Argo; Veterný jazdec
Konštrukcia a prvý let tuhého modelu vzducholode
Článok vo formáte PDF: Die_Argo
Prečo stavať vzducholoď?
Argo nie je obyčajná vzducholoď, je plánovaná ako tuhá vzducholoď. To znamená, že rovnako ako staré zeppelíny, má tuhú, aerodynamickú, krytú vonkajšiu štruktúru, vo vnútri ktorej je niekoľko plynových vakov. To má oproti bežným balónom určité výhody, ale aj množstvo nevýhod, vďaka ktorým je stavba takéhoto modelu veľkým problémom. V tejto malej projektovej dokumentácii ukážeme, ako boli niektoré z týchto problémov vyriešené dobre a iné čiastočne.
Argo je súčasne experimentálna vzducholoď, v ktorej sa testuje tvar trupu, ktorý integruje veslá priamo do tvaru, podobne ako v kanoe. To zvyšuje aerodynamiku a objem lode. Zároveň by malo Argo používať dva malé diagonálne sa otáčajúce jednosmerné motory, aby okrem letu vpred zvládali aj extrémne úzke zákruty alebo spiatočné parkovanie.
Aby bol celý príbeh ešte viac vzrušujúci, má Argo naplánovaný svoj prvý let na vzducholode fregaty Združenia vzducholodí v Sussexe vo Veľkej Británii. To znamená, že hotová, mimoriadne filigránska vzducholoď musí nejako prísť bez ujmy z Nemecka, cez krajiny Beneluxu a kanál až do Spojeného kráľovstva. Najprv však treba naplánovať Argo.
Plán:
Argo bolo odvodené od svojho predchodcu „Hugina“, ktorý mal na korme stále 4 tuhé povrchy kormidla, ktoré sú vytiahnuté z tvaru trupu. Samotné Argo bolo prepracované tak, aby malo 3 väčšie kormidlové plochy, z ktorých každá vedie do pohyblivej plochy, ktorá je ovládaná servomotorom. Pri 3 veslách šetrí loď v porovnaní so 4-veslovým variantom trochu hmotnosti a v zásade nestráca žiadne stupne voľnosti. Ovládanie tohto kormidla lambda je trochu zložitejšie, ale keďže sa bude používať mikrokontrolér, nie je to zásadný problém.
Na obrázku je už viditeľné rozobratie škrupiny na jednotlivé prierezy, ktoré budú neskôr slúžiť ako podklad pre rám. Kostra bude vyrobená z 1 mm hrubého balzového dreva v 3 mm širokých pásoch, zlepená Ponalom a potom pokrytá mimoriadne tenkým papierom. Plynové vaky sú vyrobené zo záchrannej prikrývky a sú neformálne plnené do obálky a plnené héliom. Elektronika pochádza z pomalých letákov a je ovládaná pomocou mikrokontroléra Panstamp z PC pomocou joysticku. Nakoniec by sa mal transport do Anglicka uskutočniť v krabici na mieru. Takže prichádzame k realizácii.
Argo bolo vypočítané nasledovne. S dĺžkou 2,4 m a najväčším priemerom približne 0,6 m má teoretický vnútorný objem 470 litrov. Pri horšom balónovom plyne to zodpovedá praktickému vztlaku 470 g. Hmotnosť rôznych zostáv sa rozdelí na týchto 470 g takto:
Kostra - 100 g
Krytie - 64 g
Plynové vaky - 80 g
Elektronika - 80 g
To zodpovedá celkovej hmotnosti 324 g. Pretože sa jedná o optimistický výpočet, ktorý je v praxi podstatne horší, predpokladali sme pre konštrukciu redundanciu hmotnosti viac ako 150 g, aby bola koncová konštrukcia schopná plávať aj v prípade problémov. To sa oplatí, ako uvidíme neskôr.
Fázy výstavby:
Lešenie
Filigránová kostra je postavená na dvoch častiach, hornej a spodnej strane, ktoré sú potom v strede prilepené. Ako šablóna slúži 13 dosiek MDF, ktoré boli vyrezané tak, aby zodpovedali 3D modelu. S cieľom preniesť prierezy z počítača na dosky MDF bol referenčný obrázok vrhnutý pomocou lúča na drevené dosky a nakreslený.
