Арго; Вітер вершника
Конструкція та перший політ жорсткої моделі дирижабля
Стаття у форматі PDF: Die_Argo
Навіщо будувати дирижабль?
«Арго» не є звичайним дирижаблем, він планується як жорсткий дирижабль. Це означає, що, як і старі цепеліни, він має жорстку, аеродинамічну, покриту зовнішню конструкцію з декількома газовими мішками всередині. Це має деякі переваги перед звичайними аеростатами, але також має ряд недоліків, які роблять побудову такої моделі великою проблемою. У цій невеликій проектній документації ми показуємо, як деякі з цих проблем були добре вирішені, а інші частково.
«Арго» - це одночасно експериментальний дирижабль, в якому випробовується форма корпусу, який інтегрує весла безпосередньо у форму, подібно до каное. Це збільшує аеродинаміку та об’єм корабля. У той же час, Argo повинен використовувати два невеликі безщіткові двигуни, що обертаються по діагоналі, щоб на додаток до польоту вперед опанувати надзвичайно щільні повороти або стоянку назад.
Щоб зробити всю історію ще більш захоплюючою, Argo планує здійснити перший рейс на фрегаті дирижабля Асоціації дирижаблів у Сассексі, Великобританія. Це означає, що готовий надзвичайно філігранний дирижабль повинен якимось чином пошкодитись з Німеччини, через країни Бенілюксу та канал до Великобританії. Але спочатку слід спланувати Арго.
План:
Argo був виведений з попередника "Hugin", який все ще мав 4 жорсткі поверхні руля на кормі, які витягнуті з форми корпусу. Сам Argo був перероблений, щоб мати 3 більші поверхні руля, кожна з яких веде до рухомої поверхні, яка управляється сервоприводом. Маючи 3 весла, корабель економить трохи ваги порівняно з варіантом 4 весла, і в принципі не втрачає жодної ступеня свободи. Управління цим лямбда-рулем трохи складніше, але оскільки буде використовуватися мікроконтролер, це не є основною проблемою.
На малюнку вже видно демонтаж оболонки на окремі перерізи, які згодом послужать основою для каркаса. Каркас буде виготовлений з дерева бальси товщиною 1 мм у смужки шириною 3 мм, склеєний Ponal, а потім покритий надзвичайно тонким папером. Газові мішки виготовляються з рятувальної ковдри, неофіційно набиваються в конверт і наповнюються гелієм. Електроніка надходить із повільних флаєрів, а керується за допомогою мікроконтролера Panstamp з ПК за допомогою джойстика. Нарешті, транспортування до Англії повинно відбуватися в індивідуальній коробці. Отже, ми прийшли до усвідомлення.
Арго розраховували наступним чином. При довжині 2,4 м та найбільшому діаметрі приблизно 0,6 м він має теоретичний внутрішній об’єм 470 літрів. Для нижчого балонного газу це відповідає практичній плавучості 470 г. Вага різних вузлів розподіляється по цих 470 г наступним чином:
Каркас - 100 г.
Покриття - 64 г.
Газові мішки - 80 г.
Електроніка - 80 г.
Це відповідає загальній вазі 324 г. Оскільки це оптимістичний розрахунок, і це набагато гірше на практиці, ми припустили надмірність ваги понад 150 г для конструкції, щоб кінцева конструкція могла плавати, навіть якщо виникають проблеми. Це окупиться, як ми побачимо пізніше.
Етапи будівництва:
Риштування
Філігранний каркас побудований у дві секції, верхню та нижню, які потім приклеюються посередині. 13 шаблонів МДФ, вирізані відповідно до 3D-моделі, служать шаблоном. Для того, щоб перенести поперечні перерізи від комп'ютера на плити МДФ, посилання на зображення накидали на дерев'яні дошки променями і малювали.
Зараз виготовляється будівельний матеріал, з не зовсім 3 панелей бальсового дерева товщиною 1 мм розміром 10 х 100 см, вирізаних величезну купу балок філігранного бальза, які утворюють опори для каркаса. Один з цих брусів з бальзи важить близько 0,8 г і сам по собі досить крихкий і гнучкий.
Композит балок у великій конструкції з поперечними та поздовжніми елементами є напрочуд стійким та витримує великі навантаження. У той же час матеріал є гнучким і може формуватися особливим чином, що ідеально підходить для побудови Argo з його складною формою оболонки. Спочатку на шаблоні закріплені поздовжні рамки. На другому кроці форму поперечних ребер згинаємо і приклеюємо. Щоб ребра тримали правильну форму, їх поміщають у воду, а потім нахиляють над паяльником у місцях перегину. Ця техніка дещо модифікована в суднобудуванні, тому деревина може мати постійну форму. Висушені та фасонні поперечні ребра тепер просто приклеєні до поздовжніх ребер у місцях перетину з Ponal. Для фіксації ми використовуємо затискачі з садівничих приладдя, за допомогою яких насправді отримують рослини, що плетуться, щоб утримуватися на своїх жердинах. Ці затиски легкі і мають хороший контактний тиск, і їх у нас було вдосталь. У цьому розділі швидкість будівництва в основному визначається лише кількістю скоб та висихання клею.
Загальна вага на даний момент: 60 г (приблизно 80 г)
Покриття:
Після накладання покриття дирижабль став занадто важким для точних ваг, але наявні ваги Ikea робили лише неточні оцінки. Очевидно, вага значно перевищує передбачувану величину, а судно важить приблизно 220 г із готовим покриттям та побудованими раніше риштуваннями. Вже включено 3 мікросервоси, які повинні рухати хвостовий кермо. Отже, ми підійшли до наступного етапу будівництва - електроніки Argo.
Газові мішки:
Плавучість Argo забезпечується двома газовими мішками, виготовленими з тонкої пластикової плівки з алюмінієвим покриттям (16 г/м2). Вони були грубо нарізані за розміром і з'єднані двостороннім клейким скотчем, який забезпечує надзвичайно міцні та газонепроникні зв'язки. В принципі, великий шматок фольги просто складається посередині і приклеюється по краях. Вставлена раніше плівкова трубка є заповнювальною горловиною і після заповнення закривається клейкою стрічкою. Оскільки форма Argo визначається її рамою та покриттям, газовий мішок може неформально заповнити інтер’єр, що значно полегшує виробництво.
Електронний:
Приблизно намальована, корабельна електроніка складається з наступних компонентів:
- Літієво-полімерна батарея 3,7 В 1S на носі, яка забезпечує живлення всього корабля
- Модуль панштампа, який, з одного боку, встановлює радіозв'язок із землею, а з іншого боку, керує сервоприводами, в основному виконуючи роль гнучкого приймача, який може одночасно обчислювати та передавати. Цей модуль panstamp керує іншими компонентами:
- 2 мікрощітки без щіток з ESC на носі, якими можна керувати індивідуально
- 2 сервоприводи, кожна з яких керує напрямком безщіткових двигунів і дозволяє повороту струменя тяги рухатися спереду назад.
- 3 сервопривода на кормі, кожен з яких керує одним кермом.
Отже, загалом 7 каналів дистанційного керування мають бути призначені і керовані досить складними, але про це пізніше.
Хвостові сервоприводи
Двигуни:
Ми використовували найменші доступні безщіточні двигуни (2,3 г), які ми могли отримати на ринку. Вони контролюються крихітними ESC (0,2 г), які живляться через сервопровід. Вся бортова мережа безпосередньо і нерегульована на акумуляторі, так що сервоприводи та регулятори швидкості працюють зі струмом 3,7 В - 4,2 В, залежно від заряду акумулятора, що дуже добре працює в експерименті. Оскільки двигуни досить потужні та мають потужність до 2 ампер, ми вирішили використовувати для живлення більш товсті та ізольовані кабелі перетином 0,14 м², тоді як сигнал знову направляється до ESC через емальований мідний дріт. Маленькі повільні гвинти були приклеєні безпосередньо до валу двигуна, щоб заощадити вагу блешні. Обидва двигуни разом розвивають велику тягу, незважаючи на свої крихітні розміри і чудово звучать завдяки величезній звуковій коробці дирижабля.
Мотор-сервоприводи:
Два більш потужні сервоприводи потужністю 5 г регулюють напрямок тяги двигуна. Це для кращої маневреності і працює за наступним принципом. Двигуни знаходяться далеко вперед на кораблі, а їх осі тяги розташовані під кутом. Якщо гвинти дмухають вперед, корабель летить назад, дме їх назад, він летить вперед. У середньому положенні вони спрямовані вниз і назовні. Так частина тяги опускається вниз, інша ліворуч і праворуч. Якщо ви хочете летіти вгору, ви вибираєте цю настройку, якщо ви хочете летіти в бік, один з двигунів повернутий вниз, щоб інший двигун генерував силу в сторону. Оскільки двигуни знаходяться спереду, корабель повертається на місці. Розетки сервоприводів та кріплень двигуна були розроблені у FreeCAD та надруковані на Ultimaker. Оскільки компоненти повинні бути виконані точно і повинні бути досить міцними завдяки потужності двигуна, ми вирішили відмовитись від дерев’яної конструкції з бальзи та варіанту із друкованого пластику. Повна моторна колодка з гвинтом, двигуном, ESC, сервоприводом, кронштейном та кабелями в кінцевому підсумку важить 15 г. Це додає 30 г ваги корабля для двох стручків.
Акумулятор:
Щоб утримати вагу корабля низькою, використовуються найменші прийнятні батареї. Оскільки двигуни не потребують багато електроенергії, а дирижаблі - це надзвичайно економічні літаки, оскільки вони не витрачають енергію на зависання, акумулятори 1S на 300 мАг ідеально підходять і важать 8,5 г кожна.
Панштамп:
Серцем електроніки та центру управління всього дирижабля є модуль панштампа. Ці невеликі радіомодулі походять від проекту домашньої автоматизації, є безкоштовними та програмуються через Arduino. Ми зупинились на такому рішенні, оскільки Argo має керуватися програмним забезпеченням через ПК, щоб повністю вільно програмувати можливість писати складне управління двигунами та кермами. У той же час, протокол передачі керуючого сигналу може бути вільно записаний, що дозволяє вбудувати будь-яку кількість каналів і функцій. Врешті-решт, вага всього 2,2 г вирішив на користь Panstamp як рішення, як і низька ціна. Panstamp був від'єднаний від бортової мережі Argo за допомогою перетворювача напруги 3,3 В і підключений до сигнальних кабелів сервоприводів. Тонка емальована антена з мідного дроту утворює легкий приймач, і ми ніколи не потрапляли в проміжки на відстані приблизно 100 м, коли летить ворона.
Програмування:
На модулі panstamp працює дуже проста власноруч написана прошивка Arduino, яка використовує кілька бібліотек з відкритим кодом і в основному не робить нічого іншого, як постійне очікування радіосигналів від наземної станції. Одночасно він виписує останні розумні сигнали на відповідні сервоприводи та двигуни. Це відбувається на частоті близько 16 мс за цикл, що трохи швидше, ніж 20 мс, яких можуть досягти стандартні пульти дистанційного керування. Фактична арифметика та контроль здійснюються на місцях. Інший модуль panstamp підключений до ноутбука як передавач. Цей ноутбук запускає програмне забезпечення, яке написано відкритою мовою програмування Processing і приймає сигнали управління з джойстика, перетворює їх в команди для окремих сервоприводів та двигунів Argo, а потім відправляє їх у вигляді пакета на корабель.
Оскільки Податковий кодекс досить складний, тут він лише приблизно обговорюється. Справжній сенс коду полягає у перетворенні рухів усіх сервоприводів та двигунів у команди управління пілотом. Якщо пілот спрямовується вправо, 3 сервопривода хвостового керма рухаються відповідно, і положення сервоприводів двигуна, а також тяга двигунів автоматично регулюються до рульового руху. Є два режими, режим наведення та круїз. У круїзному режимі двигуни жорстко спрямовані назад, і для рульового керування використовуються лише тяга та рулі. Тож можливий лише переліт вперед, подібно до літака. Якщо режим перемикається в режим зависання натисканням кнопки, двигуни спрямовуються вниз, і корабель витає на місці, а також може літати назад рульовим рухом або робити точковий поворот. Програма управління включає в себе користувальницький інтерфейс, який робить входи та виходи видимими та дозволяє обрізати. Argo теоретично готовий до польоту і вже встиг здійснити кілька сухих випробувальних польотів на шнурах, що звисають зі стелі. Перед початком першого польоту «Арго» все-таки повинен відправитися в далеку подорож.
Коробка
У листопаді 2013 року Асоціація дирижаблів провела симпозіум, який також включав фрегат дирижабля для моделей. Там Argo повинен був літати як жорсткий дирижабль і представляти свою інноваційну форму корпусу та управління. До того ж ми лише дізнались би там, чи достатньо він світлого, бо лише там ми б вперше заповнили гелій у газові мішки. Для того, щоб філігрань «Арго» пробрався до регати, довелося побудувати транспортну скриньку. Епічні розміри цього ящика 2,6 х 0,6 х 0,6 метрів важко зрозуміти і вмістити їх приблизно на 5 см саме у вантажному просторі Булліса з довгою колісною базою та розширеним заднім сидінням. Навіть будівельному магазину було важко доставити панелі потрібного розміру. Насправді, побудова коробки зайняла приблизно вдвічі більше грошей, ніж побудова Argo, але коробка цілком може бути в майбутньому
Моделі дирижаблів пристосовані і тому є реальною інвестицією. Оскільки мова йде про дирижабль, а не про коробку, тут лише приблизно описаний спосіб побудови. 6 мультиплексних панелей, зміцнених дерев’яними планками, були склеєні та пригвинчені, а потім кілька разів пофарбовані зовнішньою фарбою. В принципі, короб можна використовувати навіть як коробку на даху. Ручки та кришки коробки повернулися з 3D-принтера і мали знак "W" як емблему вітряка.
Дівочий політ
Як жорсткий дирижабль, "Арго" млявий, але дуже чутливий до керування. Трансмісія Panstamp працює надзвичайно швидко, завдяки чому можливо точне управління. Переключення з круїзу на наведення дозволяє зупинитися в повітрі і включитись на місці, що викликає подив відвідувачів. Звичайно, у самого корабля є кілька недоліків, таких як внутрішній тиск газових мішків, які деформували раму, а непривабливі складки спотворили корпус. Це супроводжувалось деякими невідповідностями в поведінці в польоті, такими як важкість хвоста під час швидшого польоту, яку легко можна було перекрити красивим ковзанням корабля. Дівочий політ був чудовим, унікальним і занадто коротким. Ще одна річ, "Арго" брав участь у перегонах, але в такому розмірі "Бімпси" перевершують "Цепелінів" і на сьогодні перемогли "Арго". Подорож і будівництво все-таки того варте, і Argo тепер чекає, добре захищений у своїй скриньці, пригод, які можуть прийти.
У PDF документації є більше фотографій першого польоту: