Az argo; Széllovas
Merev léghajó modell felépítése és első repülése
A cikk PDF formátumban: Die_Argo
Miért építsünk léghajót?
Az Argo nem hétköznapi léghajó, merev léghajóként tervezik. Ez azt jelenti, hogy a régi cepelinekhez hasonlóan merev, aerodinamikus, fedett külső szerkezete van, benne több gáztáska. Ennek van néhány előnye a normál léggömbökhöz képest, de számos hátránya is van, amelyek miatt egy ilyen modell felépítése nagy problémát jelent. Ebben a kis projektdokumentációban megmutatjuk, hogy ezek a problémák némelyikét jól oldották meg, másokat pedig részben.
Az Argo ugyanakkor egy kísérleti léghajó, amelyben olyan hajótest alakot tesztelnek, amely az evezőket közvetlenül a formába integrálja, hasonlóan a kenuhoz. Ez növeli a hajó aerodinamikáját és térfogatát. Ugyanakkor az Argo-nak két kicsi, átlósan forgó kefe nélküli motort kell használnia annak érdekében, hogy elsajátítsa a rendkívül szoros kanyarokat vagy a hátrameneti parkolást.
Hogy az egész történetet még izgalmasabbá tegye, az Argo a tervek szerint első repülését a Léghajó Szövetség léghajó fregattján hajtja végre az Egyesült Királyságban, Sussexben. Ez azt jelenti, hogy a kész, rendkívül filigrán léghajónak valamilyen módon sértetlenül kell érkeznie Németországból, a Benelux államokon és a csatornán keresztül az Egyesült Királyságig. De először meg kell tervezni az Argo-t.
Terv:
Az Argo az elődjétől, a Hugin-tól származik, amelynek a hátsó részén még 4 merev kormányfelület volt, amelyek a hajótest alakjából vannak kihúzva. Maga az Argo 3 nagyobb kormányfelületre lett átalakítva, amelyek mindegyike egy mozgatható felületre vezet, amelyet egy szervo vezérel. Három kormányával a hajó kissé megtakarítja a 4 kormányváltozatot, és elvileg nem veszít semmilyen szabadságfokot. Ennek a lambda kormánynak a vezérlése kissé nehezebb, de mivel mikrokontrollert fognak használni, ez nem jelent nagy problémát.
A képen már látható a héj szétválasztása egyedi keresztmetszetekre, amelyek később a keret alapjául szolgálnak. A váz 1 mm vastag balsa fából készül, 3 mm széles csíkokban, Ponalra ragasztva, majd rendkívül vékony papírral borítva. A gáztáskákat mentőtakaróból készítik, és informálisan betömik a borítékba, és héliummal töltik meg. Az elektronika lassú szórólapokból származik, és a vezérlés egy Panstamp mikrovezérlővel történik a számítógépről egy joystick segítségével. Végül az Angliába történő szállítás személyre szabott dobozban történjen. Tehát elérkeztünk a felismeréshez.
Az Argo kiszámítása a következőképpen történt. Elméleti belső térfogata 470 liter, amelynek hossza 2,4 m, legnagyobb átmérője kb. 0,6 m. Alacsonyabb léggömbgáznál ez 470 g gyakorlati felhajtóerőnek felel meg. A különféle egységek súlya ezen 470 g-ra oszlik a következőképpen:
Keret - 100 g
Borítás - 64 g
Gázzsákok - 80 g
Elektronika - 80 g
Ez 324 g össztömegnek felel meg. Mivel ez egy optimista számítás, és a gyakorlatban alapvetően rosszabb, feltételeztük, hogy a konstrukció súlya meghaladja a 150 g-ot, hogy a végszerkezet képes legyen lebegni akkor is, ha probléma merül fel. Ez megtérül, mint később meglátjuk.
Építési szakaszok:
Az állványzat
A filigrán keret két részből áll, egy felső és egy alsó részből, amelyeket aztán középen ragasztanak. Sablonként 13 MDF-tábla szolgál, amelyeket a 3D-s modellnek megfelelően vágtak ki. A keresztmetszeteknek a számítógépről az MDF panelekre való átvitele érdekében a hivatkozott képet vetítették a fa panelekre vetítve, és megrajzolták.
