Летающие механизмы своими руками

Дрон своими руками: Урок 8. Самолёты.

Содержание

Введение

Использование небольших беспилотных летательных аппаратов для FPV и автономного картографирования становится всё более популярным, особенно на фоне роста популярности дронов для полёта в режиме от первого лица и увеличения доступности деталей. В этой статье рассматриваются несколько соображений касательно вопроса о том, подходит ли самолёт для применения в качестве беспилотника, и, если да, то как выбрать правильный тип.

Мультикоптер vs Самолёт

Какие преимущества может предложить самолёт перед мультикоптером? Несмотря на то, что мультикоптер отлично подходит для увлекательного FPV/автономного полёта, его полезная нагрузка и время полёта все еще ограничены, так как чтобы бороться с гравитацией и удерживать беспилотник в воздухе, несущие винты должны постоянно вращаться (а значит расходовать энергию). Самолёты, напротив, используют свои крылья для создания подъёмной силы. Так какой тип лучше? Не считая электронной начинки, такой как передатчик, приёмник, FPV оборудование, контроллер полёта, приведённые ниже особенности кажутся наиболее актуальными для ответа на поставленный вопрос:

Мультикоптер

• Способен взлетать и приземляться вертикально, а также парить на месте.
• Не требуют большого пространства, на котором можно летать, и являются по существу «всенаправленными», способными очень быстро менять направление полёта и скорость.
• Тяга, создаваемая пропеллерами — это то, что удерживает судно в воздухе.
• Менее интуитивен в полёте, учитывая, что судно может менять ориентацию и летать практически в любом направлении, а подвесы могут легко вызвать дезориентацию.
• Мультикоптеры «среднего размера» диаметром от 400 до 600мм являются наиболее распространенными и, как правило, стоят от 200 до 1000$ США за (настроенную) готовую к полёту установку.
• Несмотря на то, что у мультикоптеров значительно меньше движущихся частей, чем у вертолётов, почти любая неисправность квадрокоптера приводит к аварии.

Самолёт

• Запускается вручную, посредством взлётно-посадочной полосы или катапульты и обычно приземляется на относительно ровную траву или взлётно-посадочную полосу.
• Требуется большое открытое пространство для полёта, поскольку маневренность самолёта ограничена (т.е. всегда необходимо двигаться вперед).
• Крылья создают подъёмную силу.
• Более высокая грузоподъёмность.
• Модели исполненные из пены могут быть снисходительными в случае аварии, и большинство можно будет восстановить/отремонтировать.
• Модели с размахом крыла от 500мм до 1.8м являются наиболее распространенными для использования в хобби, а полная установка обычно стоит от 200 до 1000$ США.
• В случае отказа двигателя все еще есть возможность приземления без повреждения самолёта.

VTOL (вертикальный взлёт и посадка)

• Конструкции включают крылья и пропеллеры (на данный момент не так много коммерческих/серийных продуктов).
• Управление все еще довольно сложное для перехода из вертикального полёта в горизонтальный.
• Конструкции сильно отличаются от квадрокоптеров с крыльями или от использования/удлинения опорных рычагов (лучей) беспилотника для включения профилей крыльев.
• Не будет обсуждаться далее в этой статье.

Соображения

• Место запуска: Из-за постоянно присутствующей возможности причинить вред или ущерб человеку или имуществу, БПЛА/беспилотники запрещено запускать над зданиями, в густонаселённых районах или в местах с массовым скоплением людей. Самолёты в идеале требуют больших открытых площадок, тогда как мультикоптеры могут эксплуатироваться в более ограниченных пространствах. Если у вас нет открытого пространства для полёта, то лучше всего использовать небольшой мультикоптер.
• Применение: Мультикоптер как никогда подходит для аэросъёмки/FPV. Картографию и дальние полёты лучше всего реализовывать посредством самолёта.
• Интерес: Это должно быть одним из весомых факторов при выборе, если вам интересен один тип дрона больше, чем другой.
• Бюджет: Наиболее распространенный мультикоптер (размером 500мм), вероятно, будет немного дороже, чем сопоставимый самолёт (с размахом крыла ≈ 1.5м), но ненамного. Насколько вы готовы потерять беспилотник из-за внезапного сбоя или потери контроля, вызывающие бесконтрольное удаление?
• Время полёта: Среднестатистический квадрокоптер, среднего размера будет оставаться в воздухе в течение 10-15 минут (хотя некоторые производители могут увеличить это время до 30-40 минут), в то время как среднестатистический электрический самолёт среднего размера будет обеспечивать около 20-60 минут + минуты при «нормальном» использовании (т.е. не полный газ), однако в обоих случаях необходимо учитывать множество различных факторов.
• Контроллер полёта: Не все контроллеры способны управлять всеми типами самолётов. Прежде чем выбрать один из некоторых, убедитесь, что интересующий вас тип самолёта поддерживается контроллером полёта (если вы намеревались его использовать). Как настроить контроллер полёта в этой статье рассматриваться не будет.

Распространённые типы БПЛА/Дрон крыло

Существует много различных воздушных рам, используемых для создания дронов, но некоторые конструкции используются гораздо чаще других. По мере того, как все больше и больше производителей начинают выпускать изготовленные на заказ аэродинамические рамы для автономного использования, стали исчезать такие ненужные детали, как макет кокпита например, которые обычно можно было встретить на RC самолётах в прошлом.

Дельта крыло (Delta Wing/Летающее крыло)

Летающее крыло — безусловно, самая простая (и, возможно, самая популярная) конструкция. Простая/рудиментарная рама может быть изготовлена с использованием недорогого вспененого пенополипропилена (ЕРР) и базового аэродинамического профиля Кляйна-Фогельмана (Kline-Fogleman или KFm). Они классически имеют только две поверхности управления, это означает, что все повороты осуществляются кренами. Пропеллер обычно находится сзади (что позволяет устанавливать камеру спереди), но он точно так же летит с мотором, расположенным в центре или спереди, при условии, что центр тяжести правильный. Великолепная конструкция для своей простоты и, как правило склонна летать на высоких скоростях.

Моторизованный планер/Планер

Если вы хотите оставаться в воздухе как можно дольше (т.е. самое продолжительное время полёта), такая конструкция — лучший выбор. Как правило может иметь среднее или высокое крыло, а хвост часто имеет Т или V-образную форму. Все представленные здесь рамы могут быть использованы для увлекательного полёта (или более), однако, если вы хотите, чтобы беспилотник как можно дольше находился в воздухе, вам нужно рассмотреть самолёт с большим крылом, и именно в этом планеры превосходны. Они не предназначены для того, чтобы быть самыми быстрыми (скорее самыми медленными) и нести наибольшую полезную нагрузку (они должны быть максимально легкими), зато хорошая конструкция может оставаться в воздухе в течение многих часов. Почти у всех винт установлен спереди, поэтому в тех случаях, когда требуется камера, её обычно устанавливают на нижней части/брюхе фюзеляжа.

«Skywalker»

Конструкция построена на толкающей силовой установке, пропеллер которой установлен сразу за крыльями, а опора хвоста, чтобы не мешать, расположена чуть ниже. Крыло обычно трапециевидное или прямоугольное. В альтернативной конструкции для поддержки хвоста используются две балки (по одной с каждой стороны пропеллера, типа «Twin Boom»). Для размера фюзеляжа, конструкция представляет собой компромисс между планером с большими крыльями и обычным самолётом. Тот факт, что несущий винт находится сзади, означает, что передняя часть может быть оснащена камерой (беспрепятственный обзор). Достаточно высокое расположение несущего винта облегчает запуск вручную, а пропеллер при нормальной посадке (с или без шасси) никогда не будет касаться земли. Такие конструкции, как правило, хороши для максимальной полезной нагрузки, приличной скорости и времени полёта, а также предлагают наибольшую универсальность.

Стандартные

Обычные RC-самолёты по-прежнему часто переделываются для использования в качестве дронов, а проекты варьируются от Мустангов (Sport) до Piper Cubs (Trainer). Почти у всех есть пропеллер, установленный спереди (тянущий или puller). Крылья обычно имеют прямую переднюю/заднюю кромку (прямоугольные), но для копий истребительной авиации крыло может быть более трапециевидным. Такие конструкции чаще всего используются, потому что они являются наиболее распространенным и легко доступным RC самолётом. К сожалению, самолёты не годятся для модификации и включают эстетические элементы, которые не нужны при применении в качестве БЛА. К тому же это не самая удобная конструкция с точки зрения выбора беспрепятственного места для установки камеры. В основе большинства используется дерево, которое не прощает аварий.

Нестандартные

Доступно несколько нестандартных конструкций, одной из которых является «Drak» (почти перевернутая дельта). У этой особенной конструкции есть крылья в почти переднем стреловидном положении, и пропеллер сзади. Преимущества и недостатки варьируются в зависимости от модели, хотя их уникальный внешний вид зачастую привлекает к себе немало внимания.

Размер

Итак, насколько большим должен быть ваш самолет? Критерий предопределяющий будущий способ транспортировки, к которому часто обращаются ещё до применения. Самолёты (почти) всегда больше мультикоптеров, и поскольку пространство, где вы планируете летать, может находится не рядом с вашим домом или бизнесом, чаще всего транспортировку нужно будет осуществлять автомобилем. Из-за этого размер рамы для дронов такого типа имеет тенденцию быть ограниченным – 2 метрами (размах крыла), и в большинстве случаев крылья должны быть съёмными. Если летающее крыло не может иметь съёмных крыльев, то, размах будет составлять менее 1.2 метра, чтобы их можно было легко разместить на заднем сиденье транспортного средства. Классически, RC самолёты стандартного размера имеют размах крыльев от 0.5 – 2м, поэтому доступность деталей для этого размера (двигатель, ESC, аккумулятор, сервоприводы и т.д.) очень хорошая.

Продолжительность полёта

Второй вопрос, который вы могли бы задать себе, это сколько времени самолёт должен оставаться в воздухе. Если вы планируете дистанционно управлять самолётом, стоит принять во внимание, что примерно через 20-30 минут пилотирования, большинство людей устают физически/умственно и стараются завершить полёт. Для долговременных полётов рекомендуется рассматривать планер с размахом крыла не менее 2 метров (с небольшой грузоподъемностью).

