VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Реконструктивная адаптация беспилотного летательного аппарата
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Разработан системный комплекс технических решений, обеспечивающих авторскую реконструктивную адаптацию беспилотного летательного аппарата для оперативного оповещения чрезвычайных ситуаций.
Летающая модель — уменьшенная копия летательного аппарата, содействуя научным открытиям, принесла человечеству огромную пользу. Под БПЛА понимают дистанционно управляемые летательные аппараты, применяемые для проведения воздушной разведки. Беспилотные летательные аппараты принято делить по таким взаимосвязанным параметрам, как масса, время, дальность и высота полёта. Публикационным предпроектным анализом определено, что изначальное применение беспилотных летательных аппаратов определялось как боевое. С начала 2000-х годов колоссальное значение стали приобретать «микро-беспилотники», разрабатываемые не для военных, а сугубо для гражданских целей. Беспилотные летательные аппараты дают возможность исключить присутствие человека при трудновыполнимых и опасных задачах.
Цель работы: разработка и создание реконструктивной авиамодели для оперативного воздушного оповещения чрезвычайных ситуаций .
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. осуществлён поиск наиболее подходящей конфигурации летательного аппарата;
2. реконструирован радиоуправляемый БПЛА, с установкой необходимого оборудования и органов управления;
3. проведены испытания летательного аппарата с полезной нагрузкой – камерой наблюдения;
4. сделана фотосъёмка местности при помощи БПЛА и установленного оборудования.
Техническая новизна:
использование летательного средства для критического обзора и оценки оперативного пространства с разрешением высоты наблюдения 200 м для оповещения чрезвычайных ситуаций.
Методы и средства решения:
Публикационный предпроектный анализ и авторская реконструктивная адаптация и последующая сборка летального аппарата с определённой разрешающей способностью высоты наблюдения 200 м для оперативного оповещения чрезвычайных ситуаций.
Актуальность проблемы вытекает из необходимости и потребности выполнения полёта и аэрофотосъёмок в труднодоступных оперативных зонах в случаях чрезвычайных ситуаций для получения необходимой и достаточной информации и принятия решения.
В настоящее время авиамоделизм набирает популярность. Использование уменьшенных копий летательных аппаратов в целях спасения людей при наводнениях и землетрясениях является большой редкостью. Данные обстоятельства привели нас к осуществлению реконструктивной адаптации беспилотного летательного аппарата.
Базой исследования явилась МОУ СОШ №51 им. Числова А.М. г. Волгограда.
ГЛАВА I. Конструктивные особенности адаптации.
Конструкция
Для решения поставленных задач мы выбрали конструкцию «летающее крыло».
«Летающее крыло» (схема расположения лонжеронов).
Схема летающего крыла, лишенная элементов, приводящих к появлению дополнительного вредного сопротивления (фюзеляж и горизонтальное оперение), казалась с этой точки зрения весьма заманчивой. Однако сразу же возникли и трудности с устойчивостью летающего крыла, которые в значительной мере снижают аэродинамические преимущества такой схемы. Именно поэтому схема летающего крыла до сих пор не нашла широкого распространения в авиации [9].
Как уже говорилось ранее, недостатки схемы являются продолжением её достоинств — небольшое удаление плоскостей управления от центра масс обусловливает их низкую эффективность
Плоскости управления самолёта (элевоны).
что делает самолёт очень неустойчивым (рыскливым) в полёте. Из-за данной особенности схема летающего крыла до сих пор не получила большого распространения [3].
На концах плоскостей крыльев мы решили установить законцовки - небольшие дополнительные элементы в виде плоских шайб.
Законцовки в виде шайб на крыльях улучшают аэродинамические свойства.
Законцовки позволяют увеличить эффективное удлинение крыла, не изменяя при этом его размах. Применение законцовок позволяет улучшить дальность полёта у летательных аппаратов. В настоящее время одни и те же типы самолётов могут иметь законцовки разных конструкций.
Сравнение индуктивных вихрей на крыльях с традиционной оконечностью и с законцовкой.
В используемой нами модели самолёта лонжероны обеспечивают основную жёсткость конструкции крыла. Для управления моделью в воздухе используются элевоны, которые приводятся в движение двумя сервоприводами.
Движение самолёта вперёд осуществляется с помощью двигателя, установленного на мотораму.
Двигатель, установленный на мотораму
Материалы
Наш самолёт мы изготовили из пенопласта. Силовая установка (электродвигатель) устанавливается на деревянную раму. Нос самолёта изготавливается из мягкого поролона. Данное решение позволяет снизить нагрузку при неудачной посадке на нос самолёта, поглощая энергию при ударе. Все детали корпуса летательного аппарата соединяются с помощью клея, устойчивого при сменах температур и деформации плоскостей управления.
Корпус мотора состоит из алюминиевых деталей. Обмотка ротора – из медной проволоки. Конструкция сервоприводов предусматривает большое количество пластиковых деталей, что делает их очень лёгкими.
Сборка самолета
На нижнюю пластину закрепляются все лонжероны. На передней части нижней пластины размещаются две полоски пенопласта и стачиваются под углом 45 градусов. Это необходимо для создания закругленного профиля крыла.
Схема сборки передней кромки крыла
К третьему лонжерону закрепляется кассета сервопривода. Кассета изготавливается из пенопласта и представляет собой коробочку, в которую устанавливается сервопривод для надёжной фиксации.
Задняя кромка крыла стачивается до толщины 2,5 мм для того чтобы верхняя пластина (обшивка) легла под небольшим углом.
Задняя кромка крыла
За третьим лонжероном вклеивается усиление (пенопласт, сточенный под профиль прямоугольного треугольника) это необходимо для придания жёсткости мотораме.
Верхняя пластина должна быть на 10 мм больше, чем нижняя, так как при данной компоновке крыльев она должна быть согнута для закругления, что обеспечивает обтекаемость конструкции. Пластина сгибается с помощью трубы диаметром 10 см и газеты для того, чтобы пенопласт не лопнул. После склейки верхней и нижней плоскостей крыло приобретает профиль с большой относительной толщиной и закругленной передней кромкой.
Далее аналогично изготавливаем второе крыло, после чего склеиваем оба крыла вместе. После в корпусе вырезаются два контейнера для электроники. Один контейнер находится спереди - для аккумуляторной батареи, и ещё один - в центре конструкции - для регулятора с приёмником. Сзади вырезается паз для установки моторамы с самим мотором (срезается верхняя кромка крыла, и в получившейся контейнер устанавливается моторама). Мотор AX-2308N-1100 имеет радиатор, что позволяет с легкостью установить его на каркас. После этого корпус самолёта обклеивается скотчем для придания наибольшей жёсткости конструкции.
Далее вырезаются элевоны, передняя часть которых стачивается под углом 45 градусов. Элевоны при отклонении на правой и левой консолях крыла на одинаковые углы, а также в одну сторону работают как орган управления продольным движением и продольной балансировки. При отклонении справа и слева на равные углы, но в противоположные стороны выполняют функции органа управления креном. Отклонением правого и левого элевона на разные углы управляют одновременно продольным и боковым движением. С помощью скотча элевоны закрепляются на задней кромке крыльев.
В контейнеры помещаются сервоприводы, в нашем случае - это 5-тиграммовые TGY 1550A. Сервопривод, она же рулевая машинка - устройство, обеспечивающее преобразование сигнала в строго соответствующее этому сигналу перемещение (как правило, поворот) исполнительного устройства.
Расположение элементов управления. 1 и 2 – сервоприводы, 3 – двигатель, посередине – распределитель сигнала по каналам (ресивер), слева от ресивера – регулятор мощности двигателя.
На вал надевается рычаг в форме круга, креста или перекладины для передачи вращающего движения на рабочий орган. После поворота вал остается в этом положении, пока не придет иной управляющий сигнал. Смысл сервопривода в гарантированном выполнении заданной команды Воспрепятствовать этому может лишь разрушение сервопривода, снятие внешнего управляющего сигнала или пропадание напряжения питания. К рычагам сервоприводов присоединяются тяги (деревянные рейки) с клипсами на концах. В элевоны устанавливаются петли и соединяются с деревянной тягой.
Готовая конструкция летательного аппарата имеет размах крыльев 980 мм, самая длинная хорда (место соединения двух крыльев) - 370 мм. Масса самолёта, оснащённого всеми органами управления, без полезной нагрузки равна 400 г. При установке камеры планер приобретает вес около 500 г. Рядом с камерой установлен сервопривод, который отвечает за фокусировку и спуск затвора
Устройство крепления камеры к корпусу
Выводы второй главы:
Конструкция «летающее крыло» оказалась наиболее подходящей для решения поставленных задач.
В ходе испытаний было установлено, что пенопласт, благодаря своей пористой структуре, является очень лёгким материалом и незаменим при изготовлении подобных моделей летательных аппаратов. Применение пластика также способствует уменьшению веса некоторых узлов и деталей.
ГЛАВА II. Электросхема модели.
Электросхема представленного нами беспилотного летательного аппарата очень проста. Она состоит из пяти частей: 1) силовая установка – бесколлекторный микроэлектродвигатель AX-2308N-1100 (1100 об/мин на 1В, при использовании трёхбаночного аккумулятора (12,5В) – 13750 об/мин). Данный мотор позволяет очень точно регулировать силу газа и плавно управлять снижением или повышением оборотов.2) Трёхбаночная аккумуляторная батарея (12,5В). Заряда данной батареи хватает на 20 - 25 минут полёта с полезной нагрузкой в зависимости от температуры воздуха. 3) Регулятор мощности двигателя, который позволяет набирать и сбрасывать обороты, а также полностью отключать питание двигателя. 4) Приёмник радиосигнала, работающий на одной частоте с пультом управления – 2,4 ГГц, такая частота делает аппаратуру самолёта почти неуязвимой для внешних радиопомех. Как уже было сказано раньше, на самолёте установлено три сервомеханизма (5)TGY 1550A, они также являются неотъемлемой частью электросхемы.
Органы управления самолётом
Выводы третей главы:
Большим плюсом модели является простота пилотирования.
В ходе испытаний было выявлено, что используемые нами элементы управления справляются со всеми нагрузками, действующими накрыло во время тангажей и кренов.
Завершив практическую часть работы, мы пришли к выводу, что 20 – 25 минут полёта достаточно для наблюдения за сравнительно небольшим участком местности.
ГЛАВА III. Расчёт основных аэродинамических свойств.
Центровка модели.
Если характер распределения подъёмной силы вдоль размаха крыла неизвестен, то для наиболее часто встречающихся форм крыльев в плане – трапециевидных и прямоугольных – размер и положение средней аэродинамической хорды можно приближённо определить графическим методом, что наиболее актуально в нашем случае. Последовательность действий такова:
хорды boи bк делятся пополам и через их середины проводится средняя линия полукрыла – прямая AB;
на продолжении хорды bк откладывается отрезок длиной bo, а на продолженной в другую сторону хорде bo– отрезок длиной bк;
концы этих отрезков (точки C и D) соединяются прямой.
Точка пересечения прямых AB и CD определит длину bAи положение zAсредней аэродинамической хорды на плане крыла[8].
Средняя аэродинамическая хорда
Таким образом, спроецировав аэродинамическую хорду на место соединения крыльев самолёта, т. е. на центральную ось вращения, получается, что в представленной нами модели она проходит не только через сам корпус самолёта но и часть её проходит через мотораму. Центр тяжести модели располагается на расстоянии 15 – 20% длины хорды крыла от передней кромки.
После нескольких испытаний модели и построения чертежей нами был выявлен более лёгкий способ определения длины средней аэродинамической хорды для данной модели самолёта, независимо от её размеров. Для расчёта длины обозначим за xосевую хорду крыла (т.е. самое длинное основание трапеции) - bо.
1) Внутреняя хорда в моделях компоновки «летающее крыло» в большинстве случаев является самой длинной хордой крыльев.
2) 1,44 – постоянный коэффициент, выявленный нами и используемый для определения длины аэродинамической хорды при любой величине концевой хорды.
Из описанного выше следует:
, или . Подставляя известные нам значения в выражение, получим: . Таким образом, расстояние от задней части хорды равно: .
Таким образом, учитывая, что выступающая часть моторамы за задней плоскостью крыла вместе с мотором имеет длину 5 см, то центр тяжести корпуса модели находится на расстоянии 140 – 150 мм от задней кромки летающего крыла
Удлинение крыла
Очень большую роль в аэродинамике самолёта играет удлинение крыла. Удлинение крыла – величина, характеризующая «удлинённость» несущей поверхности крыла, независимо от компоновки корпуса. Удлинение крыла нашей модели мы определили по формуле: , где L – размах крыла (0,98 м); SM - площадь модели, т. е. сумма площадей двух крыльев.
Площадь крыльев рассчитывается по формуле: . bк – концевая хорда (чаще всего это наименьшая хорда крыла); для обеспечения хороших аэродинамических характеристик (безотрывное обтекание при минимальных значениях числа Рейнольдса) длина концевой хорды не должна быть меньше 100 мм. Обтекание воздухом самолёта сильно зависит от характера изменения скорости в пограничном слое. При малых скоростях движения и малых линейных размерах поверхности, обтекаемой воздухом, скорости в пограничном слое изменяются медленно и плавно, а струйки текут, не перемешиваясь, рядом. Подобное течение называется ламинарным. При большой скорости плавность и параллельность течения воздушных струек в пограничном слое крыла нарушается, они перемешиваются и, как следствие, скорость в нем нарастает значительно быстрее. Такое течение называют турбулентным, изменение скорости течения воздуха в пограничном слое определяется числом Рейнольдса.
Как уже было сказано, полуразмах крыла в нашей модели равен 0,49 м. Следовательно, площадь крыльев, используемой нами конфигурации беспилотного аппарата равна: м2.
Подставляя полученные значения из второй формулы в первую, получим: . Таким образом, значение удлинения крыла у используемой модели планера равно 4,2. Данный показатель удлинения говорит о том, что данная конфигурация модели обладает хорошими и, несомненно, подходящими для поставленных нами задач аэродинамическими характеристиками.
Известно, что чем больше удлинение крыла, тем меньше его сопротивление и лучше лётные характеристики модели. Однако бесконечно увеличивать удлинение нельзя, поскольку это приведёт к чрезмерному уменьшению хорд, что пагубно сказывается на характере обтекания крыла[8].
В связи со всеми обстоятельствами, камеру было решено закрепить на том же расстоянии от задней кромки крыла, т. е 140 мм. Вязкость воздуха. Число Рейнольдса.
Кроме тех экспериментов и расчётов, о которых рассказано выше, нам нужно было определить число Рейнольдса Re(по имени английского учёного О. Рейнольдса), которое является важным критерием для суждения о силе трения о воздух, а затем проверить точность своих экспериментальных данных, сравнив их с теоритическими расчётами. Изменение скорости в пограничном слое определяется числом Рейнольдса, которое подсчитывается по формуле , где – скорость, – ширина (средняя хорда) крыла, – модуль вязкости для воздуха. При и
1000 гПа (760 мм рт. ст.) =0,0000145 м2/с =1,45*10-5 м2/с . Для подсчёта числа Рейнольдса летающих моделей, которые чаще всего движутся вблизи земли, можно пользоваться формулой.
Критическое число Рейнольдса для каждого обтекаемого тела своё. Например, для плоской пластинки, расположенной по потоку, оно равно 500000, однако это значение зависит от скорости потока[11].
Для нахождения числа Рейнольдса для нашей модели самолёта мы воспользовались второй формулой. При скорости 35 км/ч, т.е. 9,7 м/с (оптимальная скорость для ведения аэрофотосъёмки):
Длина средней хорды равна 225 мм.
Также немаловажно было определить критическое значение числа Рейнольдса для нашей модели. По результатам наших наблюдений критическое значение достигается на скорости 19,5 м/с (70 км/ч):
Визуально мы обнаружили, что при данном значении скорости явно выражена неустойчивость самолёта, а именно, его колебания во всех плоскостях. Однако это не сильно сказывается на управлении, так как законцовки на крыльях уменьшают воздействие индуктивных вихрей на крыло.
Таким образом, мы пришли к выводу, что от числа Рейнольдса напрямую зависит лобовое сопротивление воздуха.
Выводы четвёртой главы:
Найдено удлинение крыла модели. Во время испытания были выявлены все положительные и отрицательные стороны полученного во время расчётов значения удлинения.
На практике обнаружена прямая зависимость от числа Рейнольдса лобового сопротивления модели.
ГЛАВА IV. Практическое применение реконструированной модели.
Ведение аэрофотосъёмки
Для проведения аэрофотосъёмки задаются высота полёта относительно фотографируемой местности, фокусное расстояние камеры аэрофотоаппарата, сезон, время и порядок прокладывания маршрутов.
Из-за подвижности основания при аэрофотосъемке в каждый момент фотографирования центр проектирования объектива и плоскость аэроснимка занимают произвольное положение. Величины, определяющие пространственное положение снимка относительно принятой системы координат, называются элементами внешнего ориентирования снимка. Это три линейные координаты центра проектирования xs, ys, zs и три угла, определяющие поворот снимка вокруг трёх осей координат.
Аэрофотосъёмку мы проводили с высоты 60 м. Данная высота является наиболее подходящей для наблюдения за небольшими по площади участками местности. С такой высоты не составляет труда обнаруживать небольшие строения, автомобили, а также деревья и кустарники. Фокусное расстояние объектива составило 28 мм.
Обработка снимков производилась в графическом редакторе PhotoshopCS6. При помощи данной программы на снимке были сведены к минимуму оптические искажения, вызванные объективом, которые могли повлиять на точность исследований. Также был поднят контраст снимков для визуального отделения объектов на местности.
Перспективное военное применение
Использование летающих моделей самолетов в военных целях стало возможным лишь в результате интенсивного развития электроники и автоматики.
Относительно недавно появился новый класс летательных аппаратов – дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). Их использование наметилось прежде всего в военных целях – в качестве разведчика прифронтовой зоны. Преимущество такого беспилотного разведчика прежде всего в том, что небольшая по размеру модель имеет малое радиолокационное сечение и противнику трудно её обнаружить. Кроме того, потеря модели в случае уничтожения не сравнима с потерей полноразмерной машины или пилота.
Выводы четвёртой главы:
При помощи фотоаппарата была проведена плановая съёмка местности.
В ходе испытаний было выявлено, что оптимальной высотой для съёмки небольших участков местности является высота 60 м.
После обработки снимков был получен окончательный результат, который можно применять в учебных и показательных целях.
Заключение.
В данной работе был проведён подробный обзор реконструктивной адаптации беспилотного летательного аппарата. Были выявлены физические величины от которых зависят основные аэродинамические характеристики модели, влияющие на её устойчивость при полёте. Во время испытаний проводились наблюдения за устойчивостью аппарата с полезной нагрузкой и без неё. Основным материалом для изготовления корпуса модели послужил пенопласт, который является очень лёгким, благодаря своей пористой структуре. Жёсткость конструкции была достигнута путём внедрения в неё ребер жёсткости (лонжеронов).
Был определён центр тяжести модели путём нахождения длины аэродинамической хорды. В соответствии с полученными данными практическим путём было найдено место для расположение фотокамеры на корпусе модели (по центру тяжести). Законцовки на крыльях в виде шайб помогли снизить срыв потока воздуха с крыльев, уменьшив неустойчивость самолёта в воздухе из-за снижения давления около концевых хорд. Была установлена зависимость числа Рейнольдса от скорости самолёта, а именно, воздействие ламинарных и турбулентных потоков воздуха в пограничном слое крыла.
В результате была разработана и создана реконструктивная авиамодель для оперативного воздушного мониторинга.
Список используемой литературы:
1. http://ochumelye.ru/book/3/
2. http://modernlib.ru/books/gallay_mark_lazarevich/aviatori_ob_aviacii/read
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Авиамоделизм
4. Пышнов В. С., Аэродинамика самолета, М., 1943;
5. Остославский И. В., Титов В. М.. Аэродинамический расчет самолета, 1947;
6. Глауэрт Г., Основы теории крыльев и винта, пер. с англ., М.—Л., 1931. М. Я. Юделович.
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Аэрофотосъёмка
8. Я.Капковский., Летающие крылья/ Пер. с польск. - Ю.П. Терехов
9. В.С. Рожков., Авиамодельный кружок для руководителей кружков школ и внешкольных учреждений., 1980
10. Заворотов В.А., От идеи до модели., 1988
11. В.И. Костенко, Ю.С. Столяров, Модель и машина., 1981