Czym jest monokopter?

Monokopter (ang. monocopter, czasem nazywany gyropterem) to rodzaj wiropłata, który do generowania siły nośnej wykorzystuje pojedyncze obracające się skrzydło lub łopatę wirnika. Nazwa pochodzi z połączenia greckiego przedrostka mono- (jeden) oraz słowa copter wywodzącego się od greckiego pteron (skrzydło). Jest to konstrukcja zasadniczo różniąca się od helikopterów, które posługują się wirnikiem o dwóch lub więcej łopatach, a także od wielowirnikowców (kwadrokopterów, heksakopterów), powszechnie używanych we współczesnych dronach.

Koncepcja monokoptera jest bezpośrednio zainspirowana naturą — a konkretnie zachowaniem nasion skrzydlakowych (tzw. samar), które można obserwować u klonów, jaworów czy platanów. Każdy, kto choć raz widział wirujące nasionko klonu opadające z drzewa w spiralnym tańcu, miał okazję podziwiać naturalny prototyp monokoptera.

Natura jako inżynier — aerodynamika samar

Skrzydlaki (samary) to wyspecjalizowane owoce niektórych gatunków drzew, wyposażone w pojedyncze włókniste skrzydło doczepione do nasionka. Po oderwaniu od gałęzi samara przechodzi przez krótką fazę przejściową (swobodny spadek na dystansie około jednego metra), po czym osiąga stabilną autorotację i rozpoczyna powolne, spiralne opadanie.

Kluczem do zrozumienia fenomenu samar — a co za tym idzie, zasady działania monokoptera — jest zjawisko autorotacji. Podczas opadania skrzydło samary obraca się wokół osi pionowej, a napływające powietrze wytwarza na krawędzi natarcia charakterystyczny wir krawędziowy (ang. leading-edge vortex, LEV). Ten stabilny wir powoduje spadek ciśnienia po zawietrznej stronie skrzydła, generując siłę nośną, która radykalnie spowalnia opadanie. Badania naukowe opublikowane w czasopiśmie Science w 2009 roku wykazały, że mechanizm LEV u autorotujących nasion jest analogiczny do tego, jaki wykorzystują latające owady.

Dzięki autorotacji nasiona klonu opadają z prędkością zaledwie około 1,2 m/s — znacznie wolniej niż wynikałoby to z prostych obliczeń prędkości granicznej opartych na masie i oporze aerodynamicznym. Powolne opadanie zwiększa czas przebywania w powietrzu, a nawet niewielki wiatr boczny jest w stanie przenieść nasionko na znaczną odległość od drzewa macierzystego. Ewolucja wypracowała tu rozwiązanie inżynieryjne godne najlepszych konstruktorów lotniczych — nasionko klonu jest jednocześnie ładunkiem i środkiem transportu, a wirujące skrzydło zapewnia mu zarówno nośność, jak i stabilność.

Gyroptère — narodziny monokoptera (1911–1915)

Historia monokoptera jako maszyny latającej sięga początków XX wieku. Pierwszą próbę budowy pełnowymiarowego monokoptera podjęli dwaj francuscy inżynierowie — Alphonse Papin i Didier Rouilly. Zafascynowani aerodynamiką nasion klonu (samary), już w 1911 roku opatentowali koncepcję maszyny, którą nazwali Gyroptère (od greckiego gyros — koło, obrót). Uzyskali patenty francuskie (nr 440 593 i 440 594), a następnie patent amerykański (US 1 133 660) w 1915 roku.

Budowę prototypu, ochrzczonego Chrysalide (Poczwarka), rozpoczęto w lutym 1914 roku, a ukończono go w czerwcu tego samego roku. Maszyna była wykonana z formowanego drewna i wyróżniała się piękną, opływową konstrukcją o złożonych krzywiznach. Posiadała pojedyncze, puste w środku skrzydło o długości około 5,9 m i szerokości 1,33 m, pokryte płótnem. Po przeciwnej stronie osi obrotu zamontowano wentylator napędzany silnikiem rotacyjnym Le Rhône o mocy 80 KM, który tłoczył powietrze przez wnętrze pustego skrzydła. Sprężone powietrze wydostawało się przez dyszę umieszczoną na krawędzi spływu na końcu łopaty, wprawiając skrzydło w ruch obrotowy. Była to zatem pierwsza w historii konstrukcja śmigłowca z napędem strumieniowym łopat.