Most az építőanyagot gyártják, egy hatalmas halom filigrán balsa gerendát vágtak ki nem egészen 3, 1 mm vastag, 10 x 100 cm-es balsafa panelből, amelyek a tartószerkezetet képezik. Az egyik ilyen balsafa gerenda súlya kb. 0,8 g, önmagában elég törékeny és rugalmas.
A gerendák összetétele keresztirányú és hosszanti tagokkal ellátott nagy szerkezetben elképesztően stabil, és sok stresszt képes ellenállni. Ugyanakkor az anyag rugalmas és különleges módon alakítható, ami tökéletes az Argo bonyolult héjformájával. Első lépésként a hosszanti kereteket rögzítjük a sablonon. A második lépésben a keresztbordák alakját hajlítjuk és ragasztjuk. Annak érdekében, hogy a bordák megfelelő alakúak maradjanak, vízbe teszik, majd a forrasztóponthoz hajlítják a töréspontokon. Ez a technika némileg módosult a hajógyártásban, így a fa tartósan alakítható. A megszáradt és formázott keresztbordákat most egyszerűen a Ponal segítségével ragasztják a kereszteződési pontok hosszanti bordáihoz. A rögzítéshez kertészeti kellékeket használunk, amelyek segítségével hegymászó növényeket szerezhet, hogy rúdjukon maradhassanak. Ezek a klipek könnyűek és jó az érintkezési nyomásuk, és rengeteg volt belőlük. Ebben a szakaszban az építés sebességét alapvetően csak a kapcsok száma és a ragasztó száradása határozza meg.
Össztömeg ezen a ponton: 60 g (becsült 80 g)
A borító:
A burkolat felvitele után a léghajó túl nehéz lett a pontos finom mérleghez, de a rendelkezésre álló Ikea mérlegek csak pontatlan becsléseket készítettek. Úgy tűnik, hogy a súly jóval meghaladja a becsült értéket, és a hajó a kész burkolattal és a korábban épített állványokkal együtt körülbelül 220 g súlyú. Már benne van 3 mikroszervó, amelyeknek mozgatniuk kell a farokkormányt. Tehát elérkeztünk a következő építési szakaszhoz, az Argo elektronikájához.
A gázzsákok:
Az Argo felhajtóereje két vékony alumíniummal bevont műanyag fóliából (16 g/m²) készült gáztáskából származik. Ezeket nagyjából méretre vágták, és kétoldalas ragasztószalaggal kötötték össze, amely rendkívül erős és gázzáró kötéseket tesz lehetővé. Elvileg egy nagy darab fóliát egyszerűen középre hajtanak és a szélekre ragasztanak. Egy korábban behelyezett filmcső a töltőnyak, és a kitöltés után ragasztószalaggal van lezárva. Mivel az Argo alakját a váz és a burkolat határozza meg, a légzsák informálisan kitöltheti a belső teret, ami sokkal könnyebbé teszi a gyártást.
Az elektronikus:
Nagyjából felvázolva a hajó elektronikája a következő elemekből áll:
- 3,7 V 1S lítium-polimer akkumulátor az orrán, amely az egész hajót energiával látja el
- Panstamp modul, amely egyrészt létrehozza a rádió összeköttetését a földdel, másrészt vezérli a szervókat, alapvetően egy rugalmas vevő szerepét vállalva, amely egyszerre képes kiszámítani és továbbítani egyaránt. Ez a panstamp modul vezérli a többi alkatrészt:
- 2 mikrokefe nélküli motor ESC-vel az orrán, amelyek egyedileg vezérelhetők
- 2 szervó, amelyek mindegyike szabályozza a kefe nélküli motorok irányát, és lehetővé teszi a tolóerő sugárzásának elölről hátra történő elfordítását.
- 3 szervó a faron, mindegyik egy kormányt irányít.
Tehát összesen 7 távvezérlő csatornát kell meglehetősen összetetten kijelölni és vezérelni, de erről később.
A farok szervók
A motorok:
A legkisebb megfizethető kefe nélküli motorokat (2,3 g) használtuk, amelyeket motorként forgalomba hozhatunk. Ezeket apró ESC-k (0,2 g) vezérlik, amelyeket a szervohuzal táplál. A teljes fedélzeti hálózat közvetlenül és szabályozatlanul működik az akkumulátoron, így a szervók és a sebességszabályozók az akkumulátor töltésétől függően 3,7 V - 4,2 V árammal működnek, ami nagyon jól működik a kísérletben. Mivel a motorok meglehetősen nagy teljesítményűek és 2 amperre képesek, úgy döntöttünk, hogy 0,14 m² keresztmetszetű vastagabb és szigetelt kábeleket használunk az áramellátáshoz, miközben a jelet ismét zománcozott rézhuzalon keresztül vezetjük az ESC-hez. A kis lassú szórócsavarokat közvetlenül a motor tengelyére ragasztották, hogy megspórolják a fonó súlyát. Mindkét motor együtt rengeteg tolóerőt fejleszti apró mérete ellenére, és a léghajó hatalmas hangdobozának köszönhetően remekül szól.
A motor szervók:
Két erősebb 5g szervó szabályozza a motor tolóirányát. Ez a jobb manőverezhetőség érdekében és a következő elv szerint működik. A motorok messze vannak a hajóban, és a tengelyeik szöget zárnak be. Ha a légcsavarok előre fújnak, a hajó hátrafelé repül, hátrafelé fújja őket, előre repül. A középső helyzetben lefelé és kifelé irányulnak. Tehát a tolóerő egy része lemegy, egy másik balra és jobbra. Ha felfelé akar repülni, akkor ezt a beállítást választja, ha oldalra akar repülni, az egyik motort lefelé fordítják, így a másik motor erőt generál az oldalra. Mivel a motorok elöl vannak, a hajó a helyszínen fordul. A szervók és a motortartók aljzatait FreeCAD-ben tervezték, és egy Ultimaker-re nyomtatták. Mivel az alkatrészeket pontosan kell kivitelezni, és a motor teljesítményének köszönhetően elég robusztusnak kell lennie, a balsa fa konstrukció és a nyomtatott műanyag változat ellen döntöttünk. Egy komplett motorhüvely, propellerrel, motorral, ESC-vel, szervóval, konzollal és kábelekkel végül 15 g tömegű. Ez 30 g-ot ad a hajó súlyához a két hüvelyhez.
Az akkumulátor:
A hajó tömegének alacsony szinten tartása érdekében a legkisebb elfogadható elemeket használják. Mivel a motorok nem igényelnek sok áramot, és a léghajók rendkívül gazdaságos repülők, mivel nem pazarolnak energiát a lebegésre, az 1S 300mAh akkumulátorok tökéletesek és egyenként 8,5 g tömegűek.
A pecsét:
A teljes léghajó elektronikájának és vezérlőközpontjának szíve panstamp modul. Ezek a kis rádiómodulok egy otthoni automatizálási projektből származnak, ingyenesek és az Arduino-n keresztül vannak programozva. Azért döntöttünk e megoldás mellett, mert az Argo-t szoftverrel kell vezérelni a PC-n keresztül, hogy a motorok és kormányok komplex vezérlését teljesen szabadon programozható módon tudjuk megírni. Ugyanakkor a vezérlőjel átviteli protokollja szabadon írható, ezáltal tetszőleges számú csatorna és funkció beépíthető. Végül azonban a mindössze 2,2 g súlyú megoldás a Panstamp mellett döntött, mint ahogy az alacsony ár is. A Panstamp-ot 3,3 V-os feszültségátalakítóval leválasztották az Argo fedélzeti tápellátásáról, és a szervók jelkábeleihez csatlakoztatták. Vékony zománcozott rézhuzal-antenna képezi a könnyű vevőegységet, és légvonalban soha nem kerültünk kb. 100 m távolságra vételi résekbe.
A programozás:
A panstamp modulon meglehetősen egyszerű, saját kezűleg írt Arduino firmware fut, amely több nyílt forráskódú könyvtárat használ, és elvileg nem tesz mást, mint folyamatosan várja a rádiójeleket a földi állomásról. Ugyanakkor kiírja az utolsó ésszerű jeleket a megfelelő szervókhoz és motorokhoz. Ez ciklusonként körülbelül 16 ms frekvencián megy végbe, ami valamivel gyorsabb, mint a szokásos távvezérlők által végrehajtott 20 ms. A tényleges aritmetika és ellenőrzés a földön történik. Egy másik panstamp modul csatlakozik egy notebookhoz, mint adó. Ez a notebook olyan szoftvert futtat, amely a nyitott programozási nyelven van feldolgozva, és átveszi a vezérlőjeleket a joystickról, átalakítja parancsokká az Argo egyes szervói és motorjai számára, majd csomagként elküldi őket a hajóra.
Mivel az adótörvény meglehetősen összetett, itt csak nagyjából tárgyalják. A kód valódi lényege az összes szervo és motor mozgásának konvertálása a pilóta vezérlőparancsaira. Ha a pilóta jobbra kormányoz, a farkormány 3 szervója ennek megfelelően mozog, és a motor szervók helyzete, valamint a motorok tolóereje automatikusan igazodik a kormánymozgáshoz. Kétféle mód van, lebegés és körutazás mód. Hajózási üzemmódban a motorokat mereven hátrafelé irányítják, és csak a tolóerőt és a kormányokat használják a kormányzáshoz. Tehát csak előre lehet repülni, hasonlóan egy repülőgéphez. Ha az üzemmódot egy gomb megnyomásával lebegő üzemmódra kapcsolják, a motorok lefelé irányulnak, a hajó a helyszínen lebeg, és kormányirányú mozdulatokkal hátrafelé is repülhet, vagy pontot fordíthat. A vezérlőprogram tartalmaz egy felhasználói felületet, amely láthatóvá teszi a be- és kimeneteket, és lehetővé teszi a vágást. Az Argo elméletileg készen áll a repülésre, és a szárazon lógó zsinórokon már végzett néhány száraz próbarepülést. A leányrepülés előtt az Argo-nak hosszú utat kell megtennie.
A doboz
2013 novemberében a Léghajó Szövetség szimpóziumot tartott, amely egy léghajó fregattot is tartalmazott a modellek számára. Az Argo-nak merev léghajóként kellett volna repülnie, és bemutatta innovatív hajótest-alakját és irányíthatóságát. Ezenkívül csak ott tudnánk meg, hogy egyáltalán elég világos-e, mert csak ott töltenénk be először héliumot a gáztáskákba. Ahhoz, hogy a filigrán Argo továbbjuthasson a regattára, szállítódobozt kellett építeni. Ennek a 2,6 x 0,6 x 0,6 méteres doboznak az epikus méretei nehezen megfoghatók, és körülbelül 5 cm-re illeszkednek pontosan a Bullis raktérébe, hosszú tengelytávval és meghosszabbított hátsó paddal. Még a vasbolt is nehezen tudta szállítani a megfelelő méretű paneleket. Valójában a doboz megépítése körülbelül kétszer annyiba kerül, mint az Argo építése, de a doboz valószínűleg a jövőben is meglesz
A léghajó modellek befogadják, ezért valódi befektetés. Mivel léghajóról van szó, és nem dobozról, az építési mód itt csak nagyjából le van írva. 6 darab fa panelekkel megerősített multiplex panelt ragasztottak és csavaroztak, majd többször festettek át külső festékkel. Elvileg a doboz akár tetődobozként is használható. A doboz fogantyúi és záródugói visszatértek a 3D nyomtatóból, és a széllovas emblémájaként a "W" jelet viselték.
A leánykori repülés
Merev léghajóként az Argo lomha, de nagyon érzékeny a kormányzásra. A Panstamp sebességváltó rendkívül gyorsan működik, így pontos vezérlés lehetséges. A körutazásról a lebegésre való váltás lehetővé teszi, hogy megálljon a levegőben és bekapcsoljon a helyszínen, a látogatók legnagyobb meglepetésére. Magának a hajónak természetesen van néhány hibája, például a vázat deformáló gázzacskók belső nyomása, a hajlatok nem vonzó hajtásai pedig a hajótestet. Ehhez a repülési magatartás néhány következetlensége is társult, például a farok nehézsége a gyorsabb repülés során, amelyet a hajó gyönyörű siklása könnyen felülírhat. Az első repülés nagyszerű, egyedi és túl rövid volt. Még egy dolog, az Argo részt vett a versenyen, de ebben a méretben a Blimps felülmúlja a Zeppelineket, és messze megverte az Argót. Az út és az építkezés még mindig megérte, és az Argo most, dobozában jól védve, várja a várható kalandokat.
A leányrepülésről további képek találhatók a dokumentáció PDF-jében: