PB-BSL-2 GWIAZDA WSCHODU BEZZAŁOGOWY STATEK LATAJĄCY PB-BSL-2 GWIAZDA WSCHODU BEZZAŁOGOWY STATEK LATAJĄCY POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY STUDENCKIE KOŁO NAUKOWE MECHANIKI I INFORMATYKI STOSOWANEJ MIĘDZYUCZELNIANE INŻYNIERSKIE WARSZTATY LOTNICZE BEZMIECHOWA, WRZEŚNIA 2010 PB-BSL-2 GWIAZDA WSCHODU BIAŁYSTOK /24

2 1. Wprowadzenie 1.1. Informacje ogólne PB-BSL-2 Gwiazda Wschodu jest modelem samolotu przeznaczonym do obserwacji z powietrza obiektów naziemnych. Dzięki układowi motoszybowca może samodzielnie startować i nabierać wysokości oraz w zależności od warunków pogodowych dokonywać przelotów nie zużywając energii na pracę silnika. Model powstał w ramach działalności Studenckiego Koła Naukowego Mechaniki i Informatyki Stosowanej. Jest to już drugi wyjazd studentów Politechniki Białostockiej na zawody. W roku 2009 ekipa z Białegostoku zajęła 5 miejsce z modelem PB-BSL-1 Podlasky. Strona internetowa projektu: Organizacja zespołu dr Andrzej Łukaszewicz Opiekun naukowy projektu. Wojciech Głażewski Opracowanie konstrukcji modelu, wzornictwo, opracowanie dokumentacji, budowa płatowca. Szymon Zimnoch Opracowanie wyposażenia elektronicznego, budowa modelu, pilotaż, prowadzenie strony internetowej projektu. Krystian Jasiński Budowa modelu. Filip Pul Wykonanie katapulty do automatycznego startu. Adriana Sitkowska Wykonanie spadochronu do systemu bezpiecznego odzysku płatowca. Jan Połubiński Konsultant. 2. Projekt koncepcyjny systemu System jest przeznaczony do długotrwałej obserwacji obiektów nieruchomych (budynków, określonych lokalizacji), obiektów liniowych o znacznej długości (linii przesyłowych, granic państw, rurociągów) lub większych obszarów (patrolowania lasów). Programowanie autopilota będzie uwzględniało wykorzystanie silnika tylko do nabrania wysokości, natomiast kolejne etapy zadania będą wykonywane lotem slizgowym. Zaletami takiego rozwiązania są: oszczędność energii brak zakłóceń od silnika brak hałasu (przy obserwacji nocnej płatowiec byłby wykrywalny tylko radarem). Do wad należą: ograniczona manewrowość mniejsza prędkość. 2/24

3 2.1. Założenia projektowe Wymagania konkursowe dotyczące płatowca: Maksymalna masa startowa do 5 kg. W stanie gotowym do transportu płatowiec musi zmieścić się w pojemniku transportowym o wymiarach wewnętrznych 1000x300x350 mm. Pojemnik transportowy pojemnik, który zabezpiecza główne elementy systemu (bez stacji naziemniej) takie jak skrzydła, kadłub usterzenie, wyposażenie pokładowe. Wyposażenie bezpieczeństwa: BSL musi być wyposażony w system odzysku (spadochronowy bądź inny), zapewniający wyhamowanie prędkości lotu i lądowanie z prędkością pionową nie większą niż 7 m/s Sposób realizacji misji Start następuje z ręki a wznoszenie na silniku. Przelot na miejsce wykonywania zadań może odbywać się z wykorzystaniem napędu (w trudnych warunkach pogodowych lub jeśli konieczna jest większa prędkość) albo lotem ślizgowym, oszczędzając energię akumulatora. Po wykonaniu zadania i powrocie na miejsce lądowania, następuje wyłączenie silnika, rozwinięcie spadochronu i swobodne opadnięcie (najlepiej na podłożu trawiastym, ewentualnie piaszczystym) Wybór układu i podziałów płatowca Płatowiec ma układ górnopłata, posiada jeden silnik ze śmigłem ciagnącym oraz usterzenie motylkowe. Samolot podzielono na 8 modułów. Opis Wymiary Masa Lewe ucho płata z lotką Lewy centropłat Prawe ucho płata z lotką Prawy centropłat Dziobowa część kadłuba z silnikiem, komorą wyposażenia i komorą akumulatora Tylna część kadłuba z belką kadłubową i mocowaniem stateczników Lewy statecznik Prawy statecznik 2.4. Dobór głównych parametrów geometrycznych i masowych DANE TECHNICZNE MODELU: Rozpiętość: 3175 mm Długość: 1763 mm Wysokość: 376 mm Masa modelu gotowego do lotu: 3000 g Profil płata: SD7037 Kąt natarcia płata: 2 Kąt zaklinowania statecznika poziomego: -2 Powierzchnia nośna skrzydeł: 70 dm2 Obciążenie pow. nośnej płatowca: 42,9 g/dm2 Powierzchnia rzutu poziomego stateczników: 10,44 dm2 Powierzchnia rzutu pionowego stateczników: 7,31 dm2 3/24

