Trup dronu: uspořádání a materiály

Na rozdíl od letadel s pevným křídlem se po trupu multikopter nijak zvlášť nepožadují dobré aerodynamické vlastnosti. V podstatě jde o jednoduchou konstrukci, jejímž jediným smyslem je udržet pohromadě elektroniku, motory, kameru a další vybavení po celou dobu letu - pokud možno i v krizových situacích. Právě tenhle poslední požadavek ale naznačuje, že konstrukce trupu vyžaduje trochu přemýšlení a znalostí. Takže i když s dostatečným výkonem není problém dostat do vzduchu cokoliv (na YouTube najdete celu řadu bizarních strojů), jen při správné konstrukci trupu to pak také přistane, poletí znovu a dokonce může plnit i užitečná zadání.

Tvar - přednosti a nedostatky různých řešení

Základní dělení kopter vychází z počtu motorů, respektive vrtulí, jejichž počet se nejčastěji pohybuje od tří do osmi (trikoptera, kvadrokoptera, hexakoptera, oktakoptera). My si tu uspořádání trupu ukážeme na kvadrokoptérách, zatímco popis ostatních druhů kopter si necháme na samostatný článek. Nejen proto, že kvadrokoptery se vyskytují zdaleka nejčastěji, ale i pro zjednodušení výkladu: není takový problém si domyslet, jak by různá řešení trupu kvadrokoptéry šlo aplikovat na stroj s jiným počtem motorů.

Drtivá většina prodávaných kvadrokopter má trup uspořádaný do kříže, kde v ramenech jsou obvykle zabudovány regulátory a motory jsou umístěné na koncích ramen (uspořádání do X). Elektronika, baterie a další zařízení jsou ve středu kříže. Tak vypadají například všechny modely DJI Phantom.

obr: Nejčastější uspořádání, do kříže (do X)

Největší výhodou tohoto řešení je jednoduchost a úspora hmotnosti. Jsou tu ale i nezanedbatelné nevýhody, především zranitelnost poměrně dlouhých ramen při nárazech. Prasklé nebo ulomené rameno je nejčastějším důsledkem chybného přistání nebo jiné havárie - což nezřídka odnese také regulátor nebo motor v rameni. Když je ještě ke všemu trup vylisován jako celek, pak je poškozený stroj prakticky na odpis a na součástky.

Z tohoto hlediska lépe vychází uspořádání připomínající písmeno H: ramena vycházejí z obou konců podlouhlého trupu. Mohou pak být podstatně kratší, a tedy pevnější a méně zranitelná. V tomto uspořádání je také snadnější a smysluplnější je navrhnout jako snadno výměnná po haváriích (praktikuje se zejména u závodních kopter), nebo skládací (kvůli snadnému transportu). Ze závodních strojů může být příkladem TBS Vendetta, poslední dobou však tímto směrem míří i vývoj fotografických kopter (DJI Mavic, GoPro Karma).

obr: Uspořádání do tvaru písmene H

Uspořádání do H může mít různé varianty, kdy jsou přidány další výztuhy a vzpěry, takže vznikne velmi odolná konstrukce. Na systém vzpěr pak se také dá snadno umisťovat další zařízení. Příkladem mohou být drony Yuneec Typhoon Q500.

obr: Vylepšené uspořádání do H (Yuneec Typhoon Q500)

Materiály pro drony

Trupy komerčních dronů se ve většině případů lisují z plastů - navzdory tvrzení výrobců ve skutečnosti často poměrně křehkých. Spíš než konstrukční požadavky tu vystupují do popředí komerční hlediska (sériová velkovýroba, laciný materiál). Zejména u levnějších strojů platí, že o jejich odolnosti a životnosti si netřeba dělat velké iluze.

Drahé konstrukce, proto používají i jiné materiály, zejména lehké slitiny (dural), kvalitní překližku, karbon, laminát, případě různé sendvičové konstrukce. Poslední dobou se také dostává do popředí 3D tisk. Informace o materiálech jsou zajímavé také pro ty, kdo si drony staví nebo chtějí stavět sami, případně pro ty, kdo chtějí "transplantovat" elektronika a motory z havarované plastové hračky do něčeho, co by ještě chvíli létalo.

