XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление и испытания винтомоторного дирижабля
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наши дни человечество находит в летательных аппаратах - дирижаблях ещё больше плюсов и выгод. Дирижабль - это управляемый самодвижущийся аэростат. В отличие от обычного воздушного шара, который летит исключительно по направлению ветра и может маневрировать только по высоте в попытке поймать ветер нужного направления дирижабль способен двигаться относительно окружающих воздушных масс в направлении, заданным пилотом. Для этой цели данный аппарат оснащён одним или несколькими двигателями, стабилизаторами и рулями, а также имеет аэродинамическую сигарообразную форму. В своё время дирижабли убила не столько череда ужаснувших катастроф, сколько авиация, развивавшийся в первой половине 20 века с быстрыми темпами. Дирижабль тихоходен, даже самолёт с поршневыми двигателями летает быстрее, а разогнать дирижабль до самолётных скоростей мешает большая парусность корпуса, сопротивление воздуха слишком велико. Проигрывая авиации по скорости, управляемые аэростаты имеют ряд важных преимуществ, благодаря которым возрождается дирижаблестроение:
- во-первых: сила которая поднимает аппарат в воздух известная всем со школьной скамьи сила Архимеда совершенно бесплатна и не требует затрат энергии в отличие от подъёмной силы крыла которые напрямую зависит от скорости аппарата а значит от мощности двигателя дирижаблю двигателя нужны в основном для перемещения горизонтальной плоскости и маневрирования поэтому летательный аппарат такого типа могут обходиться моторами значительно меньше мощности чем потребует самолёта при той же полезной нагрузке.
- во-вторых: по сравнению с крылатой машиной это экологическая частота дирижаблей.
- в - третьих: практически не ограниченная грузоподъёмность. Подъёмная сила вертолётов и самолётов имеет ограничение по прочностным характеристикам материалов, для дирижабля ограничений нет, полезная нагрузка тысяча тонн не фантастика, дирижабль может длительное время находиться в воздухе и не требуется аэродром с длинными ВПП, имеет большую безопасность полётов тихоходность может отнести к достоинствам этих кораблей.
Актуальность проекта: исследование актуально в свете растущего интереса к воздухоплавательным технологиям.
Цель проекта: определить и проанализировать развитие воздухоплавания от первых полётов до современности и изготовить беспилотный дирижабль с грузоподъёмностью в 120 граммов.
Задачи:
1.Исследовать исторические факты и архивные документы о применении дирижаблей;
2.Проанализировать эффективность дирижаблей в современном мире;
3.Создать модель дирижабля с изменяемыми параметрами скорости и грузоподъёмности.
Предмет исследования: дирижабль.
Этапы выполнения:
1. Выбор проблемы;
2. Знакомство с технической литературой и анализ информации;
3. Проработка эскиза;
4. Выбор материала для изготовления проекта;
5. Подбор инструментария;
6. Разработка технологической карты по изготовлению проекта;
7. Сборка аппарата;
8. Испытания машины;
Рассмотрев все имеющиеся варианты, обдумав достоинства и недостатки, я принял за основу вариант с модульной конструкцией и средней грузоподъёмностью для работы.
Работа ведется на протяжении 2-х лет, в течении которых проанализированы характеристики дирижаблей на 14 моделях, созданных собственными руками.
Глава 1. Теоретическая часть.
-
-
История дирижаблей: от первых полётов до современности
-
Дирижабли. Упоминание этого слова вызывает в воображении образы величественных машин, скользящих по небесам, как мечтательные облака. Они стали символом человеческой амбиции и инноваций, ярко выделяясь на фоне всех других видов транспорта. С момента своего появления дирижабли занимают особое место в истории авиации, и их путь полон удивительных открытий, трагедий и возрождений.
История дирижаблей начинается в 1783 году, когда братья Монгольфье запустили в небо свой первый воздушный шар. На борту находилась кукла, символизировавшая возможность подняться в воздух. Это было лишь начало долгого и увлекательного пути, который приведет к созданию управляемых дирижаблей. В 1852 году, французский изобретатель Жан-Батист Сент-Антуан предложил концепцию, которая стала основой для первых современных дирижаблей. Его работа открыла новые горизонты для управления воздухоплавательными машинами. Вскоре, в 1852 году, Henri Giffard совершил первый управляемый полет на своем дирижабле, что стало важным шагом в развитии этой технологии.
20-е годы 20 века стали настоящей золотой эпохой для дирижаблей. Они использовались для пассажирских перевозок, и одним из самых известных стал немецкий дирижабль «Гинденбург». Путешествие на дирижабле в то время ассоциировалось с роскошью, комфортом и захватывающими видами. Пассажиры могли наслаждаться панорамными окнами, открывающими великолепные пейзажи, и ощущать себя в центре внимания. Однако, как это часто бывает, мечты этой эпохи обернулись трагедией. В 1937 году катастрофа «Гинденбурга» привела к сомнениям в безопасности дирижаблей, и их популярность резко пошла на убыль. Эта трагедия затмила все достижения и возможности, которые предлагали эти удивительные машины.
Несмотря на мрачные события прошлого, история дирижаблей не закончилась. В последние десятилетия они вновь начали привлекать внимание, но с совершенно новой перспективы — как экологически чистая альтернатива традиционным транспортным средствам. Технологические прорывы открыли двери для создания современных дирижаблей, которые используют композитные материалы и газы, такие как водород и гелий. Эти новшества делают дирижабли более безопасными и эффективными.
Современные дирижабли не только способны совершать необычные пассажирские полеты, но и открывают новые горизонты для грузоперевозок, мониторинга природных ресурсов и даже для телекоммуникаций. Они могут достигать высоты до 3000 метров, обеспечивая видимость и доступность, которые невозможно достичь с помощью традиционных самолетов.
Что же ждет нас в будущем? Возможности дирижаблей только начинают раскрываться. Эти машины могут использоваться для мониторинга природных катастроф, обеспечения безопасности и даже для поисково-спасательных операций. Представьте себе, что в случае наводнения дирижабли могут легко добраться до труднодоступных мест, оценить масштаб бедствия с высоты и помочь тем, кто попал в бедственное положение. Это действительно удивительно, как технологический прогресс может изменить нашу жизнь и сделать ее лучше.
Не менее важно отметить, что дирижабли являются более эффективными с точки зрения энергопотребления по сравнению с традиционными методами транспорта. Они способны перевозить грузы и пассажиров с минимальными выбросами углерода, что делает их привлекательным вариантом в свете глобальных экологических проблем. Современные технологии обеспечивают высокий уровень безопасности, жизнеобеспечения и комфорта для пассажиров.
С учетом того, что мир движется в сторону более экологичного подхода, дирижабли могут занять свое место в этом новом экосистеме как надежный и безопасный транспорт.
Каждый полет на дирижабле наполняет атмосферу таинственностью. Мы поднимаемся в небо и видим мир с высоты, испытывая необыкновенное чувство свободы и вдохновения от этих мягких гигантов. Дирижабли обещают не только практическое применение, но и возможность пережить уникальные моменты, когда время, кажется, замедляется.
Современный мир, насыщенный инновациями и технологиями, жаждет возрождения дирижаблей. Для жителей городов и компаний, работающих в высоких технологиях, это шанс установить новые стандарты и создать свою историю в этой увлекательной области.
В последние годы наблюдается возрождение интереса к дирижаблям не только как к средству передвижения, но и как к уникальному инструменту для решения различных социальных и экологических задач. Их способность медленно и плавно перемещаться над землями и водами предоставляет новые возможности для исследования и наблюдения. Дирижабли становятся важными участниками в мониторинге окружающей среды, а также в помощи при стихийных бедствиях.
Современные дирижабли могут использоваться для мониторинга состояния экосистем. Они способны собирать данные о качестве воздуха, уровне загрязнения и изменениях климата, что делает их незаменимыми в борьбе с экологическими проблемами. Благодаря своей высоте и способности зависать на одном месте, дирижабли могут предоставлять информацию, недоступную другим средствам передвижения.
Во время природных катастроф, таких как наводнения или лесные пожары, дирижабли могут осуществлять воздушную разведку и помогать в координации спасательных операций. Их возможность медленно и точно летать над проблемными районами позволяет быстро и эффективно оценить ситуацию.
Дирижабли также открывают новые горизонты в области грузоперевозок. Они могут доставлять товары в удаленные или труднодоступные регионы, где традиционные способы транспортировки могут оказаться неэффективными. Например, в горных районах или на островах, где дороги отсутствуют, дирижабли могут стать идеальным решением для обеспечения жителей необходимыми грузами.
Кроме того, они могут использоваться для перевозки крупных и тяжёлых предметов, таких как строительные материалы или медицинское оборудование, что также делает их важным элементом современных логистических цепочек.
Не стоит забывать и о туристическом потенциале дирижаблей. Путешествия на дирижабле становятся всё более популярными среди туристов, желающих насладиться уникальными видами и медленным темпом передвижения. Это позволяет путешественникам насладиться природой и архитектурой с высоты птичьего полета, не спеша и не торопясь.
Туристические компании уже начали предлагать экскурсии на дирижаблях, которые позволяют посетителям увидеть известные достопримечательности с необычного ракурса. Это новый способ провести время и получить незабываемые впечатления.
Будущее дирижаблей выглядит многообещающе. С каждым годом появляются новые технологии, которые делают их более безопасными, эффективными и экологичными. Использование альтернативных источников энергии, таких как солнечные панели и электрические двигатели, позволяет значительно сократить углеродный след этих машин.
В дополнение к этому, растущий интерес к устойчивому развитию и экологии делает дирижабли привлекательными для инвестиций. Они могут сыграть важную роль в создании более экологически чистого и устойчивого транспорта, отвечая на вызовы современности.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Создание дирижабля и его испытание
2.1.1. Составные части созданного дирижабля
Система управления состоит из одной платы радиоуправления предположительно пьезоэлектрического принципа работы с ключом и индикатором на восемь каналов (три двигателя + обвесы) плата выдерживает ток до 1,2 А напряжением в 4 В (рис. 1).
Рис. 1. Система управления дирижабля
Силовая установка состоит из трёх бесколлекторных двигателей (двух 720 и одного 614). Два 720-х двигателя расположены на коротких (около 65мм) крыльях, играющих роль рычагов для разворота по танковой схеме со снижением оборотов на одном двигателе и с повышением на другом. Третий двигатель (на 614) расположен перпендикулярно двум другим и имеет меньшую мощность, так как он служит только для маневрирования в вертикальной плоскости и от него не требуется тяга, равная тяге маршевых двигателей ,которая в сумме (на форсаже) может доходить до 36 г , в свою очередь тяга маневрового двигателя достигает максимум 8 г (рис. 2).
Рис. 2. Бесколлекторные двигатели в устройстве
Источник питания. Один литий-ионный высокотоковый аккумулятор (рис. 3) формата 18650 ёмкостью около 3 ампер-часов, также в экспериментальном режиме проходили испытания модели с литий-полимерным аккумулятором (был признан неподходящим в следствие низкой токоотдачи, а также модификации с солнечными батареями, но их использование является опасным, так как это может привести к перезаряду и последующему возгоранию аккумулятора. Взят мною с различных запчастей.
Рис. 3. Высокотоковый аккамулятор и камера
Конструкция корпуса. Корпус состоит из потолочной плитки (рис. 4) и из 7 деталей, однако, рассматривалась модификация с трубчатым или деревянным каркасом, обтянутым тканью, но эта идея была отвергнута вследствие повышенной массы корпуса и пониженной прочности на разрыв. В результате взята конструкция с бамбуковой рамой размерами: длина 800 мм, центральный модуль 165 мм, 2 медных кольца на концах.
Рис. 4. Составные части корпуса. Центральный модуль
Бортовое оборудование. Состоит из камеры (рис. 3), передающей изображение на пункт управления и диктофона, передающего звук двигателей и окружающей среды. Также на модификации НВ7 Н были установлены инфракрасные фонари, улучшающие качество съёмки в темное время суток.
Оболочка устройства для повышения грузоподъёмности. Оболочка состоит из 1 баллонета объёмом около 200 литров заполненного гелием, но присутствует дополнительный модуль оболочки на 60 литров, суммарная грузоподъёмность составляет 200 г без учета конструкций, а с их учётом – 97-110 г.
Баллонеты – мешки из воздухонепроницаемой материи, в которые нагнетается забортный воздух. Управляя объёмом баллонета, пилот изменяет давление подъёмного газа. Если баллонет раздувается, гелий сжимается, и плотность его растёт. При этом архимедова сила падает, что приводит к снижению дирижабля (и наоборот).
Рис 5. Оболочка устройства
2.1.2. Сборка дирижабля НВ-7
Для сборки нам понадобится: стол, паяльник, припой, паяльная кислота, компоненты аппарата, клеевой пистолет, клеевые стержни.
Шаг 1: Сначала нужно спаять плюс АКБ, плюс выхода питания камеры, плюс платы управления.
Шаг 2: Нужно спаять минус АКБ, минус питания камеры и минус платы управления.
Шаг 3: Припаиваем 1 пару проводов (1 и 2 канал) к одному из 720 двигателей.
Шаг 4: Паяем 2 пару проводов (3 – 4 канал) к второму 720-му двигателю.
Шаг 5: Соединяем третью пару проводов (5 – 6 канал) с 614 двигателем и насаживаем винты на оси двигателей
Шаг 6: Вырезаем из потолочной плитки семь деталей прямоугольной формы (2 шт:7*6 ,2 шт: 6,5*2, 2 шт: 6*4, 1шт: 7*4).
Шаг 7: Склеиваем термоклеем детали и вставляем схему вперед – камеру и АКБ закрываем платой и ставим двигатели на законцовки крыла (720) и под корпус (614).
Шаг 8: Заправляем оболочку несущим газом (гелием).
Шаг 9: Перевязываем оболочку сверху и снизу веревкой и укрепляем скотчем места, в которые могут ударить винты во избежание разрыва оболочки.
Шаг 10: Привязываем веревки к блоку управления.
2.1.3. Испытания дирижабля
Во время наземных испытаний замеряем тягу двигателей и отрабатываем работу всех систем. Во время комнатных испытаний нужно измерить скорость аппарата в стоячем воздухе. Во время привязных и свободных полётов под открытым небом следует испытать аппарат на сопротивляемость ветру и (только во время привязных) максимальную высоту управляемого полёта. Самое предпочтительное время для испытаний – вечер, когда уже нет яркого солнца, но ещё можно разглядеть чёрный шар на тёмном небе.
Данные условия также относятся к дирижаблю НВ 12, НВ 14, но используются детали меньшего размера. Сборка подразумевает наличие готовых узлов и агрегатов.
Скорость аппарата в воздухе может достигать примерно 2 м/с. Аппарат неплохо сопротивляется ветру из-за мощных двигателей. На расстоянии не более 72 м теряется связь с камерой и данных с камеры нет, хотя виден аппарат воздухе. Оболочка необходима предположительно черного цвета, так как после того как из аппарата выйдет часть гелия, можно вынести на солнце, и он станет в дальнейшем пригоден для полета. Конструкция предусматривает добавление оболочек и двигательных гондол.
В дирижабле присутствует пара управляемых проводов свободных, куда можно подключить дополнительное оборудование (манипулятор).
Заключение
В ходе исследования мы пришли к выводу о значимости дирижаблей в современном мире. Дирижабли, некогда затменные, вновь возвращаются в свет. Их история полна взлетов и падений, но современный мир открывает перед ними новые горизонты. Эти уникальные машины могут стать символом нового подхода к транспорту, который сочетает в себе инновации, экологичность и комфорт. Кто знает, возможно, именно дирижабли станут тем решением, которое нам так необходимо в будущем.
По сравнению с квадрокоптерами при худших летных характеристиках у него меньшая стоимость. С дронами самолетного типа меньше стоимость и лучше маневренность, но меньше скорость.
В результате проделанной работы можно выделить плюсы и минусы дирижаблей.
Плюсы:
-
Низкая стоимость (1683 рубля).
-
Безопасность.
-
Высокая автономность.
-
Хорошая грузоподъёмность.
-
Маневреность.
Минусы:
-
Низкая скорость.
-
Сопротивление ветру.
-
Внешний вид.
В результате проделанной работы мною выполнена цель по созданию дирижабля и задачи, а именно:
1. Исследованы исторические факты и архивные документы о применении дирижаблей;
2. Проанализирована эффективность дирижаблей в современном мире;
3. Создана модель дирижабля с изменяемыми параметрами скорости и грузоподъёмности.
Список литературы
1. "Дирижабли в Великой Отечественной войне" - газетная статья....
[Электронный ресурс] // dolgoprud.org - Режим доступа:
https://dolgoprud.org/doc/?book=14&page=469 .
2. Советские дирижабли в великой отечественной... [Электронный
ресурс] // vk.com - Режим доступа: https://vk.com/wall-42240172_1493 .
3.Журнал "Воздухоплаватель" - Дирижабли СССР В-12 и СССР...
[Электронный ресурс] // ballooning-magazine.ru - Режим доступа:
http://ballooning-magazine.ru/433 .
4. Преимущества использования дирижаблей нового... | Дзен
[Электронный ресурс] // dzen.ru - Режим доступа:
https://dzen.ru/a/ztwprk5vawlxn733 .
5. Почему будущее доставки всё-таки может быть за дирижаблями
[Электронный ресурс] // habr.com - Режим доступа:
https://habr.com/ru/companies/pochtoy/articles/469783/ .
6. Сергей Бендин: «Беспилотный дирижабль обеспечит нашим...»
[Электронный ресурс] // www.business-gazeta.ru - Режим доступа:
https://www.business-gazeta.ru/article/590407 .
7. Беспилотные грузовые дирижабли как инструмент газификации
[Электронный ресурс] // kiozk.ru - Режим доступа:
https://kiozk.ru/article/ekspert/zabyt-gindenburga .