Перейти к содержимому

27. VTOL: квадроплан, тилтротор, конвертоплан #

mod. Четверг, 24 сентября 2026 09:01 . См. 85

VTOL (vertical take-off and landing, вертикальный взлёт и посадка; рисунок — Wikipedia) — семейство схем, которые берут вертикальность мультиротора и дальность крыла. Разбираем четыре архитектуры — чистый мультиротор, квадроплан (гибрид), тилтротор и тилтвинг/тейлситтер — и на числах показываем, почему для БПЛА (беспилотный летательный аппарат) с дальностью 10–100 км стандарт де-факто стал гибридом «моторы + крыло».

Содержание

1. Цели статьи

  • Различать четыре VTOL-архитектуры: мультиротор, гибридный квадроплан, тилтротор, тилтвинг/тейлситтер — и их принципиальные различия.
  • Считать скорость перехода гибрида из вертикального режима в крыловой и мощность крейсерского полёта.
  • Понимать цену гибрида (два силовых контура) и когда она оправдана.
  • Выбирать архитектуру под конкретную задачу БПЛА (беспилотный летательный аппарат): дальность, масса, площадка, резерв.
Что особенно важно запомнить:
  1. Мультиротор всегда создаёт тягу разгоном воздуха вниз, крыло — перенаправлением потока: при 15 м/с 2-кг гибрид тратит ~35 Вт, а 2-кг мультиротор — ~480 Вт (задача 2). При той же батарее дальность гибрида примерно на порядок выше.
  2. Скорость перехода \(V_{trans} = \sqrt{2W/(\rho S C_{L,trans})} \): переход начинают на 20–40 % ниже этой скорости и завершают, когда крыло несёт весь вес (задача 1).
  3. Цена гибрида — два силовых контура: вертикальная и тяговая группы дают ~60 % сухой массы (задача 4). Тилтротор заменяет их одной установкой с механизмом поворота — оправдано на весах десятки–сотни килограммов.
↑ К оглавлению

2. Величины и единицы измерения (глоссарий)

Все величины, встречающиеся в статье и задачах, — в одной таблице. Безразмерные величины (коэффициенты, FM, КПД) единиц не имеют, для них в колонке «Единица» — прочерк.

СимволВеличинаЕдиницаТипичное значение в задачах
m масса аппарата кг 2 (27 700 у V-22)
W сила тяжести (вес) Н 39,2 (271 700 у V-22)
S площадь крыла м² 0,3 (26,5 у V-22)
CL,trans коэффициент подъёма на переходе (безразмерное) — 0,5
Vtrans скорость перехода м/с 14,6
V скорость полёта м/с 15 (135 у V-22)
C_x коэффициент сопротивления (безразмерное) — 0,03–0,042
K индуктивный коэффициент (безразмерное) — 0,073
q динамическое давление Па (кПа) 137,8 (11,16)
X сила сопротивления Н (кН) 1,7 (8,9 у V-22)
Pаэро аэродинамическая (полезная) мощность Вт (кВт) 26 (1200 у V-22)
Pэл электрическая / вальная мощность Вт (кВт) 35 (1410 у V-22)
ηвинта КПД тягового винта (безразмерное) — 0,75–0,85
AΣ суммарная площадь дисков м² 0,0993
T суммарная тяга Н 22
vi индуктивная скорость м/с 9,5
FM figure of merit (безразмерное) — 0,5
↑ К оглавлению

3. Таксономия VTOL-схем

СхемаКак виситКак летитПлюсыМинусы
Мультиротор (чистый VTOL) на всех винтах на всех винтах (винты тянут/толкают) простота, минимум площадок, манёвр дальность/скорость ограничены, большой расход
Гибрид (квадроплан, lift-and-cruise) на вертикальных винтах на крыле + тяговый винт дальность крыла + вертикальность; VTOL без полосы два силовых контура, масса, переходный режим
Тилтротор (lift-and-tilt) винты в гондолах, вертикально гондолы поворотятся на 90° — винты становятся тяговыми одна силовая установка, высокая скорость, большой вес механика поворота, интерференция в висении (~10 %)
Тилтвинг / тейлситтер крыло с винтами повернуто вверх / на хвосте крыло горизонтально (тейлситтер — переворачивается после взлёта) максимум площади крыла в висении (tiltwing), без роторного веса в крейсе (tailsitter) сложный переход и посадка, чувствительность к порывам (tiltwing)

В сегменте БПЛА до ~20–30 кг рабочая схема — гибрид: четыре вертикальных мотора (обычно в углах крыла) + один-два тяговых винта на фюзеляже/шасси. Тилтроторы в БПЛА — редкость (механика поворота гондол тяжёлая); тейлситтеры — ниша экспериментальных машин.

↑ К оглавлению

4. Квадроплан (гибрид lift-and-cruise)

Полёт гибрида — последовательность режимов:

  1. Взлёт и вертикальный набор — работают только вертикальные винты (как у мультиротора).
  2. Переход (forward transition) — аппарат набирает скорость; крыло начинает создавать подъёмную силу; вертикальные винты плавно сбрасывают тягу до нуля и заглушаются (или работают на малый шаг).
  3. Крейсерский полёт — подъёмная сила крыла = вес, тягу даёт винт фюзеляжа. Вертикальные моторы выключены.
  4. Обратный переход и посадка — зеркально: вертикальные винты включаются на скорости ниже скорости перехода, дальше — вертикальная посадка.

Скорость перехода — та, при которой крыло создаёт (0,9–1,0)·W при рабочем угле атаки:

\[ V_{trans} = \sqrt{\frac{2W}{\rho\,S\,C_{L,trans}}} \]

На практике переход начинают на 20–40 % ниже этой скорости (крыло ещё не несёт всё, вертикальные винты ещё создают большую часть подъёма) и завершают при полном переходе нагрузки на крыло. Управление переходом — одна из главных задач прошивки (PX4/ArduPilot имеют готовые режимы multicopter↔fixed-wing).

Критические точки гибрида: (а) зависание «в переходе» — ни крыло, ни винты не дают запас: прошивка должна уметь развернуться и сесть; (б) ветер в переходе — боковой порыв сносит аппарат в момент, когда вертикальные моторы уже почти выключены; (в) отказ тягового винта в крейсе — у гибрида нет «винтового резерва», остаётся планирование (статья 28) и вертикальная посадка, если тяговые моторы резервированы.
↑ К оглавлению

5. Тилтротор

Тилтротор (рисунок — Wikipedia): два ротора в поворотных гондолах на крыле. Висение — гондолы вертикально (режим «вертолёт»); крейс — гондолы поворачиваются на 90° и роторы работают как тяговые винты. Флагман — V-22 Osprey / Bell Boeing V-22 Osprey (рисунок — Wikipedia): взлётная масса ≈ 27,7 т, диаметр ротора 10,6 м, крейсерская скорость ≈ 509 км/ч, дальность ≈ 1 850 км. Логика схемы: одна силовая установка на всю миссию (в отличие от гибрида с двумя контурами), но цена — тяжёлый механизм поворота и интерференция роторов с крылом в висении (~10 % тяги теряется — по данным статьи Wikipedia «Bell Boeing V-22 Osprey»).

Для БПЛА тилтротор оправдан на весах десятки–сотни килограммов, где «лишний» силовой контур гибрида — половина массы, а скорость и дальность требуют крыла. В лёгком сегменте механика поворота дороже выигрыша.

↑ К оглавлению

6. Тилтвинг и тейлситтер

Тилтвинг (рисунок — Wikipedia) — всё крыло с винтами поворачивается вертикально для VTOL, в крейсе — горизонтально. Классика: Hiller X-18, Canadair CL-84 Dynavert — данные Wikipedia. Плюсы: в висении винты не бьют потоком в крыло (меньше интерференции, чем у тилтротора), переход возможен с нулевой скоростью. Минусы: вертикальное крыло — огромная парусность к порывам; эффективность висения ниже, чем у тилтротора.

Тейлситтер (рисунок — Wikipedia) / Тейлситтер — крыло летает «на хвост»: вертикальный взлёт, переворот на брюхо, крейс на крыле с тяговым винтом, посадка — переворот обратно. Главное достоинство для электрических схем: в крейсе вертикальные моторы/винты можно сложить (их масса не летит с аппаратом в крейсе); главное неудобство — сложнейшая посадка на вертикаль и чувствительность к ветру при заходе.

↑ К оглавлению

7. Выбор схемы под задачу БПЛА

ЗадачаДальность / скоростьСхема
Инспекция объекта, зависание, съёмка до 5 км, 0–15 м/с, много зависаний Мультиротор
Линейный обход (ЛЭП, трубопровод, периметр) 10–50 км, 15–25 м/с Гибрид (квадроплан)
Региональная разведка / доставка 50–200 км, 25–40 м/с Гибрид / тилтротор (по массе)
Тяжёлый груз, скорость как у самолёта свыше 200 км, свыше 60 м/с Тилтротор / тейлситтер (специальные разработки)
Площадка ограничена (крыша, вертолётная площадка) любая Любая VTOL; гибриду нужна площадка ≥ размаха крыла

Правило выбора для сегмента до 20 кг: если миссия требует зависания чаще одного раза в 10 км пути — берите мультиротор; если маршрут линейный и зависание нужно только на старте/финише — гибрид; тилтроторы/тейлситтеры в этом сегменте — предмет конструкторских разработок, а не «купить и летать».

↑ К оглавлению

8. Практика: типовые задачи (с решениями)

Задача 1. Скорость перехода гибрида

Задача. Гибрид массой \(m = 2\ \text{кг} \), площадь крыла \(S = 0{,}3\ \text{м}^{2} \), коэффициент подъёма на переходе \(C_{L,trans} = 0{,}5 \). Найти скорость перехода (\(\rho = 1{,}225\ \text{кг/м}^{3} \), \(g = 9{,}80665\ \text{м/с}^{2} \)).

Заданные параметры:

Масса m 2 кг
Площадь крыла S 0,3 м²
CL,trans 0,5 (безразмерное)
Плотность ρ 1,225 кг/м³

Искомые параметры: Vtrans (м/с).

Решение.

  1. Скорость, при которой крыло создаёт вес: \(V_{trans} = \sqrt{2W/(\rho S C_L)} = \sqrt{2 \cdot 2 \cdot 9{,}80665 /(1{,}225 \cdot 0{,}3 \cdot 0{,}5)} = \sqrt{39{,}23/0{,}1838} = \sqrt{213{,}5} \approx 14{,}6\ \text{м/с} \).
  2. На практике переход начинают на 20–40 % ниже этой скорости: ~11–12 м/с (крыло несёт 60–70 % веса), а вертикальные моторы выключают при достижении ~15 м/с.
Ответ: \(V_{trans} \approx 14{,}6\ \text{м/с} \). Вывод: скорость перехода задаёт нижний предел крейсерской скорости гибрида — ниже неё вертикальные моторы работают постоянно.

Задача 2. Мощность крейсерского полёта

Задача. Тот же гибрид крейсирует со скоростью \(V = 15\ \text{м/с} \): \(C_{x0} = 0{,}025 \), \(K = 0{,}073 \) (индуктивный коэффициент), \(\eta_{винта} = 0{,}75 \). Найти аэродинамическую и электрическую мощность. Сравнить с чистым мультиротором массой 2 кг на 4×7″ \((FM = 0{,}5) \) в том же полёте (сопротивление корпуса ~2 Н, \(\rho = 1{,}225\ \text{кг/м}^{3} \)).

Заданные параметры:

Скорость V 15 м/с
Cx0 0,025 (безразмерное)
K 0,073 (безразмерное)
ηвинта 0,75 (безразмерное)
Массы (гибрид и мультиротор) 2 кг
Винты мультиротора 4×7″, FM = 0,5

Искомые параметры: Pаэро, Pэл (Вт) для обеих схем.

Решение.

  1. Гибрид: коэффициент подъёма \(C_y = 2W/(\rho V^2 S) = 39{,}23/(1{,}225 \cdot 225 \cdot 0{,}3) = 0{,}474 \).
  2. Коэффициент сопротивления: \(C_x = 0{,}025 + 0{,}073 \cdot 0{,}474^2 = 0{,}025 + 0{,}0164 = 0{,}0414 \).
  3. Динамическое давление \(q = 0{,}5 \cdot 1{,}225 \cdot 225 = 137{,}8\ \text{Па} \); сопротивление \(X = qSC_x = 137{,}8 \cdot 0{,}3 \cdot 0{,}0414 \approx 1{,}71\ \text{Н} \); \(P_{аэро} = X\cdot V \approx 26\ \text{Вт} \); \(P_{эл} = \frac{26}{0{,}75} \approx 35\ \text{Вт} \).
  4. Мультиротор: \(A_{\Sigma} = 4\cdot \pi(0{,}0889)^{2} \) = 0,0993 м²; \(T = W + X \approx 20 + 2 = 22\ \text{Н} \); \(v_i = \sqrt{T/(2\rho A_{\Sigma})} = \sqrt{22/(2 \cdot 1{,}225 \cdot 0{,}0993)} = \sqrt{90{,}4} \approx 9{,}5\ \text{м/с} \); индуктивная мощность \(T\cdot v_{i} \approx 209\ \text{Вт} \); с учётом тяговой \(X\cdot V = 30\ \text{Вт} \) — \(P_{ид} \approx 239\ \text{Вт} \); \(P_{эл} = \frac{239}{0{,}5} \approx 478\ \text{Вт} \).
Ответ: гибрид ≈ 35 Вт, мультиротор ≈ 480 Вт — в ~14 раз больше. Вывод: именно поэтому дальность гибрида при той же батарее на порядок выше: крыло создаёт подъём перенаправлением потока, а не разгоном воздуха вниз.

Задача 3. Мощность тилтротора

Задача. Оценить аэродинамическую мощность тилтротора класса V-22 (\(m \approx 27\,700\ \text{кг} \), \(S = 26{,}5\ \text{м}^{2} \), Cx крейса ≈ 0,03) на скорости 135 м/с (490 км/ч). КПД ротора в тяговом режиме принять \(0{,}85 (\rho = 1{,}225\ \text{кг/м}^{3}) \).

Заданные параметры:

Масса m 27 700 кг
Площадь S 26,5 м²
Cx крейса 0,03 (безразмерное)
Скорость V 135 м/с
КПД ротора η 0,85 (безразмерное)

Искомые параметры: Pаэро, Pвала (кВт).

Решение.

  1. В горизонтальном полёте тяга = лобовое сопротивление. Давление: \(q = 0{,}5 \cdot 1{,}225 \cdot 135^2 = 11{,}16\ \text{кПа} \).
  2. Сопротивление: \(X = qSC_x = 11{,}160 \cdot 26{,}5 \cdot 0{,}03 \approx 8{,}9\ \text{кН} \).
  3. Аэродинамическая мощность: \(P_{аэро} = X V = 8900 \cdot 135 \approx 1200\ \text{кВт} \).
  4. Вальная: \(P_{вала} = 1200/0{,}85 \approx 1410\ \text{кВт} \).
Ответ: ~1200 кВт аэродинамически, ~1410 кВт на валу. Вывод: на V-22 стоят два двигателя по ~1490 кВт (2980 кВт суммарно) — запас ~2 раза на взлёт, набор и интерференцию роторов с крылом в висении (~10 %).

Задача 4. Цена гибрида

Задача. Гибрид 2 кг: вертикальная группа (4× мотор 2205 + ESC (электронный регулятор скорости) + винты) ≈ 1,1 кг; тяговая группа (мотор + винт 8″) ≈ 0,15 кг. Какая доля сухой массы приходится на силовую установку? Сколько полезной нагрузки (батарея + груз) остаётся при сухой массе 2 кг?

Заданные параметры:

Сухая масса 2 кг
Вертикальная группа 1,1 кг
Тяговая группа 0,15 кг
Рама, электроника, камера 0,45 кг

Искомые параметры: доля силовой установки (%); остаток на нагрузку (кг).

Решение.

  1. Силовая установка: \(1{,}1 + 0{,}15 = 1{,}25\ \text{кг} = 62{,}5 \% \) сухой массы.
  2. Остаток: \(2 - 1{,}25 - 0{,}45 = 0{,}3\ \text{кг} \) на батарею и груз.
  3. Батарея 6S 3000 мА·ч весит ~0,35 кг — уже не помещается; при 4S 2200 мА·ч (~0,22 кг) полезный груз ≈ 0,08 кг.
Ответ: ~62 % массы гибрида — силовые контуры; при сухой массе 2 кг полезная нагрузка ~0,1 кг. Вывод: реальные гибриды этого класса собирают с сухой массой 3–4 кг: батарея 0,6–1 кг + груз 0,3–0,5 кг; «двойной» силовой контур оплачивается массой с самого начала.
↑ К оглавлению

9. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
Таксономия различаю 4 схемы VTOL и их ключевые отличия
Переход гибрида считаю V_trans и знаю фазы перехода
Мощности сравниваю P крейса крыла и винта при той же V
Интерференция знаю ~10 % у тилтротора в висении
Цены объясняю, почему гибрид — два силовых контура
Выбор подбираю схему под дальность/массу/площадку
Безопасность называю критические точки перехода гибрида
↑ К оглавлению

10. Источники

  1. Wikipedia, «Vertical take-off and landing» — классификация VTOL. en.wikipedia.org/wiki/VTOL V/STOL
  2. Wikipedia, «Multirotor» — мультироторы и гибридные схемы (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Multirotor / ru.wikipedia.org/wiki/Мультикоптер (Мультикоптер)
  3. Wikipedia, «Tiltrotor» — схема тилтротора (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Tiltrotor
  4. Wikipedia, «V-22 Osprey» — масса, размеры, скорость, дальность; интерференция висения ~10 % (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/V-22_Osprey / ru.wikipedia.org/wiki/Bell_Boeing_V-22_Osprey (Bell Boeing V-22 Osprey) Bell–Boeing_V-22_Osprey
  5. Wikipedia, «Tiltwing» — X-18, CL-84 (0→185 км/ч за 8 с), плюсы/минусы (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Tiltwing
  6. Wikipedia, «Tailsitter» — схема тейлситтера (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Tailsitter / ru.wikipedia.org/wiki/Тейлситтер (Тейлситтер) Tail-sitter
  7. Документация PX4 / ArduPilot по гибридам (replay/transition-режимы) — доки производителей. docs.px4.io / ardupilot.org

Параметры V-22 и CL-84 — по источникам 4–5. Числовые примеры рассчитаны автором. Проверено: 03.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Четверг, 24 сентября 2026