Арго; Вятър ездач
Конструкция и първи полет на твърд модел на дирижабъл
Статията като PDF: Die_Argo
Защо да изграждаме дирижабъл?
Argo не е обикновен дирижабъл, той е планиран като твърд дирижабъл. Това означава, че както старите цепелини, той има твърда, аеродинамична, покрита външна конструкция с няколко газови торбички вътре. Това има някои предимства пред обикновените балони, но също така и редица недостатъци, които правят изграждането на такъв модел голям проблем. В тази малка проектна документация показваме как някои от тези проблеми са решени добре, а други са частично решени.
Argo е едновременно експериментален дирижабъл, в който се изпитва форма на корпуса, която интегрира греблата директно във формата, подобно на кану. Това увеличава аеродинамиката и обема на кораба. В същото време Argo трябва да използва два малки диагонално въртящи се безчеткови мотора, за да овладее изключително тесни завои или паркиране в обратна посока в допълнение към полета напред.
За да направи цялата история още по-вълнуваща, Argo трябва да извърши първия си полет на фрегатата на дирижабъл на Airship Association в Съсекс, Великобритания. Това означава, че завършеният, изключително филигранен дирижабъл трябва по някакъв начин да дойде невредим от Германия, през страните от Бенелюкс и канала до Обединеното кралство. Но първо трябва да се планира Арго.
План:
Argo е получен от своя предшественик "Hugin", който все още е имал 4 твърди повърхности на кормилото на кърмата, които са извадени от формата на корпуса. Самият Argo е преработен, за да има 3 по-големи повърхности на кормилото, всяка от които води до подвижна повърхност, която се управлява от серво. С 3 гребла корабът спестява малко тегло в сравнение с варианта с 4 гребла и по принцип не губи никакви степени на свобода. Управлението на това ламбда кормило е малко по-трудно, но тъй като ще се използва микроконтролер, това не е основен проблем.
На снимката вече се вижда демонтирането на черупката на отделни напречни сечения, които по-късно ще послужат като основа за рамката. Рамката ще бъде направена от балсово дърво с дебелина 1 мм в ленти с широчина 3 мм, залепена с Ponal и след това покрита с изключително тънка хартия. Газовите торбички са направени от спасително одеяло и се натъпкват неофициално в плика и се пълнят с хелий. Електрониката идва от бавни флаери и се управлява чрез микроконтролер Panstamp от компютъра с помощта на джойстик. И накрая, транспортът до Англия трябва да се извърши в специално изработена кутия. Така че нека да стигнем до реализацията.
Арго се изчислява, както следва. С дължина от 2,4 м и най-голям диаметър от около 0,6 м, той има теоретичен вътрешен обем от 470 литра. При нисък балонен газ това съответства на практическа плаваемост от 470 g. Теглото на различните възли се разпределя върху тези 470 g, както следва:
Рамка - 100 g
Покритие - 64 g
Газови торбички - 80гр
Електроника - 80 g
Това съответства на общо тегло от 324 g. Тъй като това е оптимистично изчисление и е фундаментално по-лошо на практика, ние предположихме резервиране от над 150 g тегло за конструкцията, така че крайната конструкция да може да плава, дори ако възникнат проблеми. Това ще се изплати, както ще видим по-късно.
Етапи на строителство:
Скелето
Филигранната рамка е изградена в две секции, отгоре и отдолу, които след това се залепват в средата. 13 MDF плоскости, които бяха изрязани, за да съответстват на 3D модела, служат като шаблон. За да се пренесат напречните сечения от компютъра на MDF плочите, референтното изображение се хвърля върху дървените дъски с греда и се рисува.
Сега се произвежда строителен материал, огромна купчина филигранни балсови греди беше изрязана от не съвсем 3 панела от балсово дърво с дебелина 1 мм 10 х 100 см, които оформят опорите за рамката. Една от тези греди от балса тежи около 0,8 грама и е доста крехка и гъвкава сама по себе си.
Композитът от греди в голяма конструкция с напречни и надлъжни елементи е изненадващо стабилен и може да издържи на голямо напрежение. В същото време материалът е гъвкав и може да бъде оформен по специален начин, което е идеално за изграждането на Argo с неговата сложна форма на черупката. Като първа стъпка надлъжните рамки са фиксирани върху шаблона. Във втората стъпка формата на напречните ребра се огъва и залепва. За да запазят ребрата правилната форма, те се поставят във вода и след това се огъват в точките на извиване над поялник. Тази техника е донякъде модифицирана в корабостроенето и така дървото може да бъде постоянно оформено. Изсушените и оформени напречни ребра сега са просто залепени към надлъжните ребра в точките на пресичане с Ponal. За фиксиране използваме скоби от градински консумативи, с които всъщност получавате катерещи се растения, за да останат на стълбовете им. Тези скоби са леки и имат добро контактно налягане, а ние ги имахме в изобилие. В този раздел скоростта на изграждане се определя основно от броя на скобите и изсъхването на лепилото.