Dural

Duralové profily a trubky nejrůznějšího provedení dostanete v každém lepším železářství, ceny jsou přijatelné a materiál lehký a pevný (samozřejmě je třeba před plochými kusy preferovat trubky nebo profily). Dural se snadno opracovává i bez speciálního vybavení: se svěrákem, pilkou na kov, vrtačkou a pilníky si vystačíte třeba i v kuchyni na stole. Při snižování hmotnosti hodně pomohou odlehčovací otvory na vhodných místech.

Překližka

Pokud je překližka kvalitní (nejlépe z modelářských prodejen) jde při stavbě dronů o neprávem opomíjený materiál. Opracovává se ještě lépe naž dural, nárazům ale odolává hůř a vadí ji i vlhkost (létání za špatného počasí). Vynikající zejména pro experimenty a pokusné konstrukce. Vlastnosti lze dál výrazně zlepšit olaminováním.

Karbon

To čemu se v konstruktérské a modelářské hantýrce dnes nejčastěji říká karbon, je kompozit skládající se z uhlíkových vláken a minerální pryskyřice. Materiál je mimořádně lehký a pevný, používá se proto v leteckém a kosmickém průmyslu, ve sportovních vozech a podobně - což z něj činí módní záležitost. Má ale i negativní vlastnosti: je drahý, křehký, pevný jen v určitých směrech, jeho smysluplné použití tedy vyžaduje značné odborné znalosti. Kromě toho jeho výroba vyžaduje speciální zařízení a postupy, v modelářských prodejnách však jde koupit uhlíkové desky, trubky a profily. Není špatné vědět, že opracování již hotový prvků z karbonu je rizikové ze zdravotního hlediska a že stíní elektromagnetické vlnění signál, takže při konstrukci musíme dbát na umístění antén.

Na dronech má smysl jen u závodních minikopter, kde jde o každý gram, nebo u velkých těžkých profesionálních strojů. Naproti tomu u běžných kopter střední kategorie jeho nevýhody spíš převažují.

Laminát

Stejně jako v případě karbonu jde o kompozit, v němž však místo uhlíkových vláken jsou vlákna skleněná. Pryskyřice se používají buď dražší ale lepší epoxidové, nebo levnější polyesterové. Laminát má sice o něco větší měrnou hmotnost než karbon, ale i tak je lehčí a pevnější než ostatní materiály. K tomu nabízí řadu dalších výhod: je odolný vůči nepříznivým podmínkám, relativně levný a snadno dostupný. I v primitivních podmínkách z něj lze při troše šikovnosti vyrábět prakticky jakékoliv tvary. A pokud zhotovíte dobré opakovatelně použitelné formy, není problém si snadno a rychle vyrábět poškozené díly.

Sendviče

Sendviče jsou vrstvené materiály skládající se z vrstev s různými vlastnostmi. Vnější vrstvy jsou pevné a tuhé, zatímco vnitřní méně pevné zachycují smykové síly. Výsledkem pak je konstrukce podstatně lehčí a pevnější než kdyby byla zhotovena z jednoho z nich. Při stavbě dronů se nabízí zejména kombinace laminát - pěnový polystyren - laminát, nebo již zmíněné olaminování překližkových dílů.

3D tisk

Možnost navrhnout celý trup nebo jeho díly na počítači a pak pouhým klepnutím klávesy "vytisknout" na 3D tiskárně je velmi lákavá, stejně jako snadná výroba poškozených dílů touto cestou. Ovšem jen pro toho, kdo má k takovému zařízení přístup a disponuje potřebnými znalostmi. Navíc materiály, s nimiž jsou dnes dostupné 3D tiskárny schopné pracovat, nedosahují kvalit duralu nebo kompozitů, což se nahrazuje větší tlouštkou nebo složitým profilováním. Opět je tedy nutné mít speciální a dost hluboké znalosti. Nicméně 3D tisk je velmi perspektivní záležitost, kterou se vyplatí sledovat každému vážnějšímu zájemci o drony.

Jan A. Novák