Demuestran un dron que vuela con un solo motor

Joshua Bird ha diseñado y demostrado un dron que logra volar utilizando un solo motor, una propuesta que se desmarca de los sistemas de propulsión y control habituales en este tipo de aeronaves. La mayoría de los drones comerciales emplean cuatro o más motores para gestionar su movimiento, ajustando la velocidad de cada uno de forma independiente para mantener la estabilidad y dirección. Por su parte, los helicópteros, aunque usan un único rotor principal, requieren componentes mecánicos adicionales para controlar el paso de las palas y contrarrestar el par motor. El desarrollo de Bird elimina tanto la necesidad de múltiples motores como de elementos complejos como los platos cíclicos o los servos convencionales.

El eje central del diseño de Bird, según publica Hackster.io, es un buje de hélice personalizado. Este componente modifica el paso de sus palas en respuesta a cambios rápidos en la velocidad del motor. Las palas están montadas sobre bisagras inclinadas 45 grados, lo que les permite pivotar cuando el motor acelera o desacelera. Dada su inercia, las palas se retrasan momentáneamente con respecto al buje durante estas transiciones de velocidad, provocando que una pala se incline hacia arriba mientras la otra lo hace hacia abajo. Este desequilibrio de sustentación es aprovechado para inclinar el dron. Mediante una sincronización precisa de estos cambios de velocidad en puntos específicos de cada rotación, el sistema permite dirigir la aeronave utilizando únicamente el motor principal.

El proceso de desarrollo incluyó varias fases. Bird experimentó inicialmente con un conjunto de hélice de doble bisagra antes de concebir un diseño más compacto con un único pivote central. El buje rediseñado se acopla directamente a la campana del rotor del motor e incorpora pequeños contrapesos que emplean la fuerza centrífuga para devolver las palas a su posición neutra.

La fabricación del buje se realizó mediante impresión 3D utilizando poliftalamida reforzada con fibra de carbono, un material seleccionado por su capacidad para soportar las fuerzas implicadas. Pequeños rodamientos de bolas y un rodamiento de empuje facilitan el pivoteo libre de las palas bajo carga.

La gestión electrónica de este sistema representó otro desafío. Los controladores electrónicos de velocidad (ESC) convencionales para drones dependen de la fuerza contraelectromotriz para estimar la posición del rotor, pero Bird constató que perdían sincronización ante los rápidos cambios de velocidad que su diseño exigía. Para solucionarlo, reemplazó el ESC por un servoaccionamiento Moteus R4 que emplea un codificador magnético para seguir directamente la posición del motor. Esta solución permitió que la hélice de seis pulgadas alcanzara cerca de 20.000 RPM, con el motor acelerando y desacelerando hasta 300 veces por segundo.

A tales velocidades, la vibración se convirtió en un problema significativo. Bird desarrolló un sistema de fotografía de alta velocidad personalizado, utilizando un flash de cámara sincronizado para examinar la hélice en rotación. Este análisis reveló una flexión excesiva de las palas bajo cargas aerodinámicas, lo que generaba vibraciones que saturaban los acelerómetros del controlador de vuelo. La adopción de palas más rígidas corrigió el problema.

Para contrarrestar el par motor, en lugar de añadir otro motor, Bird integró aletas fijas antitirón en el cuerpo del dron, fabricado con TPU mediante impresión 3D. Aunque estas aletas redujeron la rotación, no pudieron eliminarla por completo. Esto introdujo una nueva complicación: el dron debía mantener un seguimiento de su rumbo mientras su cuerpo rotaba lentamente. Ante la interferencia magnética del motor que hacía inviable una brújula convencional, Bird implementó un sistema de baliza infrarroja que corrige periódicamente la estimación de rumbo del controlador de vuelo.

El resultado final de esta investigación fue la demostración de un vuelo estable en interiores, incluyendo capacidades de vuelo estacionario controlado y movimiento direccional. El dron evidencia la viabilidad de un único motor para proporcionar tanto sustentación como control direccional, si bien la supresión de motores adicionales conlleva, según el propio desarrollo, una complejidad añadida en otros aspectos del diseño.