Teraz je stavebný materiál vyrobený. Z nie celkom 3 dosiek z 1 mm hrubého balzového dreva 10 x 100 cm, ktoré tvoria podpery pre rám, bola vyrezaná obrovská hromada filigránových balzových trámov. Jeden z týchto trámov z balzového dreva váži okolo 0,8 g a je sám o sebe dosť krehký a pružný.
Kompozit nosníkov vo veľkej konštrukcii s priečnymi a pozdĺžnymi prvkami je prekvapivo stabilný a odoláva veľkému namáhaniu. Materiál je zároveň pružný a dá sa špeciálne tvarovať, čo je ideálne riešenie pre stavbu Arga s jeho komplikovaným tvarom škrupiny. Ako prvý krok sú pozdĺžne rámy pripevnené k šablóne. V druhom kroku sa tvar krížových rebier ohne a prilepí. Aby si rebrá udržali správny tvar, umiestnia sa do vody a potom sa ohnú v miestach zlomu nad spájkovačkou. Táto technika je v stavbe lodí trochu pozmenená, takže drevo je možné natrvalo tvarovať. Vysušené a tvarované krížové rebrá sa teraz jednoducho prilepia k pozdĺžnym rebrám v miestach kríženia pomocou Ponalu. Na fixáciu používame svorky zo záhradníckych potrieb, pomocou ktorých človek skutočne dostane popínavé rastliny, aby zostali na póloch. Tieto spony sú ľahké a majú dobrý kontaktný tlak a mali sme ich dostatok. V tejto časti je rýchlosť stavby v zásade určená iba počtom sponiek a zaschnutím lepidla.
Celková hmotnosť v tomto okamihu: 60 g (odhadovaných 80 g)
Krytina:
Po nanesení krytiny bola vzducholoď príliš ťažká na presné jemné váhy, ale dostupné váhy Ikea robili iba nepresné odhady. Zdá sa, že hmotnosť je výrazne nad odhadovanou hodnotou a loď s dokončeným zakrytím a predtým zabudovaným lešením váži približne 220 g. Súčasťou už sú 3 mikroslužby, ktoré by mali posúvať chvostové kormidlo. Prichádzame teda k ďalšej fáze výstavby, elektronike Argo.
Plynové vaky:
Vztlak Arga pochádza z dvoch plynových vakov vyrobených z tenkej hliníkovej plastovej fólie (16 g/m²). Tie boli zhruba nastrihané na veľkosť a spojené obojstrannou lepiacou páskou, ktorá umožňuje extrémne pevné a plynotesné väzby. V zásade sa veľký kus fólie jednoducho preloží do stredu a nalepí okolo okrajov. Predtým vloženou filmovou trubičkou je plniace hrdlo a po naplnení sa uzavrie lepiacou páskou. Pretože tvar modelu Argo určuje jeho rám a krytina, airbag môže neformálne vyplniť interiér, čo výrazne uľahčuje výrobu.
Elektronika:
Zhruba načrtnutá elektronika lode pozostáva z nasledujúcich komponentov:
- lítium-polymérová batéria s napätím 3,7 V 1S na prove, ktorá napája celú loď
- Panstampový modul, ktorý na jednej strane vytvára rádiové spojenie so zemou a na druhej strane riadi serva, pričom v zásade preberá úlohu flexibilného prijímača, ktorý dokáže vypočítať aj vysielať súčasne. Tento panstamp modul ovláda ďalšie komponenty:
- 2 mikro bezuhlíkové motory s ESC na prove, ktoré je možné ovládať individuálne
- 2 serva, z ktorých každé riadi smer jednosmerných motorov a umožňuje otočenie prítlačného lúča spredu dozadu.
- 3 serva na korme, každé ovládajúce jedno kormidlo.
Celkovo teda musí byť pridelených a riadených celkom 7 kanálov diaľkového ovládania, ktoré sú pomerne zložité, ale o tom neskôr.