4 3. Naziemna stacja kontroli lotu 3.1. Naziemna stacja kontroli lotu NSKL ma postać walizki w której znajduje się 15-calowy monitor LCD. Sygnały z BSL-a odbierane są za pomocą kierunkowej anteny panelowej zamontowanej na wysięgniku rozkładanym z wnętrza stacji. Cały lot jest rejestrowany. Do NSKL podłączony jest komputer wyświetlający trasę lotu. Stacja ma własne zasilanie Planowanie i analiza misji Oprogramowanie NSKL pozwala na naniesienie na mapę obszaru misji punktów charakterystycznych i zaplanowanie trasy. W trakcie lotu możemy na ekranie monitora kontrolować zgodność aktualnego położenia płatowca względem założonej trasy Zobrazowanie danych Na moniotrze w NSKL wyświetlany jest, w czasie rzeczywistym, obraz z kamery pokładowej. Na obraz nałożone są następujące parametry: - współrzędne GPS - prędkość względem ziemi - odległość od stacji bazowej - wskaźnik położenia płatowca w stosunku do stacji bazowej - wysokość płatowca względem poziomu stacji bazowej - wariometr - prędkość - azymut - napięcie na akumulatorach - pomiar natężenia prądu pobieranego przez silnik - wskaźnik temperatury otoczenia Oprócz tego, na komputerze stacji bazowej wyświetlany jest przebieg trasy lotu. 4/24

5 3.4. Łączność samolot-nskl (data link) Do trasnmisji danych wykorzystujemy radiowy link audio-video. Torem video jest przesyłany obraz z kamery oraz przetworzone dane z GPS poprzez OSD. Torem audio przesyłamy surowe dane z GPS poprzez audiomodem. 4. Systemy pokładowe 4.1. Pokładowe układy pomiarowe Czujnik temperatury Pomiar temperatury na zewnątrz płatowca. Realizacja na podstawie czujnika temperatury LM35DZ. Pomiar odbywa się w zakresie stopni C. Vout czujnika jest liniowe i 1 stopień C przypada na 0,01V a 100 stopni C na 1V. Dzięki temu czujnik nie wymaga skalowania co by było kłopotliwe bez laboratorium. Można mierzyć nim temperaturę ujemną, lecz producent nie zapewnia już prawidłowości wskazań. Pomiar temperatury ma posłużyć do analizy czynnika chłodzącego przy różnych prędkościach wiatru (wzgledem prędkości płatowca) oraz wysokości. Można również wykorzystac czujnik do pomiaru temperatury regulatora, czy pakietu zasilającego. Dane z czujnika są przetwarzane w układzie OSD i nanoszone na obraz w czasie rzeczywistym. GPS GPS na pokładzie zczytuje pozycję z częstotliwością 5Hz. Czujnik prądu Zakres pomiarowy czujnika prądu wynosi od 0 do 100A. Pomiar napięcia Na bieżąco monitorowany jest stan naładowania pakietów zasilających. Przetworniki A/C Zamieniają sygnały analogowe z czujników na sygnały cyfrowe dla systemu OSD Komputer pokładowy W obecnej konfiguracji wyposażenia płatowca nie ma potrzeby instalowania na pokładzie komputera Systemy rozpoznania Kamera Przetwornik CCD 1/3", 540 linii. Obiektyw 2.8mm. Aparat fotograficzny Canon PowerShot SD400, 5Mpix, przystosowany do zdalnego wyzwalania migawki. 5. Urządzenie startowe 5.1. Założenia Katapulta ma rozpędzić model do prędkości pozwalającej na rozpoczęcie lotu. Ma być łatwa i szybka w montażu, wytrzymała na ewentualne nieprzewidziane uszkodzenia oraz na niesprzyjające warunki atmosferyczne. Przy masie modelu wynoszącej 3kg i niezbędnej minimalnej prędkości lotu 10m/s, wymagana energia którą katapulta powinna nadać płatowcowi wynosi: Ek=(m*v2)/2=(3kg*(10m/s)2)/2=150J 5/24

6 5.2. Wykonanie Katapulta ma konstrukcję drewnianą - prowadnice z drewna sosnowego, łączniki dębowe, elementy ze sklejki wodoodpornej. Drewno zakonserwowane jest przez impregnację termiczną preparatem na bazie wosku, co po wypolerowaniu dodatkowo zmiejsza tarcie pomiędzy wózkiem i prowadnicą. Katapulta dzielona jest na 6 elementów nie dłuższych niż 1,3m ze względów transportowych. Element sprężysty wykonany jest z gumy modelarskiej, wielokrotnie składanej i splecionej w warkocz. Kąt nachylenia katapulty względem podłoża wynosi 15 stopni. Pomiary: Po naciągnięciu wózka, siłomierz wskazał siłę 160N. 6. System odzysku 6.1. Sposób zabudowy i użytkowanie Płatowiec wyposażony jest w spadochron. Przedział spadochronu znajduje się tuż za płatem. Spadochron próbny został wykonany z 6 foliowych brytów. Bryty zostały połączone na gorąco za pomocą zgrzewarki elektrycznej. Dodatkowo spadochron posiada wzmocnienia wewnętrzne, wykonane z cienkich linek. Wzmocnione zostały podstawa oraz góra czaszy spadochronu. Ponadto, każda z linek mocujących została zamocowana wewnątrz spadochronu na długości 200mm od podstawy czaszy. W trakcie lotu, spadochron będzie uwalniany poprzez podniesienie klapki osłaniającej luk. Pęd powietrza poderwie klapkę, która wyciągnie spadochron na zewnątrz. DANE TECHNICZNE SPADOCHRONU Średnica podstawy czaszy: 1260mm Powierzchnia podstawy czaszy: 124,67dm2 Objętość podstawy czaszy: 3960mm Promień czaszy: 630mm Objętość czaszy: 52,45dm3 6/24

7 Spadochron próbny w czasie testów Obliczenia Wykonano spadochron testowy. Podczas testów, prędkość opadania wyniosła około 3m/s przy masie obciążenia 0,5kg. Można założyć, że przy masie 1kg prędkość opadania będzie wynosiła 6m/s, czyli poniżej zakładanej granicy. Czyli, dla modelu o masie 3 kg wymagana objętość czaszy powinna wynosić 150dm3. 7/24

8 4. Projekt wstępny płatowca 4.1. Obliczenia charakterystyk aerodynamicznych Obliczenia wykonano w programie XFLR5. Profil SD7037 krzywe biegunowe Cl(Cd) Analiza skrzydła 10 m/s (36 km/h) Wyznaczanie środka aerodynamicznego metodą LLT = 60 mm. 8/24

9 Wyznaczanie środka aerodynamicznego metodą VLM = 65 mm. Sprawność aerodynamiczna Cl/Cd; porównanie wyników metod LLT i VML; maksimum α(cl/cdmax) 3.5⁰ 9/24

10 Moc Cl3/2/Cd; porównanie wyników metod LLT i VML; maksimum α(cl3/2/cdmax) Siła nośna 10/24

11 Sprawność Moc Siła nośna 11/24

12 Analiza samolotu: kąt zaklinowania płata = 2, statecznika = 0 Porównanie wyników dla prędkości 10 m/s i 20 m/s. Wyznaczanie położenia CG: moment zadzierający zeruje się dla CG = 100 mm, posiadając przy tym bardzo duży zapas stateczności (charakterystykę neutralną uzyskuje się dopiero dla CG = 200 mm). 12/24

13 Analiza prędkościowa dla 3 kg: prędkość bezpieczna powyżej 9 10 m/s Po poprawkach wprowadzających kąt zaklinowania statecznika -3 samolot będzie miał tendencję do ciągania ogona lub zadzierania. Akcja statecznika do dołu jest zbyt duża. Moment zadzierający zeruje się przy α = 2 (CG = 100 mm). Przesuniecie CG do położenia 40 mm poprawia sprawę kosztem pogorszenia sterowności pionowej (polepszenia i tak już dużej stateczności). Pozostawienie CG = 100 mm wymusi pewnie trymowanie steru wysokości (opuszczenie powierzchni sterowych do dołu). 13/24