Общо тегло към този момент: 60 g (приблизително 80 g)
Покритието:
След прилагането на покритието дирижабълът стана твърде тежък за точните везни, но наличните везни на Ikea само направиха неточни оценки. Очевидно теглото е доста над очакваната стойност и корабът тежи около 220 g с готовото покритие и предварително построеното скеле. Вече са включени 3 микросервоза, които трябва да движат кормилото на опашката. Така стигаме до следващата фаза на строителството, електрониката на Argo.
Газовите торбички:
Плаваемостта на Argo идва от две газови торбички, изработени от тънък пластмасов филм с алуминиево покритие (16 g/m²). Те бяха грубо нарязани и свързани с двустранна лепяща лента, която позволява изключително здрави и газонепроницаеми връзки. По принцип голямо парче фолио просто се сгъва в средата и се залепва по краищата. Поставена предварително филмова тръба е гърлото за пълнене и се затваря с лепяща лента след пълнене. Тъй като формата на Argo се определя от неговата рамка и покритието, въздушната възглавница може да запълни интериора неформално, което значително улеснява производството.
Електронният:
Грубо начертана, корабната електроника се състои от следните компоненти:
- 3,7 V 1S литиево-полимерна батерия на носа, която захранва целия кораб с мощност
- Модул panstamp, който, от една страна, установява радиовръзката към земята и, от друга страна, контролира сервомеханизмите, като по същество поема ролята на гъвкав приемник, който може едновременно да изчислява и предава. Този модул panstamp контролира останалите компоненти:
- 2 микро безчеткови мотора с ESC на носа, които могат да се управляват индивидуално
- 2 серво, които управляват посоката на безчетковите двигатели и позволяват въртящата се струя да се върти отпред назад.
- 3 серво на кормата, като всеки управлява по едно кормило.
Така че общо 7 канала за дистанционно управление трябва да бъдат назначени и контролирани доста сложно, но повече за това по-късно.
Серво серво
Двигателите:
Използвахме най-малките достъпни безчеткови двигатели (2,3 g), които можехме да пуснем на пазара. Те се контролират от малки ESC (0,2 g), които се захранват чрез сервожила. Цялата бордова мрежа е директно и нерегулирана върху батерията, така че серво и регулаторите на скоростта работят с ток от 3,7 V - 4,2 V, в зависимост от заряда на батерията, което работи много добре в експеримента. Тъй като двигателите са доста мощни и теглят до 2 ампера, решихме да използваме по-дебели и изолирани кабели с напречно сечение от 0,14m² за захранване, докато сигналът отново се насочва към ESC чрез емайлирана медна жица. Малките витла с бавно летене бяха залепени директно върху вала на двигателя, за да се спести теглото на въртящата се машина. И двата двигателя заедно развиват голяма тяга въпреки малките си размери и звучат страхотно благодарение на огромната звукова кутия на дирижабля.
Сервомоторите на двигателя:
Два по-мощни 5g серво серво регулират посоката на тягата на двигателя. Това е за по-добра маневреност и работи съгласно следния принцип. Двигателите са далеч напред в кораба и техните оси на тяга са разположени под ъгъл. Ако витлата духат напред, корабът лети назад, ако духат назад, той лети напред. В средно положение те са насочени надолу и навън. Така че част от тягата се спуска, друга вляво и вдясно. Ако искате да летите нагоре, избирате тази настройка, ако искате да летите встрани, един от двигателите е обърнат надолу, така че другият двигател генерира сила встрани. Тъй като двигателите са отпред, корабът се обръща на място. Гнездата на серво и моторни стойки са проектирани в FreeCAD и отпечатани на Ultimaker. Тъй като компонентите трябва да бъдат изпълнени прецизно и трябва да бъдат доста здрави поради мощността на двигателя, ние решихме да не направим конструкция от дърво от балса и вариант с отпечатана пластмаса. Пълна моторна шушулка с витло, мотор, ESC, серво, скоба и кабели в крайна сметка тежи 15 g. Това добавя 30 g към теглото на кораба за двете шушулки.
Батерията:
За да се запази ниското тегло на кораба, се използват най-малките приемливи батерии. Тъй като двигателите не изискват много електричество, а дирижаблите са изключително икономични летци, тъй като не губят никаква енергия за зависване, 1S 300mAh батерии са перфектни и тежат по 8,5 g всяка.
Panstamp:
Сърцето на електрониката и контролния център на целия дирижабъл е модул panstamp. Тези малки радио модули идват от проект за домашна автоматизация, безплатни са и се програмират чрез Arduino. Решихме се за това решение, тъй като Argo трябва да се управлява от софтуер чрез компютъра, за да се напише сложното управление на двигателите и кормилата по напълно свободно програмируем начин. В същото време протоколът за предаване на управляващия сигнал може да бъде написан свободно, като по този начин дава възможност за вграждане на произволен брой канали и функции. В крайна сметка обаче теглото от само 2,2 g реши в полза на Panstamp като решение, както и ниската цена. Panstamp беше отделен от бордовата мрежа на Argo с преобразувател на напрежение 3.3 V и свързан към сигналните кабели на сервосистемите. Тънката емайлирана антена от меден проводник образува лекия приемник и ние никога не попаднахме в пролуки на прием до разстояние от около 100 м по въздушната линия.
Програмирането:
Доста прост самонаписан фърмуер на Arduino работи на модула panstamp, който използва няколко библиотеки с отворен код и по принцип не прави нищо друго, освен постоянно да чака радиосигнали от наземната станция. В същото време той изписва последните разумни сигнали към съответните серво и мотори. Това се случва с честота около 16 ms на цикъл, което е малко по-бързо от 20 ms, което правят стандартните дистанционни управления. Действителната аритметика и контрол се извършват на земята. Друг модул panstamp е свързан към преносим компютър като предавател. Този бележник изпълнява софтуер, който е написан на отворен език за програмиране Processing и приема контролни сигнали от джойстика, преобразува ги в команди за отделните серво и двигатели на Argo и след това ги изпраща като пакет на кораба.
Тъй като данъчният кодекс е доста сложен, той е грубо обсъден тук. Истинският смисъл на кода е да преобразува движенията на всички серво и двигатели към командите за управление на пилота. Ако пилотът се насочи надясно, 3-те сервозадвижвания на кормилото на опашката се движат по съответния начин и положението на сервомоторите на двигателя, както и тягата на двигателите се регулират автоматично спрямо кормилното движение. Има два режима, ховър и круиз режим. В режим на круиз двигателите са насочени твърдо назад и за управление се използват само тягата и кормилата. Така че е възможно само да се лети напред, подобно на самолет. Ако режимът се превключи в режим на задържане чрез натискане на бутон, двигателите са насочени надолу и корабът се рее на място и може също да лети назад чрез кормилни движения или да прави точков завой. Програмата за управление включва потребителски интерфейс, който прави входовете и изходите видими и позволява подрязване. Теоретично Argo е готов за полет и вече е успял да извърши няколко сухи тестови полета на кордите, висящи от тавана. Преди първия полет, Арго трябва да продължи да пътува дълго.
Кутията
През ноември 2013 г. Асоциацията на дирижаблите проведе симпозиум, който включваше и фрегата на дирижабъл за модели. Там Argo трябваше да лети като твърд дирижабъл и да представи своята иновативна форма и контрол на корпуса. Освен това там бихме открили само дали изобщо е достатъчно лек, защото само там за пръв път бихме напълнили хелий в газовите торбички. За да може филигранният Арго да си проправи път до регатата, трябваше да се изгради транспортна кутия. Епичните размери на тази кутия от 2,6 х 0,6 х 0,6 метра са трудни за възприемане и се побират на около 5 см в товарното пространство на Булис с дълго междуосие и удължена задна седалка. Дори магазинът за хардуер имаше трудности да достави панели с точния размер. Всъщност за изграждането на кутията са необходими около два пъти повече пари, отколкото за изграждането на Argo, но кутията може да е в бъдеще
Моделите на дирижабли се приспособяват и следователно са реална инвестиция. Тъй като става въпрос за дирижабъл, а не за кутия, тук методът на конструкция е описан само грубо. 6 мултиплекс панела, подсилени с дървени летви, бяха залепени и завинтени и след това няколко пъти боядисани с външна боя. По принцип кутията може дори да се използва като кутия за покрив. Дръжките и затварянията на кутията се върнаха от 3D принтера и носеха „W“ като емблема на вятърния ездач.
Първият полет
Като твърд дирижабъл, Argo е муден, но много чувствителен към управлението. Трансмисията Panstamp работи изключително бързо, така че са възможни прецизни контроли. Превключването от круиз към зависване ви позволява да спрете във въздуха и да се включите на място, за учудване на посетителите. Самият кораб има няколко недостатъка, разбира се, като вътрешното налягане на газовите торбички, които деформираха рамката и непривлекателните гънки изкривиха корпуса. Това беше придружено от някои несъответствия в поведението на полета, като тежест в опашката по време на по-бърз полет, което лесно може да бъде отменено от красивото плъзгане на кораба. Първият полет беше страхотен, уникален и твърде кратък. Още нещо, Argo взе участие в състезанието, но в този размер Blimps превъзхождаха цепелините и победиха Argo досега. Пътуването и строителството все още си заслужаваха и Argo сега чака, добре защитен в кутията си, за приключенията, които могат да дойдат.
Има още снимки на първия полет в PDF документацията: