Argo; Călăreț de vânt
Construcția și zborul inițial al unui model de dirijabil rigid
Articolul în format PDF: Die_Argo
De ce să construiești un dirigibil?
Argo nu este un dirigibil obișnuit, este planificat ca un dirigibil rigid. Asta înseamnă că, la fel ca vechile zepelini, are o structură exterioară rigidă, aerodinamică, acoperită, în interiorul căreia există mai multe pungi de gaz. Acest lucru are unele avantaje față de baloanele normale, dar și o serie de dezavantaje care fac din construirea unui astfel de model o mare problemă. În această mică documentație a proiectului, arătăm cum unele dintre aceste probleme au fost rezolvate bine și altele au fost parțial rezolvate.
Argo este în același timp un dirigibil experimental în care se testează o formă de corp care integrează vâslele direct în formă, similar cu o canoe. Acest lucru mărește aerodinamica și volumul navei. În același timp, Argo ar trebui să folosească două mici motoare fără perii cu rotire diagonală pentru a stăpâni viraje extrem de strânse sau parcarea inversă în plus față de zborul înainte.
Pentru ca întreaga poveste să fie și mai interesantă, Argo este programat să-și ia primul zbor pe fregata dirijabilă a Asociației Dirijabile din Sussex, Marea Britanie. Asta înseamnă că dirijabilul extrem de filigranat trebuie să vină cumva nevătămat din Germania, prin țările Benelux și canalul către Regatul Unit. Dar mai întâi Argo trebuie planificat.
Plan:
Argo a fost derivat de la predecesorul său "Hugin", care avea încă 4 suprafețe rigide ale cârmei la pupa, care sunt scoase din forma corpului navei. Argo în sine a fost reproiectat pe 3 suprafețe mai mari ale cârmei, fiecare dintre ele ducând pe o suprafață mobilă care este controlată de un servo. Cu 3 vâsle, nava economisește puțin greutate comparativ cu varianta cu 4 vâsle și, în principiu, nu pierde niciun grad de libertate. Controlarea acestei cârme lambda este puțin mai dificilă, dar din moment ce va fi utilizat un microcontroler, aceasta nu este o problemă majoră.
Deja vizibil în imagine este dezmembrarea carcasei în secțiuni transversale individuale care vor servi ulterior drept bază pentru cadru. Cadrul va fi realizat din lemn de balsa gros de 1 mm în benzi late de 3 mm, lipit cu Ponal și apoi acoperit cu hârtie extrem de subțire. Pungile de gaz sunt făcute din pături de salvare și sunt umplute informal în plic și umplute cu heliu. Componentele electronice provin de la flyere lente și sunt controlate printr-un microcontroler Panstamp de pe PC folosind un joystick. În cele din urmă, transportul către Anglia ar trebui să aibă loc într-o cutie personalizată. Așa că ajungem la realizare.
Argo a fost calculat după cum urmează. Cu o lungime de 2,4 m și un diametru mare de aproximativ 0,6 m, are un volum intern teoretic de 470 litri. Cu gaz de balon inferior, aceasta corespunde unei flotabilități practice de 470 g. Greutatea diferitelor ansambluri este distribuită peste aceste 470 g după cum urmează:
Cadru - 100 g
Acoperire - 64 g
Pungi de gaz - 80 g
Electronică - 80 g
Aceasta corespunde unei greutăți totale de 324 g. Deoarece acesta este un calcul optimist și este în mod fundamental mai rău în practică, am presupus o redundanță de peste 150 g în greutate pentru construcție, astfel încât structura finală să poată pluti chiar dacă apar probleme. Asta va da roade, după cum vom vedea mai târziu.
Etape de construcție:
Schela
Cadrul filigranului este construit în două secțiuni, una superioară și una inferioară, care sunt apoi lipite în mijloc. 13 plăci MDF care au fost tăiate pentru a se potrivi cu modelul 3D servesc drept șablon. Pentru a transfera secțiunile transversale de pe computer pe plăcile MDF, imaginea de referință a fost aruncată pe plăcile de lemn cu o grindă și desenată.
Acum, materialul de construcție este produs, o grămadă uriașă de grinzi de balsa filigrană a fost tăiată din nu chiar 3 panouri din lemn de balsa grosime de 1 mm, 10 x 100 cm, care formează suporturile pentru cadru. Una dintre aceste grinzi din lemn de balsa cântărește în jur de 0,8 g și este destul de fragilă și flexibilă singură.
Compozitul grinzilor dintr-o structură mare cu elemente transversale și longitudinale este surprinzător de stabil și poate rezista la o mare solicitare. În același timp, materialul este flexibil și poate fi modelat într-un mod special, ceea ce este perfect pentru construirea Argo cu forma complicată a cochiliei. Ca prim pas, cadrele longitudinale sunt fixate pe șablon. În al doilea pas, forma nervurilor transversale este îndoită și lipită. Pentru ca nervurile să păstreze forma corectă, acestea sunt plasate în apă și apoi îndoite în punctele de îndoire peste un fier de lipit. Această tehnică este oarecum modificată în construcția navală și astfel lemnul poate fi modelat permanent. Nervurile transversale uscate și formate sunt acum lipite pur și simplu de nervurile longitudinale la punctele de trecere cu Ponal. Pentru fixare folosim cleme din materiale de grădinărit, cu care se obține de fapt plante cățărătoare pentru a rămâne pe stâlpii lor. Aceste cleme sunt ușoare și au o presiune bună de contact și am avut o mulțime de ele. În această secțiune, viteza de construcție este, în principiu, determinată doar de numărul de capse și de uscarea lipiciului.
Greutatea totală în acest moment: 60 g (aproximativ 80 g)
Acoperirea:
După aplicarea învelișului, dirijabilul a devenit prea greu pentru cântările fine exacte, dar cântarele Ikea disponibile au făcut doar estimări imprecise. Aparent, greutatea este cu mult peste valoarea estimată, iar nava cântărește aproximativ 220 g, cu acoperirea finită și schela construită anterior. Deja sunt incluse 3 microservuri care ar trebui să mute cârma cozii. Așa că ajungem la următoarea fază de construcție, electronica Argo.
Pungile de gaz:
Flotabilitatea Argo vine de la două pungi de gaz realizate dintr-o folie subțire din plastic acoperită cu aluminiu (16 g/m²). Acestea au fost tăiate aproximativ la dimensiune și conectate cu bandă adezivă pe două fețe, care permite legături extrem de puternice și etanșe la gaze. În principiu, o bucată mare de folie este pur și simplu pliată în mijloc și lipită la margini. Un tub de film introdus anterior este gâtul de umplere și este închis cu bandă adezivă după umplere. Deoarece forma Argo este determinată de cadrul și de acoperire, airbag-ul poate umple interior interiorul, ceea ce face producția mult mai ușoară.
Electronicul:
Schițate aproximativ, electronica navei constă din următoarele componente:
- O baterie litiu polimer de 3,7 V 1S pe prova, care alimentează întreaga navă cu energie
- Un modul panstamp care, pe de o parte, stabilește legătura radio la sol și, pe de altă parte, controlează servo-urile, preluând practic rolul unui receptor flexibil care poate calcula și transmite în același timp. Acest modul panstamp controlează celelalte componente:
- 2 micro motoare fără perii cu ESC pe arc, care pot fi controlate individual
- 2 servo-uri, care controlează fiecare direcția motoarelor fără perii și permit rotirea jetului de tracțiune din față în spate.
- 3 servome la pupa controlând fiecare câte o cârmă.
Deci, un total de 7 canale de telecomandă trebuie atribuite și controlate destul de complexe, dar mai multe despre asta mai târziu.
Servo-urile de coadă
Motoarele:
Am folosit cele mai mici motoare fără perii la prețuri accesibile (2,3 g) pe care le-am putea obține pe piață. Acestea sunt controlate de ESC-uri minuscule (0,2 g), care sunt alimentate cu energie prin intermediul firului servo. Întreaga rețea de la bord este directă și nereglementată pe baterie, astfel încât servomotoarele și regulatoarele de viteză funcționează cu un curent de 3,7 V - 4,2 V, în funcție de încărcarea bateriei, care funcționează foarte bine în experiment. Deoarece motoarele sunt destul de puternice și consumă până la 2 amperi, am decis să folosim cabluri mai groase și izolate cu o secțiune transversală de 0,14 m² pentru alimentarea cu energie electrică, în timp ce semnalul este redirecționat din nou către ESC printr-un fir de cupru emailat. Micile elice cu flutură lentă au fost lipite direct pe arborele motorului pentru a economisi greutatea rotitorului. Ambele motoare dezvoltă împreună o mulțime de tracțiune, în ciuda dimensiunilor mici și a sunetului extraordinar datorită uriașei cutii de sunet ale dirijabilului.
Servomotoarele motorului:
Două servouri mai puternice de 5g reglează direcția de împingere a motorului. Aceasta este pentru o manevrabilitate mai bună și funcționează în conformitate cu următorul principiu. Motoarele sunt mult înainte în navă și axele lor de împingere sunt dispuse într-un unghi. Dacă elicele suflă înainte, nava zboară înapoi, dacă suflă înapoi, zboară înainte. În poziția de mijloc, acestea sunt îndreptate în jos și în exterior. Deci, o parte a tracțiunii coboară, alta la stânga și la dreapta. Dacă doriți să zburați în sus, alegeți această setare, dacă doriți să zburați în lateral, unul dintre motoare este oprit, astfel încât celălalt motor să genereze o forță laterală. Deoarece motoarele sunt în față, nava se întoarce la fața locului. Soclurile servomotorelor și suporturile motorului au fost proiectate în FreeCAD și tipărite pe un Ultimaker. Deoarece componentele trebuie executate cu precizie și datorită puterii motorului trebuie să fie destul de robuste, ne-am decis împotriva unei construcții din lemn de balsa și a variantei din plastic imprimat. Un capac motor complet cu elice, motor, ESC, servo, suport și cabluri cântărește în cele din urmă 15 g. Acest lucru adaugă 30 g la greutatea navei pentru cele două păstăi.
Bateria:
Pentru a menține greutatea navei redusă, se folosesc cele mai mici baterii acceptabile. Deoarece motoarele nu au nevoie de multă energie electrică, iar dirijabilele sunt zboruri extrem de economice, deoarece nu risipesc niciun fel de energie în zbor, bateriile 1S 300mAh sunt perfecte și cântăresc 8,5 g fiecare.
Panstamp:
Inima electronicii și a centrului de control al întregului dirigibil este un modul panstamp. Aceste module radio mici provin dintr-un proiect de automatizare a locuințelor, sunt freeware și sunt programate prin Arduino. Am decis această soluție deoarece Argo ar trebui să fie controlat de software prin intermediul computerului pentru a scrie controlul complex al motoarelor și cârmelor într-un mod complet programabil. În același timp, protocolul de transmisie pentru semnalul de control poate fi scris în mod liber, permițând astfel încorporarea oricărui număr de canale și funcții. În cele din urmă, însă, greutatea de doar 2,2 g a decis în favoarea Panstamp ca soluție, la fel și prețul scăzut. Panstamp-ul a fost decuplat de la sursa de alimentare de la Argo cu un convertor de tensiune de 3,3 V și conectat la cablurile de semnal ale servo-urilor. O antenă subțire din sârmă de cupru emailată formează unitatea de recepție ușoară și nu am intrat niciodată în goluri de recepție până la o distanță de aproximativ 100 m în zbor.
Programarea:
Un firmware Arduino auto-scris destul de simplu rulează pe modulul panstamp, care folosește mai multe biblioteci open source și, în principiu, nu face altceva decât să aștepte constant semnalele radio de la stația de la sol. În același timp, scrie ultimele semnale rezonabile către servomotoarele și motoarele respective. Acest lucru are loc la o frecvență de aproximativ 16 ms pe ciclu, care este puțin mai rapid decât cei 20 ms pe care îi fac telecomenzile standard. Aritmetica și controlul propriu-zis se fac la sol. Un alt modul panstamp este conectat la un notebook ca emițător. Acest notebook rulează software care este scris în limbajul de programare deschis Prelucrare și preia semnalele de control de la un joystick, le transformă în comenzi pentru servo-urile și motoarele individuale ale Argo și apoi le trimite ca pachet la navă.
Întrucât codul fiscal este destul de complex, este discutat doar aproximativ aici. Punctul real al codului este de a converti mișcările tuturor servomotoarelor și motoarelor la comenzile de control ale pilotului. Dacă pilotul se îndreaptă spre dreapta, cele 3 servome ale cârmei de mișcare se deplasează corespunzător și poziția servomotorelor, precum și forța motoarelor sunt adaptate automat la mișcarea de direcție. Există două moduri, hover și croazieră. În regim de croazieră, motoarele sunt direcționate rigid spre spate și numai direcția și ghidajul sunt utilizate. Deci, este posibil doar zborul înainte, similar cu un avion. Dacă modul este comutat în modul hover prin apăsarea unui buton, motoarele sunt direcționate în jos și nava se deplasează la fața locului și, de asemenea, poate zbura înapoi prin mișcări de direcție sau poate face un viraj. Programul de control include o interfață cu utilizatorul care face vizibile intrările și ieșirile și permite tăierea. Argo este teoretic gata de zbor și a reușit deja câteva zboruri de testare pe cablurile atârnate de tavan. Înainte de zborul inițial, Argo ar trebui să facă totuși o călătorie lungă.
Cutia
În noiembrie 2013, Asociația Dirijabila a organizat un simpozion, care a inclus și o fregată de dirijabil pentru modele. Acolo Argo trebuia să zboare ca un dirigibil rigid și să prezinte forma și controlul său inovator. În plus, am afla doar dacă este suficient de ușor, pentru că numai acolo am umple heliu în pungile de gaz pentru prima dată. Pentru ca filigranul Argo să se îndrepte spre regată, a trebuit construită o cutie de transport. Dimensiunile epice ale acestei cutii de 2,6 x 0,6 x 0,6 metri sunt greu de înțeles și se potrivesc la aproximativ 5 cm exact în spațiul de încărcare al Bullis cu un ampatament lung și scaunul din spate extins. Chiar și magazinul de hardware a avut dificultăți în furnizarea de panouri la dimensiunea potrivită. De fapt, construirea cutiei a luat aproximativ de două ori mai mulți bani decât construcția Argo, dar cutia ar putea fi în viitor
Modelele de dirijabil se potrivește și este, prin urmare, o investiție reală. Întrucât este vorba despre un dirigibil și nu despre o cutie, metoda de construcție este descrisă aproximativ aproximativ aici. 6 panouri multiplex, armate cu lamele de lemn, au fost lipite și înșurubate și apoi vopsite de mai multe ori cu vopsea exterioară. În principiu, cutia poate fi utilizată chiar și ca o cutie de acoperiș. Mânerele și închiderile cutiei s-au întors de la imprimanta 3D și purtau „W” ca emblemă a călărețului de vânt.
Zborul inițial
Fiind un dirigibil rigid, Argo este lent, dar foarte sensibil la direcție. Transmisia Panstamp funcționează extrem de rapid, astfel încât să fie posibile controale precise. Comutarea de la croazieră la plutire vă permite să vă opriți în aer și să vă întoarceți la fața locului, spre uimirea vizitatorilor. Nava în sine are câteva defecte, desigur, cum ar fi presiunea internă a pungilor de gaz care au deformat cadrul și pliurile neatractive ale pliurilor au deformat corpul. Acest lucru a fost însoțit de unele inconsecvențe în comportamentul de zbor, cum ar fi greutatea cozii în timpul zborului mai rapid, care ar putea fi ușor depășit de frumoasa alunecare a navei. Zborul inițial a fost grozav, unic și mult prea scurt. Încă un lucru, Argo a participat la cursă, dar în această dimensiune Blimps sunt superiori Zeppelinilor și au învins Argo-ul cu mult. Călătoria și construcția au meritat în continuare și Argo așteaptă acum, bine protejat în cutia sa, aventurile care pot veni.
Există mai multe imagini ale zborului inițial în documentația PDF: