Cuadricóptero

Si los cuatro rotores giran a la misma velocidad angular , dos en sentido horario y dos en sentido antihorario, el par neto alrededor del eje de guiñada es cero, lo que significa que no se necesita un rotor de cola como en los helicópteros convencionales. La guiñada se induce por un desequilibrio en los pares aerodinámicos (es decir, por una compensación de los comandos de empuje acumulados entre los pares de palas que giran en sentido contrario). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

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  Esquema de los pares de reacción en cada motor de un cuadricóptero, debido al giro de los rotores. Los rotores 1 y 3 giran en una dirección, mientras que los rotores 2 y 4 giran en la dirección opuesta, generando pares opuestos para el control.
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  Un cuadricóptero se mantiene en vuelo estacionario o ajusta su altitud aplicando el mismo empuje a sus cuatro rotores.
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  Un cuadricóptero ajusta su guiñada aplicando mayor empuje a los rotores que giran en una dirección.
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  Un cuadricóptero ajusta su cabeceo o balanceo aplicando más empuje a un rotor (o a dos rotores adyacentes) y menos empuje al rotor diametralmente opuesto.

Todos los cuadricópteros están sujetos a la aerodinámica normal de los helicópteros, incluido el estado de anillo de vórtice .

Los principales componentes mecánicos son un fuselaje o estructura, los cuatro rotores (de paso fijo o variable) y los motores. Para un rendimiento óptimo y algoritmos de control más sencillos, los motores y las hélices se encuentran a igual distancia. ^{[ 8 ]}

Para lograr mayor potencia y estabilidad con menor peso, un cuadricóptero, al igual que cualquier otro multirrotor , puede emplear una configuración de rotor coaxial . En este caso, cada brazo cuenta con dos motores que giran en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo).

La configuración del cuadricóptero es relativamente sencilla de programar para el vuelo autónomo. Esto ha permitido realizar experimentos con comportamientos de enjambre complejos basados ​​en la detección básica de los drones adyacentes.

El tiempo de vuelo más largo logrado por un cuadricóptero a batería fue de 2 horas, 31 minutos y 30 segundos. El récord lo estableció Ferdinand Kickinger de Alemania en 2016. ^{[ 9 ]} Para establecer el récord, Kickinger utilizó baterías de iones de litio de alta capacidad y baja tasa de descarga, y eliminó el peso no esencial de la estructura para reducir el consumo de energía y aumentar la autonomía. ^{[ 10 ]}

Se han utilizado fuentes de energía alternativas como pilas de combustible de hidrógeno y generadores híbridos gas-eléctricos para extender drásticamente la autonomía debido a la mayor densidad energética tanto del hidrógeno como de la gasolina, respectivamente. ^{[ 11 ]}

La velocidad máxima alcanzada por un cuadricóptero es de 685 km/h (426 mph) por Benjamin Biggs y Aidan Kelly en Australia el 20 de mayo de 2026. ^{[ 12 ] [ 13 ]}  

A continuación se muestra la evolución del récord mundial Guinness. Para conseguirlo, se calcula el promedio de dos carreras de 100 metros en vuelo horizontal. Las dos carreras deben realizarse en direcciones opuestas para tener en cuenta el viento.

El primer aerodino más pesado que el aire que despegó verticalmente fue un helicóptero de cuatro rotores diseñado por Louis Breguet . Solo se probó en vuelo sujeto y a una altitud de pocos metros. En 1908 se informó que había volado «varias veces», aunque los detalles son escasos. ^{[ 26 ]}

Etienne Oehmichen experimentó con diseños de helicópteros en la década de 1920. Entre los diseños que probó se encontraba el Oehmichen n.° 2, que empleaba cuatro rotores de dos palas y ocho hélices, todas impulsadas por un solo motor. El ángulo de las palas del rotor podía variarse mediante torsión. Cinco de las hélices, girando en el plano horizontal, estabilizaban la máquina lateralmente. Otra hélice estaba montada en la parte delantera para la dirección. El par de hélices restante funcionaba como su propulsión hacia adelante. La aeronave exhibió un grado considerable de estabilidad y un aumento en la precisión de control para su época, y realizó más de mil vuelos de prueba a mediados de la década de 1920. Para 1923, era capaz de permanecer en el aire durante varios minutos seguidos, y el 14 de abril de 1924, estableció el primer récord de distancia de la FAI para helicópteros de 360 ​​m (390 yd) . Demostró la capacidad de completar un recorrido circular ^{[ 27 ]} y, posteriormente, completó el primer vuelo en circuito cerrado de 1 kilómetro (0,62 millas) realizado por un helicóptero.   

El Dr. George de Bothezat e Ivan Jerome desarrollaron el helicóptero de Bothezat , con rotores de seis palas en el extremo de una estructura en forma de X. Dos pequeñas hélices de paso variable se utilizaban para el control de empuje y guiñada. El vehículo empleaba control de paso colectivo. Construido por el Servicio Aéreo del Ejército de los Estados Unidos , realizó su primer vuelo en octubre de 1922. Se realizaron alrededor de 100 vuelos para finales de 1923. La altura máxima que alcanzó fue de aproximadamente 5 m (16 pies 5 pulgadas) . Si bien demostró su viabilidad, era poco potente, poco sensible, mecánicamente complejo y propenso a problemas de fiabilidad. La carga de trabajo del piloto era demasiado alta durante el vuelo estacionario como para intentar el movimiento lateral.   

El Convertawings Modelo A Cuadrirrotor fue concebido como el prototipo de una línea de helicópteros civiles y militares mucho más grandes. El diseño presentaba dos motores que impulsaban cuatro rotores a través de un sistema de correas trapezoidales. No se necesitaba rotor de cola y el control se obtenía variando el empuje entre los rotores. ^{[ 28 ]} Este helicóptero, que voló muchas veces desde 1956, demostró la viabilidad del diseño de cuadrirrotor y fue también el primer helicóptero de cuatro rotores en demostrar un vuelo hacia adelante exitoso. Sin embargo, debido a la falta de pedidos para versiones comerciales o militares, el proyecto fue cancelado. Convertawings propuso un Modelo E que tendría un peso máximo de 42 000 lb (19 t) con una carga útil de 10 900 lb (4,9 t) a lo largo de 300 millas y a una velocidad de hasta 173 mph (278 km/h) . El rotor sin cojinetes Hanson Elastic Articulated (EA) surgió del trabajo realizado a principios de la década de 1960 en Lockheed California por Thomas F. Hanson, quien previamente había trabajado en Convertawings en el diseño del rotor y el sistema de control del cuadricóptero. ^{[ 29 ] [ 30 ]}      

El proyecto Gloster Crop Sprayer de 1960 fue un ejemplo temprano de un dron cuadricóptero. Impulsado por un  motor Potez 4E de cuatro cilindros planos refrigerado por aire de 105 hp, su carga útil de 20 galones se descargaba a través de una  barra de pulverización de 22 pies. Dos operadores portaban balizas de localización en los extremos opuestos del recorrido de pulverización, de modo que el cuadricóptero siempre se dirigiera a una baliza y no se pasara de largo. Sin embargo, a pesar del diseño y los requisitos operativos mucho más sencillos en comparación con una máquina pilotada, la junta directiva de la empresa matriz se negó a desarrollarlo y se quedó en un proyecto sobre el papel. ^{[ 31 ]}

El Curtiss-Wright VZ-7 de 1958 fue un avión VTOL diseñado por Curtiss-Wright para competir por el título de "jeep volador" del Comando de Transporte e Investigación del Ejército de los Estados Unidos. El VZ-7 se controlaba modificando el empuje de cada uno de sus cuatro rotores con ventilador entubado.

El Piasecki PA-97 fue una propuesta de la década de 1980 para un gran avión híbrido en el que se combinaban cuatro fuselajes de helicóptero con un dirigible más ligero que el aire.

El concepto Bell Boeing Quad TiltRotor lleva el concepto de cuadricóptero fijo un paso más allá al combinarlo con el concepto de rotor basculante para un transporte militar propuesto del tamaño de un C-130.

Airbus está desarrollando un cuadricóptero alimentado por batería para funcionar como taxi aéreo urbano, inicialmente con piloto, pero potencialmente autónomo en el futuro. ^{[ 32 ]}

En las primeras décadas del siglo XXI, el diseño de cuadricóptero se popularizó para vehículos aéreos no tripulados de pequeña escala o drones. La necesidad de aeronaves con mayor maniobrabilidad y capacidad de vuelo estacionario impulsó la investigación en cuadricópteros. El diseño de cuatro rotores permite que los cuadricópteros sean relativamente sencillos, pero a la vez altamente fiables y maniobrables. La investigación continúa mejorando las capacidades de los cuadricópteros mediante avances en la comunicación entre múltiples aeronaves, la exploración del entorno y la maniobrabilidad. Si se logran combinar estas cualidades en desarrollo, los cuadricópteros serían capaces de realizar misiones autónomas avanzadas que actualmente no son posibles con otros vehículos. ^{[ 33 ]}

Aunque en Japón ya se fabricaban pequeños cuadricópteros de juguete controlados a distancia a principios de la década de 1990, el primero con cámara que se produjo en cantidades significativas (Draganflyer Stabilized Aerial Video System, posteriormente también Draganflyer I, de la empresa emergente canadiense Draganfly ) no se diseñó hasta 1999. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

Entre 2005 y 2010, los avances en electrónica permitieron la producción de controladores de vuelo, acelerómetros ( IMU ), sistemas de posicionamiento global y cámaras ligeros y económicos. Esto hizo que la configuración de cuadricóptero se popularizara como vehículo aéreo no tripulado pequeño . Gracias a su pequeño tamaño y maniobrabilidad, estos cuadricópteros pueden volar tanto en interiores como en exteriores. ^{[ 1 ] [ 36 ]}

Para drones pequeños, los cuadricópteros son más baratos y duraderos que los helicópteros convencionales debido a su simplicidad mecánica. ^{[ 37 ]} Sus palas más pequeñas también son ventajosas porque poseen menos energía cinética, lo que reduce su capacidad de causar daños. Para cuadricópteros de pequeña escala, esto hace que los vehículos sean más seguros para la interacción cercana. También es posible equipar los cuadricópteros con protectores que encierran los rotores, reduciendo aún más el potencial de daños. ^{[ 2 ]} Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño, los cuadricópteros de hélice fija desarrollan desventajas en relación con los helicópteros convencionales. Aumentar el tamaño de las palas aumenta su momento. Esto significa que los cambios en la velocidad de las palas tardan más, lo que afecta negativamente al control. Los helicópteros no experimentan este problema, ya que aumentar el tamaño del disco del rotor no afecta significativamente la capacidad de controlar el paso de las palas.

Debido a su facilidad de construcción y control, los cuadricópteros son populares como proyectos de aeromodelismo amateur . ^{[ 38 ] [ 39 ]}