Pilot zajmował miejsce w centralnej gondoli umieszczonej w środku ciężkości między skrzydłem a wentylatorem. Gondola była osadzona na łożyskach kulkowych i zabezpieczona czterema poziomymi rolkami, co zapobiegało jej obracaniu się wraz ze skrzydłem. Sterowanie zapewniały trzy elementy: pedał otwierający zawór dopływu powietrza do skrzydła, przełącznik sprzęgania i rozsprzęgania silnika oraz pedał kontrolujący rurę w kształcie litery L umieszczoną nad maszyną, która pełniła funkcję steru kierunku i jednocześnie przeciwdziałała obrotowi gondoli.

Wybuch I wojny światowej opóźnił testy. Przeprowadzono je dopiero 31 marca 1915 roku na jeziorze Cercey w Burgundii. Wyniki były rozczarowujące — wirnik osiągnął jedynie 47 obrotów na minutę zamiast wymaganych 60. Maszyna, cięższa od zakładanych parametrów (około 500–600 kg zamiast planowanych 400 kg), okazała się niestabilna. Skrzydło uderzało o wodę, a pilot musiał opuścić maszynę, która ostatecznie zatonęła. Jeszcze przed testem, w 1914 roku, francuski dziennik La Nature opisał Gyroptère jako „gigantyczny bumerang" — mimo późniejszej porażki, koncepcja wzbudziła ogromne zainteresowanie w świecie lotnictwa.

Pierwsze bezzałogowe monokoptery

Gyroptère Papina i Rouilly’ego ujawnił fundamentalny problem konstrukcji załogowego monokoptera — cały aparat (lub jego znaczna część) musi wirować, co czyni lot niezwykle trudnym do zniesienia dla pilota. Z tego powodu dalszy rozwój monokopterów podążył ścieżką bezzałogową.

Pierwszym, który z powodzeniem zbudował i oblatał bezzałogowy monokopter, był dr Charles W. McCutchen. W 1952 roku nad jeziorem Lake Placid w stanie Nowy Jork wzniósł w powietrze swoje miniaturowe konstrukcje napędzane tłokowymi silniczkami modelarskimi. Nazwał je „maszynami Charybdy" (od mitologicznego wiru morskiego), ponieważ cały aparat wirował wokół własnego środka masy podczas lotu.

Idea monokoptera rozwinęła się przede wszystkim w świecie modelarstwa lotniczego, zdobywając szczególną popularność w Europie Wschodniej. Rekordy ustanawiali m.in. György Horváth z Węgier, Siergiej Worobiew z Rosji i Steffan Purice z Rumunii, budując monokoptery swobodnie latające osiągające imponujące wyniki. W Stanach Zjednoczonych do wyjątków należał Francis Boreham ze swoim „Buzzcopter" z 1964 roku i Ken Willard, który w 1984 roku zaprezentował model „Rotoriser".

Istotnym krokiem naprzód było zastosowanie napędu rakietowego. W 1969 roku Gordon Mandell z MIT zaprojektował monokopter napędzany silnikiem rakietowym, nazwany „turbocopter", a w latach 80. Korey Kline z Tripoli Rocketry Association budował efektowne monokoptery rakietowe, które wzbudzały entuzjazm na zlotach modelarskich. Pod koniec lat 90. temat podjęli ponownie Edward Miller z Pensylwanii, który zbudował największe monokoptery rakietowe w historii (ze skrzydłami o rozpiętości 2,4 m pokrytymi włóknem szklanym), oraz Francis Graham z Kent State University, który w 1999 roku opublikował pierwszą monografię poświęconą tym konstrukcjom.

W 2002 roku Ron Jesme zbudował pierwszy udany monokopter z napędem elektrycznym — co otwierało drogę do precyzyjnie sterowanych, cichych maszyn latających nowej generacji.

Jak działa monokopter? Zasady fizyczne

Zasada działania monokoptera opiera się na kilku kluczowych zjawiskach fizycznych, które warto omówić po kolei.

