Międzywydziałowe Koło Naukowe High Flyers Politechnika Śląska Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki 44-100 Gliwice, Akademicka 16 e-mail: high.flyers@polsl.pl www.uav.polsl.pl Motoszybowiec bezzałogowy POLSL HF-1 ORZEŁ Dokumentacja techniczna
Spis treści: Wprowadzenie... 4 Międzywydziałowe Koło Naukowe High Flyers... 4 Lista osób i podział prac... 4 Zrealizowane prace przejściowe, inżynierskie, magisterskie w ramach opracowywania systemu.... 5 Projekt koncepcyjny systemu... 6 Przedstawienie założeń projektowych... 6 Wybór układu i podziałów płatowca... 6 Dobór głównych parametrów geometrycznych i masowych płatowca... 7 Naziemna stacja kontroli lotu... 7 Naziemna stacja kontroli lotu (NSKL)... 7 Planowanie i analiza misji... 8 Zobrazowanie danych... 8 Łączność obiektu z naziemną stacją kontroli lotów(data link)... 9 Opis strategii wykonania zadania... 10 Wymóg podania procedur bezpieczeństwa i awaryjnych... 10 Systemy pokładowe... 11 Pokładowe układy pomiarowe... 11 Komputer pokładowy ( schemat blokowy )... 15 Systemy rozpoznania... 17 Urządzenie startowe (np. katapulta)... 18 Procedury bezpieczeństwa przy starcie... 18 System odzysku (np. spadochron)... 18 Projekt wstępny płatowca BSP... 20 Obciążenia w locie i obsługowe... 20 Projekt konstrukcyjny płatowca BSP... 20 Opis struktury nośnej i podziałów płatowca... 20 Opis zabudowy systemów pokładowych w BSP ( sterowanie, rozpoznawczy, ratowniczy)... 21 Obliczenie wyważenia... 21 Opis budowy... 22 Zastosowane technologie... 22 Przebieg budowy - etapy (czas niezbędny do budowy)... 30 Spis materiałów i oprzyrządowania użytych do budowy... 30 Powtarzalność wyrobu, modułowość i zamienność... 31 2
Profile i skrzydła statecznika... 31 Kosztorys projektu (sposób pozyskania środków, czas rozwoju projektu)... 32 Opis procesu integracji obiektu z systemem sterowania automatycznego... 35 Model matematyczny... 35 Model symulacyjny... 40 Opis badań w locie... 44 Próby systemów łączności... 44 Próby systemu ratunkowego... 46 Próby systemów rozpoznawczych... 47 Zastosowany układ napędowy... 48 Instrukcja postępowania załogi w sytuacjach szczególnych w locie... 49 ZAŁĄCZNIK 1... 50 ZAŁĄCZNIK 2... 51 3
Wprowadzenie Międzywydziałowe Koło Naukowe High Flyers W listopadzie 2010 roku, z inicjatywy studentów Politechniki Śląskiej, powstało Koło Naukowe High Flyers (opiekunowie: dr inż. Roman Czyba, mgr inż. Grzegorz Szafrański). Celem organizacji jest poszerzanie specjalistycznej wiedzy z zakresu projektowania, budowy i eksploatacji autonomicznie sterowanych obiektów latających typu UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle). Organizacja skupia studentów pasjonujących się elektroniką, mechaniką, informatyką, modelarstwem lotniczym, modelowaniem i projektowaniem CAD oraz analizą obrazów cyfrowych. Studenci mogą wykorzystać zdobytą wiedzę i doświadczenie w realizowanych projektach (np. prace przejściowe, prace dyplomowe itp.) oraz biorąc udział w zawodach, które są świetną okazją do porównania własnych umiejętności z innymi zespołami. Udział w tego typu przedsięwzięciach prowadzonych w ramach koła naukowego jest dużym wyzwaniem dla młodych ludzi, ale zarazem doskonałą okazją do sprawdzenia swoich umiejętności i poszerzenia wiedzy technicznej. Międzywydziałowe Koło Naukowe High Flyers Politechnika Śląska Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 16 e-mail: high.flyers@polsl.pl Lista osób i podział prac Dominik Wybrańczyk student 5-go roku Elektroniki i Telekomunikacji na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, prezes Zarządu MKN High Flyers, kierownik projektu MIWL 2012, współodpowiedzialny za wykonanie układu elektronicznego Autopilota dla motoszybowca HF-1 Orzeł. Michał Ożga absolwent Elektroniki i Telekomunikacji na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, projektant i główny wykonawca układu elektronicznego Autopilota dla bezzałogowca HF-1 Orzeł. Marcin Kolny student 2-go roku Informatyki na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, wiceprezes Zarządu MKN High Flyers do spraw Projektów, projektant i główny wykonawca Naziemnej Stacji Kontroli Lotów GCS. Tomasz Siwy student 2-go roku Mechatroniki na wydziale Mechanicznym Technologicznym, wiceprezes Zarządu MKN High Flyers, główny projektant i wykonawca czujnika kąta natarcia i ślizgu Pelikan II, współodpowiedzialny za wykonanie Radiolinii i Trackera do motoszybowca HF-1 Orzeł oraz za zakupy do jego budowy i organizację wyjazdu zespołu High Flyers na Warsztaty. Marcel Smoliński student 3-go roku Mechatroniki na wydziale Mechanicznym Technologicznym, współodpowiedzialny za budowę płatowca i systemu odzysku, projektant i wykonawca systemu elektrycznego bezzałogowca HF-1 Orzeł. 4
Krzysztof Płatek student 3-go roku Mechatroniki na wydziale Mechanicznym Technologicznym, główny projektant i wykonawca płatowca HF-1 Orzeł. Wojciech Janusz absolwent kierunku Automatyka i Robotyka, aktualnie student studiów doktoranckich na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, autor modelu symulacyjnego płatowca HF-1 Orzeł. Mateusz Pawłucki student 2-go roku Mechatroniki na wydziale Mechanicznym Technologicznym, współodpowiedzialny za wykonanie czujnika kąta natarcia i ślizgu Pelikan II. Marcin Janik student 2-go roku Makrokierunku na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, współodpowiedzialny za wykonanie układu elektronicznego Autopilota dla motoszybowca HF-1 Orzeł. Oliver Kurgan student 2-go roku Automatyki i Robotyki na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, główny projektant i wykonawca systemu oświetlenia samolotu RC (ang. Radio Control) oraz części elektronicznej układu Trackera dla bezzałogowca HF-1 Orzeł. Łukasz Szczurowski student 2-go roku Automatyki i Robotyki na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, brał udział w wykonaniu systemu oświetlenia samolotu RC oraz części elektronicznej układu Trackera, zbudował osłonę dla Naziemnej Stacji Kontroli Lotu GCS. Piotr Tracichleb student 2-go roku Automatyki i Robotyki na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, współodpowiedzialny za wykonanie czujnika kąta natarcia i ślizgu Pelikan II, zbudował skrzynię transportową dla motoszybowca HF-1 Orzeł. Agnieszka Ziebura studentka 2-go roku Automatyki i Robotyki na wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, wiceprezes Zarządu MKN High Flyers, odpowiedzialna za organizację wyjazdu i pobytu drużyny High Flyers na Warsztatach. Zrealizowane prace przejściowe, inżynierskie, magisterskie w ramach opracowywania systemu. Michał Ożga praca magisterska Autopilot szybowca zboczowego. Dominik Wybrańczyk praca magisterska Sterowanie wielowirnikową platformą latającą. Wojciech Janusz praca magisterska Identyfikacja wybranego modelu dynamicznego samolotu w środowisku JSBSim oraz porównanie wyników z oryginalnym opisem modelu. 5
Projekt koncepcyjny systemu Przedstawienie założeń projektowych Celem projektu opracowanie bezzałogowego motoszybowca zdolnego do lotu autonomicznego i przekazu obrazu video z pokładu w celu identyfikacji wymaganych obiektów naziemnych. Płatowiec musi spełniać wymogi regulaminu zawodów. Wymogi wobec kadłuba: zawiera mechanizm chowający kamerę zawiera spadochron jest zdolny pomieścić duży pakiet akumulatorów z przodu kadłuba znajduje się silnik wraz ze śmigłem ciągnącym dzielony w połowie posiada miejsce na płytę główną autopilota do którego łatwo się dostać Wybór układu i podziałów płatowca Płatowiec został stworzony w konfiguracji motoszybowca - górnopłata z usterzeniem krzyżowym (wyposażonym w pływający ster wysokości), który jest napędzanego silnikiem elektrycznym umieszczonym w dziobie kadłuba wraz ze składanym śmigłem ciągnącym. Konstruktorzy założyli, że motoszybowiec zużywa mniej energii by utrzymać się w powietrzu niż samolot, w którym silnik musi pracować w trybie ciągłym. Dzięki skrzydłom o dużej rozpiętości prezentowany płatowiec jest zdolny do długich przelotów z wyłączonym napędem. Duża rozpiętość skrzydeł i wznios na uszach sprawiają, że motoszybowiec leci stabilnie nawet w silnym wietrze. Specjalnie zaprojektowany płat, odlewany z form, stworzony został z myślą o długich szybowcowych termicznych lotach w zawodach modelarskich kategorii F3J (w których wymagany jest lot na długotrwałość). Dzięki takim skrzydłom, prezentowany motoszybowiec posiada imponującą doskonałość lotu ślizgowego. Zastosowany pływający ster wysokości pozwala na bezproblemowe korygowanie kąta zaklinowania skrzydła w trakcie lotu, co ułatwia wyregulowanie samolotu nawet w przypadku niewielkiego niedoważenia całego płatowca. Zasadniczo cały płatowiec dzieli się na następujące części: 1. Dziób wraz z demontowaną kabinką. 2. Belka ogonowa wraz ze stałym sterem kierunku. 3. Dwie lustrzane połówki pływającego steru wysokości. 4. Lewa połowa centropłata. 5. Prawa połowa centropłata. 6. Bagnet węglowy do centropłata. 7. Lewe ucho z lotką. 8. Prawe ucho z lotką. 9. Dwa węglowe bagnety łączące uszy z centropłatem. 10. Dwa pręty węglowe łączące połówki steru wysokości. 6
Dobór głównych parametrów geometrycznych i masowych płatowca Dane techniczne motoszybowca POLSL HF-1 ORZEL : Rozpiętość: 3500 mm Długość: 1680 mm Wysokość: 430 mm Masa do lotu: około 5 kg Profil płata: MH32 Kąt natarcia płata: 2 Wznios centropłata: 1.5 Wznios na uszach: 3 Powierzchnia nośna skrzydeł: 67 dm2 Obciążenie pow. nośnej płatowca: około 76,2 g/dm 2 Naziemna stacja kontroli lotu Naziemna stacja kontroli lotu (NSKL) Naziemna stacja kontroli lotu składa się z komputera przenośnego, odbiornika video, joysticka, aparatury RC oraz radiomodemu. Na komputerze uruchamiany jest autorski program GCS, którego zrzut ekranu zamieszczony jest poniżej. 7
Aplikacja została zaprojektowana z myślą o polowych zastosowaniach obiektu latającego. Interfejs użytkownika jest czytelny, przyciski zostały rozmieszczone w taki sposób, aby można było do nich szybko dotrzeć (maksymalne zagłębienie aplikacji to drugi poziom), a ich rozmiar umożliwia wygodną pracę nawet na urządzeniach dotykowych. Planowanie i analiza misji Planowanie misji polega na przełączaniu komponentu mapy w tryb edycji i naniesieniu w graficzny sposób odpowiednich punktów na mapę (koordynaty można również wprowadzać z klawiatury). W każdej chwili można przesunąć naniesiony punkt trasy oraz go usunąć. W czasie rzeczywistym rysowana jest teoretyczna trasa przelotu. Trasę można również edytować podczas lotu samolotu na bieżąco zmieniać współrzędne celów samolotu. Podczas lotu operator może sam decydować o tym, który punkt trasy ma być aktualnym celem obiektu latającego lub pozwolić na dotarcie do punktów w zaplanowanej kolejności. Podczas lotu aplikacja pokazuje odległość samolotu od bazy (ustawionej przez naniesienie punktu na mapę lub przez pobranie aktualnej współrzędnej z GPS) oraz od następnego punktu trasy. NSKL umożliwia też zapisanie wcześniej przygotowanej trasy do pliku, a następnie załadowanie go do programu, dzięki czemu operator ma możliwość kilkukrotnego wykonania dokładnie tej samej misji. Oprócz punktów trasy istnieje również możliwość nanoszenia na mapę tzw. znaczników punktów z opisami. Mogą one posłużyć np. do oznaczania lokalizacji znalezionych obiektów. Zobrazowanie danych Podczas lotu na mapie w czasie rzeczywistym rysowana jest ścieżka lotu samolotu. W każdej chwili można ją zapisać oraz później załadować, aby operator mógł przeanalizować trasę lotu. Ponadto stacja kontroli naziemnej wizualizuje parametry lotu przez zgromadzenie grupy kontrolek w osobnej zakładce. Oprócz tego, parametry widoczne są również w górnej części ekranu, aby można było mieć do nich ciągły dostęp. 8
Łączność obiektu z naziemną stacją kontroli lotów(data link) W celu zapewnienia niezawodnej i stabilnej łączności platformy latającej z Naziemną Stacją Kontroli Lotu zaimplementowano moduły XBee-PRO 868 firmy DIGI International (Maxstream). Technologia XBee umożliwia transmisję danych z różnych źródeł na duże odległości nawet w warunkach przemysłowych. Specyfikacja: Zasięg w terenie zabudowanym: do 550 m Zasięg w terenie niezabudowanym: do 40 km (antena dipolowa) Moc nadawcza: programowalna od 1mW do 315 mw Czułość odbiornika: -112 dbm Interfejs: UART Metoda konfiguracji: komendy AT lub API Częstotliwość: 868 MHz Prędkość transmisji danych: 1,2-230,4 Kbps Napięcie zasilania: 3,0 3,6 V Pobór prądu w trakcie transmisji: 500 ma @ 3,3V (max 800 ma) Pobór prądu w trakcie odbioru: 65 ma 9
Stosunkowo wysoka moc maksymalna daje możliwość komunikacji na duże odległości. Dzięki temu moduł można zastosować w aplikacjach wymagających sporego zasięgu. Jest to także pierwszy moduł wykorzystujący technologie AFA (Adaptive Frequency Agility) oraz LBT (Listen Before Talk), które eliminują zakłócenia poprzez nasłuchiwanie otoczenia przed rozpoczęciem transmisji. Najważniejsze cechy: Prosta konfiguracja za pomocą X-CTU Technologia AFA oraz LBT Możliwość pracy w różnych topologiach Opis strategii wykonania zadania Strategia wykonania zadania opiera się o kilka punktów: 1. Zapoznanie się z celem misji. 2. Określenie celu. 3. Dobranie punktu startowego tak, aby cel misji znajdował się w zasięgu operacyjnym platformy latającej. 4. Dobranie punktów trasy (waypointów) do charakteru misji. 5. Wykonanie misji. Wymóg podania procedur bezpieczeństwa i awaryjnych Stosowane procedury obejmują swoim zakresem wszystkie działania podejmowane od momentu wystąpienia sytuacji kryzysowej do czasu powrotu do normalnej działalności. Priorytetowym celem przytoczonych poniżej instrukcji jest zachowanie bezpieczeństwa tak, aby nie spowodować wypadku samolotu, ale jednocześnie w taki sposób, aby w momencie naprawienia usterki móc kontynuować lot. Postępowanie w przypadku zawieszenia się aplikacji GCS W momencie wystąpienia takiej sytuacji osoba odpowiedzialna przeprowadza reset aplikacji. Jednocześnie w momencie, gdy samolot znajduje się w zasięgu wzroku, następuje przełączenie na sterowanie manualne, powrót do bazy i bezpieczne lądowanie. Aplikacja nie otrzymuje danych z czujników (czujnik wysokości, GPS, AHRS) Osoba odpowiedzialna za obsługę GCS zgłasza brak informacji o samolocie sterującemu jednocześnie informując go o ostatniej otrzymanej przez system pozycji samolotu. Sterujący przejmuje kierowanie obiektem i wraca do bazy bezpiecznie lądując. Jeżeli sterujący stwierdzi, że nie jest w stanie bezpiecznie wrócić do bazy, następuje uruchomienie spadochronu awaryjnego. Aplikacja utraciła sygnał z kamery W momencie, gdy samolot znajduje się w zasięgu wzroku, następuje kontynuacja lotu, a osoba odpowiedzialna za obsługę aplikacji stara się rozwiązać usterkę. Jeżeli usterka leży po stronie samolotu, następuje podjęcie decyzji o bezpiecznym lądowaniu przy bazie. Jeżeli samolot znajduje się poza zasięgiem wzroku, nakazuje mu się powrót do bazy w trybie autonomicznym. 10
Systemy pokładowe Pokładowe układy pomiarowe Czujnik położenia (AHRS, ang. Attitude and Heading Reference Systems) projektując płytę autopilota zespół High Flyers brał pod uwagę zastosowanie dwóch różnych czujników AHRS: minimu9 oraz CH-R UM6. Zestaw czujników pod nazwą minimu9 był testowany już w poprzednich projektach koła naukowego, jednak ze względu na nietypowe zastosowanie, duże zapotrzebowanie na zasoby obliczeniowe jednostki sterującej oraz niską jakość pomiarów żyroskopu (wiarygodność pomiarów spadała wraz ze wzrostem drgań konstrukcji). Dodatkowym atutem przemawiającym za modułem CH-R UM6, który zostanie poniżej opisany, było dostarczone oprogramowanie, pozwalające na dowolne modyfikowane ramki danych i konfigurowanie trybu pracy modułu. Moduł CHR UM-6 jest to zestaw czujników, pozwalający na otrzymanie kątów Eulera. Układ składa się z następujących czujników: LSM303DLH akcelerometr i magnetometr L3G4200D żyroskop MMC2120MG magnetometr MXR9500M akcelerometr Najważniejsze cechy: Ze względu na zainstalowany niezależny mikrokontroler istnieje możliwość dowolnego modyfikowania otrzymywanej ramki danych Możliwość wyboru interfejsu komunikacyjnego (UART i SPI) Możliwość wyboru częstotliwości dostarczania danych (20 300 Hz) Niski pobór prądu Możliwość kompensacji żyroskopów Dokładność osi Yaw przynajmniej 5 o Kąty Eulera dostarczane są w postaci 16-bitowych zmiennych Maksymalna prędkość kątowa ±2000 /s 11
Czujnik ciśnienia BOSH BMP085 stosunkowo tani i dokładny czujnik o dużym zakresie pomiaru wyposażony w cyfrowy interfejs komunikacyjny. Najważniejsze cechy: Możliwość wyboru dokładności pomiaru Prostota podłączenia Komunikacja cyfrowa Zalety: Duży zakres pomiaru. Możliwość wyboru dokładności pomiaru (szybki pomiar mała dokładność, długotrwały pomiar duża dokładność). Komunikacja cyfrowa (odporność na zakłócenia linii danych). Łatwość podłączenia. Wady: Brak możliwości zmiany adresu (I2C) Brak ciągłego/okresowego wysyłania wyników W celu obliczenia rzeczywistego ciśnienia należy wykonać serie obliczeń Procedura obliczania ciśnienia zgodnie z zaleceniami producenta przedstawiona jest na rysunku. 12
Jak widać przed otrzymaniem finalnego wyniku, należy pobrać serię parametrów konfiguracyjnych, następnie przerobić je według podanej przez producenta formuły. Natomiast sam wynik uzyskamy w paskalach (Pa). Rejestr Oversampling_setting (osrs) to rejestr od którego zależy jakość pomiarów i czas konwersji pomiarów analogowych na cyfrowe, gotowe do wysłania przez interfejs I 2 C. Możliwości jego konfiguracji zostały przedstawione w poniższej tabeli. Sposób otrzymywania bezwzględnej wysokości nad poziomem morza: Wysokość 13
Gdzie zmiana p = 1hPa to 8.43m na poziomie morza. Typowe pomiary dla czujnika BMP085, według noty katalogowej znajdują się na poniższym rysunku. Moduł GPS (ang. Global Positioning System) czuły i szybki odbiornik GPS LEA-6S firmy U-Blox pozwala na ustalenie położenia platformy latającej w bardzo krótkim czasie. Moduły produkowane przez konkurencję pracują ze stosunkowo niską częstotliwością w porównaniu do modułu firmy U-Blox. Najważniejsze cechy: Duża czułość Dokładność Programowalna częstotliwość aktualizacji Interfejsy UART, I 2 C, USB Obsługa protokołów NMEA, UBX, RTCM Obudowa LLC28 14
Komputer pokładowy ( schemat blokowy ) Komputer pokładowy oparty jest o mikrokontroler STM32 z zaimplementowanym systemem czasu rzeczywistego FreeRTOS 7.1.0. Płytę autopilota zaprojektowano w oparciu o doświadczenia z poprzednich projektów koła naukowego, używając programu Altium Designer. Schemat blokowy płyty autopilota znajduje się na poniższym rysunku: Wizualizacja 3D płyty autopilota oraz jej zdjęcie ukończonej płyty znajdują się poniżej: 15
Schemat blokowy zaimplementowanego systemu FreeRTOS przedstawiony jest na poniższym rysunku: 16
Systemy rozpoznania System rozpoznawania zbudowano w oparciu o kamerę wideo FlyCamOne HD 720p. Ten model kamery został wybrany ze względu na bardzo małe rozmiary, wysoką rozdzielczość rejestrowanego materiału oraz możliwość łatwego zamontowania obiektywu w ruchomej głowicy. Podstawowe parametry kamery: Zasilanie: o 5V/port 10-pin Pobór prądu własny: 320 mah Wymiary: 95 x 42 x 19 Waga: 59 g (razem z ogniwem LiPo) Format zapisu: MOV Codec: Mpeg4 Sensor: 5MPix CMOS Rozdzielczość filmów: 1280 x 720 px Funkcje: Video, zdjęcia, zdjęcia seryjne, zdalna kontrola Soczewki: 55 (wymienialne) Zoom: x4 (cyfrowy) Ekran: OLED 1"/2,54 cm (kolorowy) Mikrofon: wbudowany Wyjście AV USB: Hi-Speed USB (2.0) Temperatura pracy: -10 C do 50 o C Ruchoma głowica, dedykowana do tego modelu kamery, jest sterowana za pomocą serwomechanizmów i umożliwia sterowanie obiektywem w dwóch płaszczyznach zmieniając jego położenie w zakresie 180 stopni. Sterowanie ruchami kamery odbywa się z poziomu oprogramowania GCS z użyciem gałki analogowej gamepada Seitek P380. Na czas procedury startu i lądowania kamera jest chowana w kadłubie samolotu za pomocą stworzonego do tego celu mechanizmu. 17
Urządzenie startowe (np. katapulta) W omawianym systemie bezzałogowym od samego początku zrezygnowano z urządzeń wspomagających start z następujących przyczyn: Napęd w samolocie posiada wystarczająco duży ciąg, by maszyna mogła samodzielnie wystartować po wypuszczeniu z ręki operatora Start z katapulty uniemożliwia zastosowanie w kadłubie śmigła ciągnącego na dziobie Katapulta w znacznym stopniu wydłuża czas przygotowania całego systemu do misji Katapulta lub rozwinięta guma z holem ogranicza ilość miejsc, z jakich można wystartować samolot Procedury bezpieczeństwa przy starcie Przy wypuszczaniu samolotu operator powinien bezwzględnie dopilnować by: Nikt nie stał w linii obrotu śmigła (w razie oderwania wirującej łopaty śmigła może dojść do uszkodzenia ciała) Nikt nie stał przed samolotem (zagrożenie zsunięcia się kołpaka z wału silnika) Startujący samolot miał przed sobą co najmniej 100 metrów otwartej przestrzeni bez drzew, budynków, samochodów, ludzi, linii energetycznych itp. Samolot został wypuszczony pod kątem 30 stopni, a skrzydła były ustawione poziomo W razie występowania podmuchów samolot startował zawsze dokładnie pod wiatr Części samolotu były dokładnie ze sobą spięte W strefie powietrznej, gdzie samolot będzie nabierał wysokości, nie znajdował się żaden statek powietrzny lub stado ptaków Wszystkie powierzchnie sterowe wskazują na brak jakichkolwiek zakłóceń radiowych Samolot startował bez uszkodzeń mechanicznych konstrukcji System odzysku (np. spadochron) W prezentowanym systemie do odzysku samolotu zastosowano spadochron krzyżowy. Spadochrony tego typu są łatwe do wykonania. Spadochron krzyżowy otwiera się powoli, dzięki czemu samolot nie 18
jest narażony na gwałtowne szarpnięcie, które może przyczynić się do wystąpienia znacznych przeciążeń. Spadochron krzyżowy można łatwo poskładać. W prezentowanym systemie spadochron wykonany jest z cienkiej, przeźroczystej folii wzmocnionej taśmą z włóknem szklanym. Linki wykonane są z nylonowego sznurka. Po zdalnym zwolnieniu spustu za pomocą serwomechanizmu klapa komory spadochronowej zostaje odrzucona, a spadochron jest wypychany w górę za pomocą sprężystego materiału. Powierzchnia spadochronu (5,2 m 2 ) została dobrana doświadczalnie, tak by zapewnić bezawaryjne lądowanie z możliwie najmniejszą prędkością opadania (3-4 m/s). 19
Projekt wstępny płatowca BSP Obciążenia w locie i obsługowe Masa do lotu: około 5 kg Powierzchnia nośna skrzydeł: 67 dm 2 Obciążenie pow. nośnej płatowca: około 76,2 g/dm 2 Projekt konstrukcyjny płatowca BSP Opis struktury nośnej i podziałów płatowca Skrzydło ze względu na dużą rozpiętość (3500mm) zostało podzielone na 4 części, które łączone są za pomocą 3 bagnetów. Główny łącznik skrzydeł - dwukomorowy bagnet z włókna węglowego UMS: 20
Opis zabudowy systemów pokładowych w BSP ( sterowanie, rozpoznawczy, ratowniczy) Obliczenie wyważenia Ustalenie środka ciężkości samolotu przeprowadzono etapowo. Skrzydło zastosowane w prezentowanym motoszybowcu pierwotnie zostało zaprojektowane do modelu kategorii F3J IKAR, w którym wyważenie znajdowało się w okolicy ⅓ średniej cięciwy skrzydła. Przed zbudowaniem modelu POLSL HF-1 ORZEŁ oblatano prototyp szybowca IKAR, w którym dokładnie ustalono położenie środka ciężkości do najlepszego szybowania (101mm od krawędzi natarcia przy kadłubie). Przeprowadzono wtedy serię rzutów z ręki. Na podstawie obserwacji szybowania odpowiednio wyważono kadłub. Następnie zbudowano prototyp samolotu POLSL HF-1 ORZEŁ, motoszybowiec spalinowy o nazwie ORZEŁ. Na pokładzie ORŁA ustalono dokładne położenie środka ciężkości do najlepszego szybowania w trakcie przelotów na niskich obrotach silnika. Ustalenie środka ciężkości w motoszybowcu POLSL HF-1 ORZEŁ polegało jedynie na zastosowaniu efektów badań prowadzonych wcześniej na modelu ORZEŁ. 21
Opis budowy Proces powstawania motoszybowca można podzielić na 7 etapów: 1. Projektowanie motoszybowca i założenia konstrukcyjne. 2. Budowa maszyny CNC i modelowanie bryły modelu i jego form (CAD/CAM). 3. Frezowanie pozytywów form. 4. Wyprowadzenie powierzchni na pozytywach. 5. Odbicie negatywowych form od pozytywów. 6. Wyprowadzenie powierzchni na formach. 7. Wytwarzanie modeli - laminowanie w formach. 8. Uzbrojenie samolotu w elektronikę i mechanizmy. Zastosowane technologie Motoszybowiec jest zrobiony w całości z laminatów kształtowanych w formach. Dzięki zastosowaniu materiałów kompozytowych cała konstrukcja jest sztywna i lekka. BUDOWA KADŁUBA Technologia wytworzenia kadłuba została tak opracowana, by maksymalnie zmniejszyć koszty i możliwie najszybciej uzyskać zadowalające efekty. Cały proces technologiczny został opracowany z myślą o szybkim wytworzeniu elementów o wysokiej jakości. Prace, można ogólnie podzielić na 5 zasadniczych etapów: 1) Projektowanie CAD i stworzenie programów dla obrabiarki CNC Projektowanie kadłuba mogło się rozpocząć dopiero wtedy, gdy znane były wymiary wszystkich elementów mających znajdować się wewnątrz kadłuba. Zaprojektowano mechanizm wysuwania kamery oraz system montażu komory spadochronowej i ogniw zasilających. Kadłub Orła posiada węglową belkę ogonową oraz dziób zrobiony na bazie kadłuba z Falcona (był to model, który został zbudowany na zawody samolotów udźwigowych Air Cargo Challenge 2011 w Niemczech. Ponieważ mieliśmy już zrobioną formę, postanowiliśmy wykorzystać ją także w tworzeniu kadłuba modelu na zawody MIWL 2012. Kadłub Falcona został zaprojektowany tak, by stanowić aerodynamiczną owiewkę wokół komory ładunkowej do transportu stalowych płytek. Modyfikacja kadłuba opierała się na przystosowaniu grzbietu kadłuba pod skrzydło z zupełnie innym profilem niż było w Falconie. Podczas rysowania kadłuba kierowano się zasadami aerodynamiki i estetyki lotniczej, które kładły nacisk na możliwie najbardziej opływowy kształt. W efekcie otrzymano kadłub o pojemnej części dziobowej i smukłej belce ogonowej. Kształt i profil statecznika pionowego dobrano tak, by mógł w sobie pomieścić serwomechanizmy służące do napędy sterów wysokości i kierunku. Na podstawie utworzonego numerycznego modelu 3D stworzono specjalnie dostosowane do 3-osiowej frezarki numerycznej programy (tzw. g-code y). Podczas tworzenia programów kierowano się maksymalnym skróceniem czasu pracy maszyny. 2) Wyfrezowanie kadłuba w formie pozytywu Wyfrezowano 2 połówki kadłuba. Osobno wyfrezowano część dziobową, belkę ogonową i statecznik. Łącznie wyfrezowano 6 elementów na 3-osiowej frezarce CNC zbudowanej przez nas własnoręcznie. Materiałem wejściowym do frezowania był styropian czyli tania i stosunkowo twarda pianka bardzo łatwa w obróbce skrawaniem. 22
23
3) Odbicie form negatywowych od wykonanych pozytywów Formy zostały wykonane z gipsu (ze względu na niskie koszty i szybki proces wytwarzania). 24
5) Wyprowadzenie gładkiej i równej powierzchni na formach Po pełnym utwardzeniu i wygrzewaniu formy zdjęto z pozytywów, a następnie oszlifowano i wypolerowano. Obróbka powierzchni formy była procesem czasochłonnym, ponieważ zewnętrzna powierzchnia formy nosiła ślady nieoszlifowanego styropianu. Następnie obydwie połówki zostały wyposażone w kołki naprowadzające tak, by formy równo domykały się według obrysu kadłuba. Ostatnim etapem prac nad formami było ich pokrycie specjalistycznymi płynnymi woskami, których zadaniem jest separowanie wytwarzanego odlewu od powierzchni formy. Proces woskowania przeprowadzano 10-krotnie, tak by zmniejszyć ryzyko przywarcia odlewu do powierzchni formy w trakcie utwardzania w podwyższonej temperaturze. 6) Laminowanie w formach połówek kadłuba Podstawowe wymagania, jakie stawia się konstrukcjom lotniczym, to niska masa i duża wytrzymałość. Kompozytowa konstrukcja kadłuba została specjalnie tak zaprojektowana, by spełniać te kryteria. Do wytworzenia kadłuba użyto jednych z najmocniejszych materiałów jakimi dysponuje przemysł lotniczy w dzisiejszych czasach. Specjalnymi metodami laminuje się kolejne warstwy tkanin szklanych, węglowych i aramidowych pod określonym kątem, w określonych miejscach i na odpowiednich powierzchniach. Konstrukcja kadłuba skupia w belce ogonowej największa ilość włókna węglowego ze względu na jej mały przekrój, a co za tym idzie, mniejszą wytrzymałość na łamanie i skręcanie. Część dziobowa została wyposażona w warstwy ze specjalnie tkanej tkaniny zawierającej splot włókien węglowych. Statecznik pionowy jest najlżejszą częścią kadłuba o dużej sztywności, dzięki zastosowaniu balsowej przekładki w układzie sandwich. Wszystkie wylaminowane warstwy zostały ściśnięte i odsączone w worku próżniowym z nadmiaru żywicy. Proces utwardzania przebiegał w piecu do utwardzania laminatów w podwyższonej temperaturze, w czasie którego żywica epoksydowa pełniąca funkcję osnowy zmieniła swój stan skupienia z ciekłego na stały. 25
7) Sklejenie połówek i wyposażenie kadłuba w urządzenia pokładowe Przed wyjęciem skorup z form, należało je wcześniej skleić. By skleić połówki kadłuba ze sobą częściowo wyposażono go w największe elementy takie jak wręgi kadłubowej. Sklejenie kadłuba odbyło się metodą na zakładkę, która wcześniej została wyprofilowana w specjalnej dodatkowej formie dopinanej do kadłuba. Końcowe prace przy kadłubie miały na celu: zrobienie owiewki kabiny, komory spadochronowej, podłączenie napędów serwomechanizmów oraz wiele innych czynności bez których mechaniczne podzespoły nie mogłyby sprawnie działać. BUDOWA SKRZYDŁA Skrzydło w samolocie zostało wykonane profesjonalnie. 95% pracy nad skrzydłem to było wykonanie form, co było drogim i czasochłonnym procesem. Zastosowana technologia niewiele różni się od praktyk stosowanych w dorosłym lotnictwie. Skrzydło prezentowanego motoszybowca jest efektem długich lat doświadczenia w wytwarzaniu laminatowych modeli. Płat może być wytwarzany wielokrotnie, każdy egzemplarz ma takie same kształty geometryczne. Dzięki lustrzanym powierzchniom i perfekcyjnemu odwzorowaniu profilu (frezowanie CNC), motoszybowiec posiada doskonałe własności lotne. Kompozytowa konstrukcja oparta na super-sztywnym włóknie węglowym UMS zapewnia odporność skrzydła na siły zginające i skręcające. Kesony skrzydła wykonane są z włókna węglowego ułożonego pod kątem 45 stopni, dzięki czemu płat nie ulega skręceniu przy znacznych prędkościach lotu. W skrócie, powstawanie skrzydła można podzielić na następujące etapy: 1) Projektowanie CAD i stworzenie programów dla obrabiarki CNC, przygotowanie materiału do frezowania: 26
2) Wyfrezowanie 12 pozytywów form z materiału MDF: 3) Wyprowadzenie lustrzanej powierzchni na pozytywach: 27
4) Odbicie form negatywowych od wykonanych pozytywów: 5) Wyprowadzenie gładkiej i równej powierzchni na formach: 28
6) Laminowanie w formach skorup skrzydeł i stateczników: 29
7) Sklejenie połówek i wyposażenie skrzydeł w napędy lotek: Przebieg budowy - etapy (czas niezbędny do budowy) Etapy wytwarzania płatowca dzielą się na: założenia projektowania i koncypowanie wytwarzanie Etap założeń: Część związana z założeniami zajęła około 3 tygodni, w tym czasie zostały przedstawione wstępne rozważania np. sposoby startu samolotu, jego lądowanie, awaryjność modułów, wielkość płatowca. Wszystkie powyższe kwestie musiały być powiązane z regulaminem, jego ograniczeniami, restrykcjami etc. Etap projektowania i koncypowania: Po wstępnych ustaleniach, czas potrzebny na stworzenie projektu samolotu, doboru jego wyposażenia, skontrolowania dostępności materiałów potrzebnych do wytwarzania oraz ich modułowości zajął około 4 tygodni. Etap wytwarzania: Ostatni proces zajmuje obszar 3 tygodni, w przeciągu którego wytworzono: dzielony kadłub, skrzydła, łączniki skrzydeł oraz zabiegi wykańczające. Następnie zajęto się urządzeniami elektrycznymi np. rozprowadzeniem przewodów po płatowcu, montażu akumulatorów, silnika napędowego, serwomechanizmów. Łączny czas na wytworzenie płatowca zajął 10 tygodni. Spis materiałów i oprzyrządowania użytych do budowy Oprzyrządowanie użyte do budowy: formy modelarskie, frezarka numeryczna CNC, urządzenia elektro-mechaniczne obróbcze typu: wiertarki, mini-frezarki, szlifierki, narzędzia podręczne jak: śrubokręty, noże, piły, maszyny wspomagające wytwarzanie: pompa próżniowa, piec grzewczy, kompresor, pneumatyka do lakierowania 30
Materiały użyte do budowy: kompozyty: włókna szklane, węglowe, aramidowe, drewno: balsa, sklejka, brzoza, metale: stal, aluminium, duraluminium, kleje: dwuskładnikowe, cyjanoakryle, lakiery akrylowe żywice epoksydowe Epidian 52, LH 160 Powtarzalność wyrobu, modułowość i zamienność Cały płatowiec został odlany z form wielokrotnego użytku, co stwarza możliwość wykonywania wielu takich samych (lub podobnych) egzemplarzy. Pracując 8 godzin dziennie dwaj wykwalifikowani specjaliści są w stanie zbudować 1 samolot na tydzień. Profile i skrzydła statecznika 31