Chvostové serva
Motory:
Použili sme najmenšie dostupné bezkartáčové motory (2,3 g), ktoré sme mohli na trhu dostať. Tieto sú riadené malými ESC (0,2 g), ktoré sú napájané pomocou servoprevodníka. Celá palubná sieť je priamo a neregulovaná na batérii, takže servá a regulátory otáčok pracujú s prúdom 3,7 V - 4,2 V, v závislosti od nabitia batérie, čo pri experimente funguje veľmi dobre. Pretože motory sú dosť silné a dosahujú až 2 ampéry, rozhodli sme sa pre napájanie použiť hrubšie a izolované káble s prierezom 0,14m², zatiaľ čo signál je opäť vedený do ESC cez smaltovaný medený drôt. Malé vrtule s pomalým letom boli nalepené priamo na hriadeľ motora, aby sa ušetrila hmotnosť odstredivky. Oba motory spolu vyvíjajú veľký ťah aj napriek svojim malým rozmerom a vynikajúco znejú vďaka obrovskej zvukovej skrini vzducholode.
Servomotory motora:
Dva výkonnejšie 5g serva regulujú smer ťahu motora. Je to kvôli lepšej manévrovateľnosti a funguje to podľa nasledujúceho princípu. Motory sú na lodi ďaleko dopredu a ich axiálne osi sú usporiadané pod uhlom. Ak vrtule fúkajú dopredu, loď letí dozadu, fúka ich dozadu, letí vpred. V strednej polohe smerujú nadol a von. Časť ťahu teda klesá, ďalšia doľava a doprava. Ak chcete letieť nahor, zvolíte toto nastavenie. Ak chcete letieť nabok, jeden z motorov sa stlačí dole, takže druhý motor vyvíja silu do strany. Pretože sú motory vpredu, loď sa na mieste otočí. Zásuvky serv a úchytky motora boli navrhnuté vo FreeCADe a vytlačené na Ultimakeri. Pretože komponenty musia byť vyrobené presne a vzhľadom na výkon motora musia byť dosť robustné, rozhodli sme sa proti konštrukcii z balzového dreva a variantu s potlačeným plastom. Kompletná motorová podložka s vrtuľou, motorom, ESC, servomotorom, konzolou a káblami nakoniec váži 15 g. To pripočíta k hmotnosti lode pre tieto dva tobolky 30 g.
Batéria:
Aby sa udržala nízka hmotnosť lode, používajú sa najmenšie prijateľné batérie. Pretože motory nevyžadujú veľa elektriny a vzducholode sú mimoriadne hospodárne letce, pretože pri vznášaní nestrácajú žiadnu energiu, sú batérie 1S 300mAh dokonalé a vážia každý 8,5 g.
Panstamp:
Srdcom elektroniky a riadiaceho centra celej vzducholode je panstamp modul. Tieto malé rádiové moduly pochádzajú z projektu domácej automatizácie, sú freeware a programujú sa prostredníctvom Arduina. Rozhodli sme sa pre toto riešenie, pretože Argo by malo byť riadené softvérom cez PC, aby bolo možné písať komplexné riadenie motorov a kormidiel úplne voľne programovateľným spôsobom. Zároveň je možné voľne zapisovať prenosový protokol pre riadiaci signál, čo umožňuje zabudovanie ľubovoľného počtu kanálov a funkcií. Nakoniec však v prospech Panstamp ako riešenia rozhodla váha iba 2,2 g, rovnako ako nízka cena. Značka Panstamp bola odpojená od elektrického systému Argo pomocou 3,3 V meniča napätia a pripojená k signálnym káblom serva. Ľahká prijímacia jednotka tvorí tenká smaltovaná medená drôtová anténa a nikdy sme sa vzdušnou čiarou nedostali do medzier príjmu až do vzdialenosti asi 100 m.
Programovanie:
Na panstamp module beží veľmi jednoduchý vlastnoručne napísaný firmvér Arduino, ktorý využíva niekoľko knižníc otvoreného zdroja a v podstate nerobí nič iné ako neustále čakanie na rádiové signály od pozemnej stanice. Zároveň vypisuje posledné rozumné signály do príslušných serv a motorov. To sa deje s frekvenciou okolo 16 ms na cyklus, čo je o niečo rýchlejšie ako 20 ms, ktoré robia štandardné diaľkové ovládače. Skutočná aritmetika a kontrola sa vykonáva na zemi. Ďalší modul panstamp je pripojený k notebooku ako vysielač. Tento notebook používa softvér napísaný v otvorenom programovacom jazyku Processing a preberá riadiace signály z joysticku, prevádza ich na príkazy pre jednotlivé servá a motory Argo a potom ich odosiela ako balík na loď.
Pretože daňový zákon je pomerne zložitý, bude sa o ňom diskutovať iba zhruba. Skutočným bodom kódu je previesť pohyby všetkých serv a motorov na riadiace príkazy pilota. Ak pilot smeruje doprava, 3 serva chvostového kormidla sa príslušne pohybujú a poloha motorových serv, ako aj prítlak motorov sa automaticky prispôsobia pohybu riadenia. K dispozícii sú dva režimy, vznášadlo a tempomat. V cestovnom režime sú motory pevne nasmerované dozadu a na riadenie sa používa iba ťah a kormidlá. Je teda možný iba priamy let, podobne ako v lietadle. Ak sa režim prepne do režimu vznášania stlačením tlačidla, motory smerujú nadol a loď sa vznáša na mieste a môže tiež letieť dozadu pohybmi riadenia alebo vykonávať bodový obrat. Riadiaci program obsahuje užívateľské rozhranie, ktoré zviditeľňuje vstupy a výstupy a umožňuje orezávanie. Argo je teoreticky pripravené na let a zvládlo už niekoľko suchých testovacích letov na šnúrach visiacich zo stropu. Pred prvým letom by však Argo malo ísť ešte na dlhú cestu.
Box
V novembri 2013 usporiadalo Združenie vzducholodí sympózium, ktorého súčasťou bola aj vzducholoďová fregata pre modely. Tam malo Argo lietať ako tuhá vzducholoď a predstavovať svoj inovatívny tvar trupu a kontrolu. Okrem toho by sme sa tam dozvedeli iba to, či je vôbec dosť ľahký, pretože len tam by sme prvýkrát naplnili hélium do plynových vakov. Aby sa filigránske Argo dostalo na regatu, bolo treba skonštruovať transportný box. Epické rozmery tejto skrinky s rozmermi 2,6 x 0,6 x 0,6 metra sa dajú len ťažko uchopiť a zmestia sa na zhruba 5 cm presne do nákladného priestoru Bullis s dlhým rázvorom a predĺženou zadnou lavicou. Dokonca aj v železiarstve bolo ťažké dodať panely v správnej veľkosti. V skutočnosti stála výroba skrinky asi dvakrát toľko peňazí ako stavba Arga, ale skrinka môže byť v budúcnosti
Modely vzducholodí vyhovujú, a preto sú skutočnou investíciou. Keďže sa jedná o vzducholoď, a nie o škatuľu, je tu konštrukčný spôsob opísaný iba zhruba. 6 multiplexových panelov, vystužených drevenými lamelami, bolo zlepených a priskrutkovaných a potom niekoľkokrát prelakovaných vonkajšou farbou. Box sa dá v zásade použiť dokonca aj ako strešný box. Rukoväte a uzávery skrinky sa vrátili z 3D tlačiarne a niesli „W“ ako znak veterného jazdca.
Dievčenský let
Ako tuhá vzducholoď je Argo pomalá, ale veľmi citlivá na riadenie. Prevodovka Panstamp pracuje mimoriadne rýchlo, takže je možné presné ovládanie. Prepnutie z plavby na vznášadlo vám umožňuje na počudovanie návštevníkov zastaviť vo vzduchu a otočiť sa na mieste. Samotná loď má samozrejme niekoľko nedostatkov, napríklad vnútorný tlak plynových vriec, ktoré deformovali lešenie a neatraktívne záhyby deformovali trup. To bolo sprevádzané určitými nezrovnalosťami v letovom správaní, napríklad ťažkosťou chvosta pri rýchlejšom lete, ktorú ľahko prekonal nádherný kĺzavý pohyb lode. Prvý let bol skvelý, jedinečný a príliš krátky. Ešte jedna vec, Argo sa zúčastnilo závodu, ale v tejto veľkosti sú Blimps nadradené Zeppelins a zdolali Argo zďaleka. Cesta a stavba stále stála za to a Argo teraz čaká, dobre chránené vo svojej krabici, na dobrodružstvá, ktoré môžu prísť.
V dokumentácii PDF sa nachádza viac obrázkov prvého letu: