через некоторое время становится не так много тем для разговоров… Когда проходит полтора часа, а в аккумуляторе остается 40%, люди говорят: «Ладно, давайте спустимся, мы вам верим!»
Теперь я тоже ему верю. Вот двухчасовой ховер, милосердно сжатый в 30-секундное покадровое видео, которое все равно умудряется быть скучным.
Так в чем же секрет? Как SiFly удалось найти столько дополнительных характеристик в многороторных планерах? Это не за счет использования двигателя внутреннего сгорания или водородных топливных элементов – или даже использования инопланетных технологий, все из которых читатели предложили в разделе оживленных комментариев к нашей последней статье. Ближайшая догадка пришла от читателя под именем «Username» – который указал на больший диаметр, более эффективные роторы, но правильно сказал, что этого самого по себе недостаточно.
Мазар утверждает, что именно сочетание ряда факторов, а также нестандартное системное мышление обеспечивают невероятный прирост производительности SiFly.
Представляем дроны SiFly: мы летаем дольше, дальше, тише, мощнее.
Рецепт SiFly для революционных характеристик мультикоптеров
Первый ингредиент, как предположил «Username», — это роторы SiFly большего диаметра, что приводит к снижению нагрузки на диск, снижению скорости вращения и повышению энергоэффективности при зависании.
Но это открывает второй ингредиент: другой класс аккумуляторов. «Большинство современных мультикоптеров, — говорит Мазар, — имеют очень маленькие лопасти, сверхвысокую загрузку диска. Им приходится использовать химию аккумулятора, называемую литий-полимером (LiPo), которая предназначена для высокопроизводительных миссий с высокой выходной мощностью. Наша конструкция с более низкой загрузкой диска позволяет нам использовать те же элементы, которые вы видите в электромобиле — литий-ионные элементы 21700».
По словам Мазара, по сути, эти элементы электромобиля оптимизированы для хранения энергии, а не для обеспечения пиковой выходной мощности, поэтому они значительно лучше подходят для продолжительности полета.
Третий ингредиент… ну, дроны SiFly несут гораздо более крупные батареи, чем у конкурентов. Это обман? «Все дело в оптимизации правильного количества батареи для общего веса самолета», — говорит Мазар. «Большинство мультикоптеров сегодня имеют менее 35% в своих долях батареи к весу. То, что мы оптимизировали, — это доля, которая намного выше, ближе к 60% или больше».
Чрезвычайно низкий уровень шума делает дроны SiFly практически бесшумными на расстоянии всего 100 метров — это делает их гораздо более удобными для использования в городских условияхSiFly
А вот дальше все становится гораздо интереснее. SiFly Q12, как вы могли заметить, может зависать в воздухе два часа подряд, но в прямом полете выносливость увеличивается на 50% до трех часов. Здесь происходит несколько вещей.
Первое заключается в том, что рычаги, удерживающие роторы, были сформированы в тонкие аэродинамические профили, способные генерировать некоторую пассивную подъемную силу на крейсерской скорости. Конечно, не такую большую подъемную силу, как у надлежащей конструкции VTOL (вертикальный взлет и посадка) с полноразмерным крылом, но это не ничто.
Во-вторых, два передних ротора расположены ниже двух задних. «Наши передние роторы примерно на 10 градусов ниже задних», — говорит Мазар, — «что снижает количество вихревого потока, который мы получаем от воздуха, выходящего из передних роторов, когда мы летим вперед».
И третье — пропеллеры плоские. «Большинство мультикоптеров, — говорит Мазар, — на самом деле используют оптимизированные для зависания пропеллеры. Мы разработали прямые лопасти с низким сопротивлением, больше похожие на лопасти вертолета, которые позволяют нам летать гораздо эффективнее в прямом полете».
Что приводит к самой интересной инновации в этом самолете, на мой взгляд; если винты плоские, означает ли это, что SiFly использует лопасти с изменяемым шагом, как вертолет? Да, но совсем по-другому.
До трех часов полета вперед, с общей дальностью полета до невероятных 90 мильSiFly
Управление шагом ротора с помощью крутящего момента
В то время как в вертолете используется автомат перекоса, позволяющий пилоту перемещать центр подъемной силы вокруг диска ротора или быстро увеличивать или уменьшать подъемную силу одновременно, основатель и генеральный директор SiFly Брайан Хинман создал и запатентовал систему, которая механически изменяет шаг лопастей в ответ на крутящий момент двигателя.
Таким образом, лопасти ротора сидят почти плоско при нулевом или низком крутящем моменте, но по мере того, как двигатель прикладывает больший крутящий момент, «торсионно гибкий вал» начинает скручиваться в корпусе двигателя, и это связано с механизмом, который наклоняет лопасти до тех пор, пока они не достигнут жесткой остановки на заранее определенном максимальном шаге. По мере уменьшения крутящего момента гибкий вал упруго возвращается в свое нескрученное состояние, и шаг лопасти снова падает.
Поэтому чем сильнее вы запускаете двигатели, тем больше наклон лопастей вверх — идеально для взлета и зависания с большой полезной нагрузкой. А когда вы прикладываете относительно низкий крутящий момент, чтобы лопасти вращались в прямом полете, они наклоняются вниз, чтобы обеспечить крейсерское состояние с меньшим сопротивлением.
Патентный чертеж показывает, как может выглядеть система управления шагом лопастей SiFly с крутящим моментомSiFly
Это также дает SiFly интересный способ быстро увеличивать или уменьшать подъемную силу, не дожидаясь, пока обороты пропеллера сравняются с управляющим сигналом. «Наша система управления шагом ротора с крутящим моментом по сути позволяет нам масштабировать архитектуру квадрокоптера, не сталкиваясь с проблемами инерции и отзывчивости систем тяги с управлением оборотами», — говорит Мазар. «Остальная часть отрасли, я думаю, считает, что для создания больших винтокрылых аппаратов требуется явное коллективное управление, что влечет за собой бремя увеличения стоимости и веса и подобных вещей. Мы считаем, что это гораздо более элегантное решение и подход, который мы используем».
«Сложите все это вместе, — говорит мне Мазар, — и вы заговорите об эффективности, эффективности и эффективности».
Пассивная авторотация для мягкой посадки
О, и эта система лопастей с крутящим моментом также поставляется с бесплатным набором ножей для стейков в виде системы безопасности, которая позволяет дронам SiFly безопасно приземляться на землю в случае отключения питания. Так что там, где другим большим дронам может потребоваться дополнительный вес баллистических парашютных систем для безопасного спуска, этим это не нужно.
Хинман описывает, как это работает, в посте Medium и еще двух патентах, но это можно обобщить так: при отказе питания системы тяги — при условии, что система управления все еще работает — дрон начинает падать, а отсутствие крутящего момента через двигатели выравнивает шаг лопастей. По мере увеличения скорости снижения поток воздуха вверх через лопасти раскручивает их до высоких оборотов, как у вертолета.
Вращающиеся лопасти представляют собой форму накопленной энергии, и это означает, что все еще есть способ приложить крутящий момент к двигателям – только в обратном направлении. Система управления способна тормозить роторы, запуская двигатели в обратном направлении как генераторы, и полученный крутящий момент достаточен для изменения шага лопастей.
Наклон самолета назад, близко к земле, заставляет ротор значительно ускориться, что позволяет сделать последний «рывок» для снижения скорости перед столкновением с землейSiFly
Использование этой электрической тормозной системы дает SiFly определенную степень контроля над снижением без двигателя с крейсерской скорости. Позволяя самолету наклоняться вперед, мы замедляем скорость ротора, когда он скользит вниз, а наклоняя его назад, мы жертвуем некоторой скоростью воздуха ради скорости ротора, пропуская много воздуха через лопасти и быстро раскручивая их.
Перед тем как вертолет приземлится в режиме авторотации, пилоту необходимо выполнить «подвеску», при которой все лопасти поднимаются вверх, чтобы извлечь максимально возможную подъемную силу из энергии, накопленной в этом большом, свободно вращающемся верхнем роторе, и создать воздушную подушку, необходимую для мягкого приземления.
Очевидно, что роторы квадрокоптера SiFly не настолько большие и тяжелые, чтобы хранить столько же энергии, сколько ротор вертолета. Но на борту есть большая батарея. Если она все еще функциональна, говорит Хинман, можно рекуперативно-тормозить достаточно энергии обратно в батарею для мощного подрыва и посадки.
А если батарея полностью разряжена, ну… «Фаза приземления авторотации включает в себя разгрузку инерционной энергии внутри четырех роторов», — пишет Хинман. «Коллектив постепенно увеличивается на всех четырех роторах с некоторой степенью дифференциальной регулировки для управления ориентацией, и квадрокоптер совершает мягкую посадку на землю, поскольку роторы постепенно теряют скорость».
Насколько смягчается, еще предстоит выяснить, и ответ, вероятно, будет сильно отличаться в зависимости от крейсерской скорости и высоты в точке отказа. Вряд ли это будет работать так же хорошо, как авторотация вертолета, но в некоторых обстоятельствах это может превзойти производительность баллистического парашюта, и в конце концов, это беспилотные транспортные средства; может быть, ему просто нужно будет достаточно замедлить падение, чтобы позволить деформируемым аварийным конструкциям принять на себя последний удар и минимизировать ущерб… Не то чтобы это было большим утешением для тех, кто будет стоять под ним, когда он ударится.
SiFly
Так как же им удается строить это в США по ценам, конкурентоспособным с китайскими конкурентами?
Ну, во-первых, о каких конкурентах идет речь? «Нас пытались сравнивать с DJI Air — мы сейчас говорим не об этом», — говорит Мазар. «Мы говорим об их большой системе корпоративного класса. Модели в категории M300, M350. И у них потрясающий продукт».
Так как же SiFly может поддерживать американские производственные затраты на уровне с китайскими конкурентами, которые выпускают беспилотники миллионами и настолько эффективно используют гиперлокальные цепочки поставок, что с самого начала полностью доминируют на рынке беспилотников?
Ну, не все компоненты будут производиться на территории США, для начала. «Есть некоторые элементы с точки зрения компонентов, где Китай — это, по сути, единственное место, где вы можете их получить», — говорит Мазар. «Такие вещи, как лезвия, есть только несколько мест, где можно получить лезвия, которые будут конкурентоспособны… Но есть цепочки поставок, открывающиеся в Малайзии, Вьетнаме и некоторых других регионах, где у нас есть партнеры, которые очень способны разрабатывать системы субкомпонентов… Мы можем вернуть их и сделать это очень эффективно».
Конечно, если SiFly хочет воспользоваться своим самым большим преимуществом на внутреннем рынке — тем фактом, что она производит беспилотники американского производства — компания не будет закупать компьютеры управления полетом или программное обеспечение из Китая, что может лишить ее возможности претендовать на оборонные контракты и тому подобное.
Реалистично, самое большое ценовое преимущество, которое SiFly предлагает, вероятно, заключается в переходе с LiPo на батареи класса EV, просто из-за масштабов, в которых сейчас производятся ячейки EV. «Мы используем то, что электромобили делают в части ячеек», — говорит Мазар, «и у нас есть партнеры, которые их упаковывают, что делает решение для батарей гораздо более экономичным».
А остальное, говорит Мазар, во многом обусловлено тем, что компания не будет использовать готовые компоненты, а вместо этого будет использовать собственные разработки. «Проектирование для производства на всех уровнях», — говорит он, — «создание простых и легких в производстве вещей — это одна часть». Мне это кажется немного странным — наверняка сложно перебить цены на готовые.
Посмотрим – но не сейчас. «Мы определили цену для нашей программы предзаказа», – говорит мне Мазар, – «и мы опубликуем ее в самом ближайшем будущем».
Конечно, эта компания привносит в игру очень инновационные идеи. Редко можно увидеть, как в такую отрасль, которая выглядела вполне зрелой и устоявшейся, приходит разрушитель и так сильно превосходит конкурентов по производительности – и я надеюсь, что вы нашли процесс выяснения этого так же увлекательно, как и я!