14 Lot poziomy. Wznoszenie pod katem 2 (moment zadzierający zerowy). 14/24

15 6. Projekt konstrukcyjny płatowca 6.1. Struktura nośna i podziały płatowca Kadłub Kadłub ma wręgi i podłużnice z przekładki balsowo-sklejkowej grubości 5,5mm. Pokryty jest balsą 2,5mm i impregnowany lakierem akrylowym. Rura kadłubowa jest wykonana z laminatu i pokryta lakierem nitro. Kadłub jest dzielony tuż za przedziałem spadochronowym. Łączenie odbywa się przy pomocy czterech metalowych śrub Płaty Płaty mają konstrukcję żeberkowo-dźwigarową. Żeberka wykonano z balsy 2,5mm. Krawędź natarcia wykonano z balsy naklejonej na płaskowniku węglowym, krawędź spływu także zrobiono z balsy. Płaty posiadają keson z góry i dołu. Pokrycie płatów stanowi folia termokurczliwa. Płaty są łączone z kadłubem przy pomocy dwóch bagnetów stalowych, a uszy z częścią centralną przy pomocy bagnetów szklanych i węglowych Stateczniki Stateczniki wykonane są z deseczek balsowych grubości 5mm i wzmocnione dźwigarami węglowymi. Pokryte są lakierem akrylowym Zabudowa systemów pokładowych W pierwszym przedziale znajduje się akumulator. Pod nim jest miejsce na regulator oraz komora kamery wideo. Pod płatem jest glówna komora ładunkowa gdzie znajduje się odbiornik RC, aparat fotograficzny i elektronika. Za płatem znajduje się komora spadochronu Dokumentacja rysunkowa Rysunek gabarytowy - 3 rzuty kompletnego BSP Rysunek BSP zdemontowanego do transportu w skrzyni Rysunek złożeniowy podział na podzespoły 15/24

16 7. Opis budowy 7.1. Zastosowane technologie Ze względu na brak urządzeń do laminowania próżniowego oraz ograniczony budżet, płatowiec został zaprojektowany do wykonania w sposób tradycyjny. Przyspieszono proces budowy, poprzez wycinanie elementów w balsie i sklejce za pomocą lasera Przebieg budowy Zalaminowano stateczniki. Ropoczęto montaż płatów. 16/24

17 Ciąg dalszy montażu konstrukcji centropłata. Rozpoczęto montaż uszu Wklejanie dźwigarów i rurek mosiężnych jako kieszeni bagnetów. 17/24

18 Zakończono montaż konstrukcji płatów. Rozpoczęto montaż szkieletu kadłuba. 18/24

19 Klejenie kesonów Przyklejanie kesonów uszu. 19/24

20 Montaż przedniej części kadłuba. Laminowanie płatów. 20/24

21 Montaż środkowej części kadłuba. Oklejanie centropłatów. 21/24

22 Ustalanie geometrii i wklejanie rury ogonowej. 22/24

23 7.3. Spis materiałów i oprzyrządowania Płatowiec: - balsa 2,5 mm - sklejka 1 mm - listwy węglowe - laminat szklano-epoksydowy - folia termokurczliwa Oprzyrządowanie: - narzędzia ręczne - ręczna szlifierka modelarska - przyrząd do sprawdzania poziomu i ustalania kątów 7.4. Powtarzalność wyrobu, modułowość i zamienność Ze względu na dużą pracochłonność konstrukcji, płatowiec nie nadaje się do produkcji komercyjnej, ale zastosowane rozwiązania zapewniają dużą elastyczność. Brak jest profilowanego przejścia kadłub-skrzydło, więc można zastosować płaty o innym profilu. Kopułka kryjąca kamerę ma standardowy rozmiar, więc wyposażenie optyczne może być wymienione według uznania. Można zastosować tylną część kadłuba z innym usterzeniem np. typu T Kosztorys projektu Materiały na konstrukcję płatowca 1 280,00 zł Zespół napędowy (silnik, regulator) 400,00 zł Pakiety zasilające 600,00 zł Aparatura RC 1 200,00 zł System transmisji obrazu i danych 2 200,00 zł Stacja naziemna 940,00 zł Ładowarka, balanser, zasilacz 630,00 zł Akcesoria 300,00 zł Razem 7 550,00 zł 8. Program prób 8.1. Próby w locie W podczas przygotowań przed oblotem okazało się, że środek ciężkości jest za bardzo przesunięty do tyłu i pierwsze loty ślizgowe służyły dobraniu odpowiedniego dociążenia oraz wytrymowaniu sterów. Model dobrze reaguje na polecenia pilota, wychylenia sterów zostały nawet ograniczone Próby układu sterowania wraz ze stacją naziemną Zaobserowowano, że sygnał radiowy z nadajnika video powoduje powstanie drgań i szarpnięć w serwomechanizmach. Rozwiązano ten problem poprzez oddalenie go od serw i przeniesienie go na ogon. 23/24

24 8.3. Próby systemu ratunkowego Ponieważ wykonano tylko próbny spadochron, próby jego działania przeprowadzono wyrzucając go z ręki. Pozwoliły one okeślić przybliżoną powierzchnię spadochronu docelowego Próby systemów rozpoznawczych W podczatransmisja obrazu i danych przebiega bez problemu, nawet do odległości 2 kilometrów. Dają się zauważyć tylko chwilowe zaszumienia obrazu Podsumowanie prób Najważniejszym wyznacznikiem słuszności koncepcji i sprawności systemu będzie rekordowy lot do Supraśla, miejscowości oddalonej od Białegostoku o 15 kilometrów. 24/24