Generowanie siły nośnej

Obracające się skrzydło monokoptera działa jak wirnik helikoptera, ale o pojedynczej łopacie. Podczas obrotu profil aerodynamiczny skrzydła wytwarza różnicę ciśnień między stroną nawietrzną (dolną) a zawietrzną (górną), zgodnie z zasadą Bernoulliego. Siła nośna rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej — dwukrotne zwiększenie prędkości obrotowej daje czterokrotny wzrost siły nośnej.

Problem momentu obrotowego

W klasycznym helikopterze obracający się wirnik generuje moment reakcyjny, który chce obrócić kadłub w przeciwnym kierunku. Helikoptery kompensują to śmigłem ogonowym lub zastosowaniem dwóch przeciwbieżnych wirników. Monokopter rozwiązuje ten problem radykalnie — w wielu konstrukcjach cały aparat po prostu wiruje. To eliminuje potrzebę jakiegokolwiek mechanizmu kompensacji momentu, ale tworzy zupełnie nowe wyzwania inżynieryjne, zwłaszcza w zakresie sterowania i stabilizacji.

Stabilność i sterowanie

W monokopterach typu „cały aparat wiruje" siła odśrodkowa działa na skrzydło, utrzymując jego sztywność i zapobiegając załamaniu podczas szybkiej rotacji. Efekt żyroskopowy dodatkowo stabilizuje oś obrotu. Sterowanie odbywa się zwykle przez modulowanie ciągu (zmianę mocy silnika) synchronicznie z pozycją kątową skrzydła podczas każdego obrotu. Jeśli na przykład chcemy przesunąć monokopter w prawo, zwiększamy ciąg w tym momencie obrotu, gdy skrzydło jest po lewej stronie — w efekcie przenosi się siła nośna w kierunku prawym. Ta technika jest analogiczna do sterowania cyklicznego w helikopterze, ale realizowana elektronicznie za pomocą szybkich kontrolerów lotu.

Kwestia przeciwwagi

Ponieważ pojedyncze skrzydło wprowadza asymetrię masy, wiele monokopterów wymaga przeciwwagi umieszczonej po przeciwnej stronie osi obrotu. To dodaje masę do konstrukcji, ale minimalizuje drgania i zapewnia płynniejszy obrót. Niektóre nowoczesne projekty rozwiązują to, umieszczając akumulator i elektronikę w centralnym węźle, który służy jednocześnie jako przeciwwaga.

Monokopter kontra kwadrokopter — zalety i wady

Monokopter jako koncepcja posiada zarówno intrygujące zalety, jak i istotne ograniczenia w porównaniu z dominującymi wielowirnikowcami.

Do zalet należy przede wszystkim prostota mechaniczna — w swojej najprostszej formie monokopter ma tylko jedną ruchomą część (silnik z wirnikiem). Mniejsza liczba podzespołów oznacza mniejszą masę, mniej potencjalnych punktów awarii i niższy koszt produkcji. Ponadto w pewnych warunkach aerodynamicznych monokopter może być bardziej efektywny energetycznie niż wielowirnikowiec, ponieważ pojedyncze skrzydło nie musi radzić sobie z interferencją aerodynamiczną od sąsiednich łopat. Duża powierzchnia skrzydła w stosunku do masy pozwala osiągnąć niskie obciążenie tarczy wirnika, co przekłada się na mniejsze zapotrzebowanie mocy w zawisie.

Do wad należy z kolei trudność w sterowaniu — cykl sterowania musi być zsynchronizowany z rotacją aparatu, co wymaga zaawansowanej elektroniki i szybkich algorytmów stabilizacji. Wibracje generowane przez niezrównoważony pojedynczy wirnik mogą utrudniać integrację czułych ładunków, takich jak kamery. Kamera zamontowana na wirującym monokopterze wymaga albo mechanizmu stabilizującego (gimbala), albo zaawansowanego przetwarzania obrazu. Ponadto monokoptery są z natury mniej odporne na podmuchy wiatru niż kwadrokoptery, które mogą niezależnie regulować ciąg na czterech wirnikach.

Współczesne projekty i badania

SAMARAI — dron Lockheed Martin

Jednym z najgłośniejszych współczesnych projektów monokoptera był SAMARAI, opracowywany przez Lockheed Martin Advanced Technology Laboratories od 2006 roku w ramach programu Nano Air Vehicle agencji DARPA. Nazwa nawiązuje bezpośrednio do samary — skrzydlatego nasiona klonu.

SAMARAI składał się z dysku zawierającego akumulator i elektronikę, połączonego z pojedynczym skrzydłem, na którego końcu zamontowano śmigło napędowe. Prototyp o promieniu około 30 cm i masie 200 gramów zademonstrował pionowy start i lądowanie, stabilne zawieszenie oraz transmisję wideo na żywo z pokładowej kamery, która — obracając się wraz z aparatem — zapewniała panoramiczny widok 360° bez konieczności stosowania gimbala. Pierwszą publiczną prezentację SAMARAI przeprowadzono w sierpniu 2011 roku na konferencji AUVSI w Waszyngtonie.

Konstrukcja SAMARAI została zaprojektowana z myślą o misjach rozpoznawczych i mogła być wytwarzana na drukarkach 3D, co obniżało koszty i umożliwiało szybką personalizację pod konkretne zadania.

Monospinner — minimalizm z ETH Zurich

Innym przełomowym projektem był Monospinner opracowany w 2016 roku przez zespół profesora Raffaella D’Andrea z ETH Zurich. Chociaż nie jest to monokopter w tradycyjnym sensie (nie posiada skrzydła generującego nośność przez autorotację), Monospinner udowodnił, że kontrolowany lot jest możliwy przy zaledwie jednej ruchomej części — pojedynczym śmigle. Konstrukcja o kształcie przypominającym literę Y utrzymuje się w powietrzu dzięki precyzyjnemu sterowaniu obrotami jedynego silnika, podczas gdy całe urządzenie wolno wiruje.

Monospinner nie potrafi zawisać w klasyczny sposób jak wielowirnikowiec. Zamiast tego znajduje tzw. niekonwencjonalny punkt równowagi, w którym przy określonej stałej prędkości kątowej i sile ciągu utrzymuje się mniej więcej w jednym miejscu. Jak stwierdził D’Andrea podczas prezentacji na konferencji TED 2016, mimo prostoty mechanicznej Monospinnera, w jego elektronicznym „mózgu" zachodzi ogromna liczba obliczeń umożliwiających stabilny, sterowalny lot.

F-SAM — składany monokopter z Singapuru

Na Singapurskim Uniwersytecie Technologii i Projektowania (SUTD) zespół pod kierownictwem Shane’a Kyi Hla Wina opracował F-SAM (Folding Samara) — składany monokopter, który po rozłożeniu przypomina wirujące nasiono. Dron napędzany jest pojedynczym śmigłem zamontowanym na końcu skrzydła-kadłuba. Generuje siłę nośną dzięki obrotowi całego statku, a po lądowaniu może się złożyć do kompaktowych rozmiarów, tak że żołnierz mógłby nosić go w kieszeni. Projekt wskazywano jako obiecujący środek rozpoznania taktycznego — cichy, tani i łatwy do ukrycia po wylądowaniu.

SG60 — rekord czasu lotu

Także na SUTD zespół profesora Foonga Shaohui opracował w 2025 roku monokopter SG60 — rekordową konstrukcję o masie zaledwie 32 gramów, zdolną do kontrolowanego zawisu przez 26 minut na jednym ładowaniu. Osiągnięcie to jest wynikiem intensywnej optymalizacji opartej na algorytmach sterowanych danymi (data-driven surrogate optimization), które dostrajały kształt skrzydła, kąt natarcia i rozkład masy pod kątem minimalnego zużycia energii. Monokopter ten uzyskał wskaźnik efektywności mocy wynoszący 9,1 grama na wat — znacząco przewyższając inne mikrobezzałogowce o porównywalnych rozmiarach i masie. Zespół badawczy dąży do osiągnięcia granicy 60 minut lotu.

Zastosowania monokopterów

Choć monokoptery nie zdominowały rynku dronów, ich unikalne cechy czynią je atrakcyjnymi w kilku niszowych, ale ważnych zastosowaniach.

W dziedzinie wojskowej i rozpoznawczej monokoptery mogą służyć jako jednorazowe lub wielokrotnego użytku minidrony zwiadowcze. Ich prostota konstrukcji pozwala na masową, tanią produkcję, a cicha praca i niewielkie rozmiary utrudniają ich wykrycie. Warto zauważyć, że kamera zamontowana na wirującym monokopterze zapewnia naturalny widok panoramiczny 360° — cecha, którą tradycyjne drony muszą osiągać za pomocą kosztownych mechanizmów obrotowych.

W monitoringu środowiskowym lekkie monokoptery mogłyby pełnić rolę jednorazowych radiosond — rozsiewane z samolotu lub balonu, opadałyby powoli jak nasiona, zbierając po drodze dane o temperaturze, wilgotności czy jakości powietrza. Powiązany projekt wielokrotnego użytku lekkiej radiosondy opartej na tej technologii zdobył nagrodę za zrównoważony rozwój w konkursie James Dyson Award 2024.

Wreszcie monokoptery stanowią cenną platformę badawczą w aerodynamice, biomimetyce i robotyce. Pozwalają testować granice minimalizmu konstrukcyjnego w lotnictwie i weryfikować teorie dotyczące lotu autorotacyjnego, rozwijane na podstawie obserwacji naturalnych samar.

Przyszłość monokoptera

Monokopter, choć nie zagraża pozycji kwadrokopterów jako dominującego typu dronów konsumenckich, ma przed sobą intrygującą przyszłość. Postęp w miniaturyzacji elektroniki, algorytmach sztucznej inteligencji do stabilizacji lotu oraz materiałoznawstwie sprawia, że coraz łatwiej jest budować niezwykle lekkie, efektywne energetycznie i tanie monokoptery.

Wizja rozsiewania tysięcy miniaturowych monokopterów-sensorów z pokładu samolotu nad obszarem klęski żywiołowej, pożaru lasu czy strefy konfliktu — wizja, w której każdy z tych maleńkich aparatów opadałby jak nasionko klonu, zbierając dane i przekazując je do centrum dowodzenia — jest coraz bliższa realizacji. Natura, która doskonaliła aerodynamikę samar przez miliony lat ewolucji, oferuje inżynierom gotowy szablon. Potrzeba jedynie dostatecznej pomysłowości, by go właściwie wykorzystać.

Literatura i źródła

  • Lentink, D., Dickson, W.B., Van Leeuwen, J.L., Dickinson, M.H. (2009). Leading-edge vortices elevate lift of autorotating plant seeds. Science, 324, 1438–1440.
  • Lee, S.J., Lee, E.J., Sohn, M.H. (2014). Mechanism of autorotation flight of maple samaras (Acer palmatum). Experiments in Fluids, 55, 1718.
  • Cai, X., Zhong, S., Tan, T.M., Ang, W.J., Foong, S. (2025). Design and optimization of a samara-inspired lightweight monocopter for extended endurance. IEEE Robotics and Automation Letters, 10(7), 7214–7221.
  • Graham, F.G. (2003). An Overview of the History and Dynamics of Monocopters. AIAA/ICAS International Air and Space Symposium and Exhibition, Dayton.
  • Carbonel, J.-C. (2006). Le gyroptère de Papin et Rouilly. Air Magazine (Paris: TMA), nr 30.
  • Lambermont, P.M., Pirie, A. (1970). Helicopters and Autogyros of the World. Barnes, s. 445.
  • Monocopter – Wikipedia, wolna encyklopedia (encyklopedia internetowa)
  • Pearce, W. (2012). Papin-Rouilly Gyroptere (Gyropter) — Old Machine Press (artykuł historyczno-techniczny)
  • Atherton, K.D. (2021). Watch this tiny spinning drone fly like a samara seed — Popular Science (artykuł popularnonaukowy)
  • Coxworth, B. (2011). Lockheed Martin's Samarai monocopter — New Atlas (portal technologiczny)
  • ETH Zurich (2016). Meet the flying machines of the future — ETH News (serwis informacyjny uczelni technicznej)