Применение

И третье соображение, конечно, является потенциальное применение. В списке распространённых: FPV полёт, картографирование, а также полностью автономный полёт с использованием сенсоров. Для автономного полёта вам необходим контроллер полёта с GPS, а также возможно добавление сенсоров.

Типы комплектов

Проектирование нестандартного самолёта редко является приоритетом для тех, кто хочет просто подняться в воздух для полёта от первого лица или автономного полёта, поскольку это, как правило, требует либо серьезного исследования, либо соответствующих знаний аэродинамики. По этой причине рамы, разработанные специально для FPV/БЛА, становятся все более и более популярными. Тем не менее, учитывая широкую популярность обычных RC самолётов, многие энтузиасты все еще обращаются к существующим RC моделям (не обязательно масштабным моделям) и адаптируют их для FPV/автономного использования.

RTF (Ready to Fly/Готов к полёту) – такой комплект включает в себя всё, что вам нужно, чтобы использовать изделие по назначению, и, как правило, в него входят полностью собранная рама (для более компактной доставки крылья могут демонтироваться) с предустановленной рабочей начинкой (мотор, ESC, сервоприводы, закрылки и т.д.), а также передатчик и приёмник, аккумулятор и зарядное устройство. Обычно вы соединяете фюзеляж с крылом (или крыльями), заряжаете, устанавливаете и подключаете аккумулятор, и всё готово к полёту. Это самый быстрый способ попасть в воздух, но при этом такие комплекты не допускают последующего апгрейда.

BNF (Bind and Fly/Привяжи и лети) – беспилотник поставляется почти полностью собранным (для более компактной доставки крылья могут демонтироваться). Комплект не включает приёмник/передатчик. Сборка очень быстрая, учитывая, что все детали уже смонтированы/собраны. Необходимо будет подключить приёмник к сервоприводам и силовой установке, установить аккумулятор и проверить CG (Center of Gravity/Центр тяжести), а затем пройти предполётный контрольный лист запуска, выполнить калибровку. Обратите внимание, что вероятно, потребуется настроить вашу аппаратуру управления для данной модели БЛА. Это второй самый быстрый способ попасть в воздух.

PNF (Plug and Fly/Подключи и лети) – самолёт в основном полностью собран (для более компактной доставки крылья могут демонтироваться). Комплект включает ESC, пропеллеры и сервоприводы. Комплект не включает передатчик, приёмник, аккумулятор или зарядное устройство. Необходимо будет подключить приёмник к сервоприводам и силовой установке, выбрать и установить аккумулятор (проверить CG), а затем пройти предполётный контрольный лист запуска, выполнить калибровку. Обратите внимание, что вероятно, потребуется настроить вашу аппаратуру управления для данной модели БЛА.

PNP (Plug and Play/Подключи и играй) – такой же как PNF комплект.

ARF (Almost Ready to Fly/Почти готов к полёту) – изделия в такой комплектации обычно включают в себя раму и некоторое аппаратное обеспечение. Поставляются частично собранными практически со всеми частями/компонентами рамы необходимыми для её сборки. Может потребоваться некоторое склеивание. Пользователю нужно выбрать свой собственный передатчик, приёмник, мотор, ESC, пропеллер и сервоприводы, поскольку они не входят в комплект.

KIT – в наши дни KIT-самолёты включают планы сборки, но прежде чем самолёт станет достойным полёта пройдёт много времени. Рекомендуется иметь некоторый опыт пилотирования перед тем, как управлять KIT-самолётом, поскольку одна авария (обычно на первом вылете) может привести к многочасовому восстановлению БЛА.

DIY (Do It Yourself/Сделай сам или построенный с нуля) – что, говоря о самолётах, обычно означает совершенно нестандартную конструкцию, которую, возможно спроектировал пилот. Обычно конструктору необходимо выбрать все подходящие компоненты, и зачастую сборка осуществляется методом проб и ошибок.

Строительство

Существует множество различных материалов, используемых для создания рамы, крыльев и хвостового оперения RC самолётов/Дронов. Несмотря на то, что пилотируемые самолёты зачастую используют стекловолокно, алюминий и даже углеродное волокно, производители беспилотных летательных аппаратов пока не применяют таких материалов при изготовлении небольших судов. Ниже приведены наиболее распространенные материалы, которые вы найдёте в отрасли:

EPO (Expanded PolyOlefin/Расширенный полиолефин) – этот тип пены является лёгким, жёстким и более крепким, чем пенополистирол (EPS). При изготовлении форм позволяет добиться довольно гладкой поверхности. В случае аварии такая пена сжимается, а если усилие избыточно, разрушению будут подвержены самые слабые места. Как правило, детали исполненные из EPO остаются цельными, и если авария не серьёзная пострадавшие элементы можно впоследствии склеить.

EPP (Expanded PolyPropylene/Вспененный полипропилен) – этот тип пены является гибким и эластичным, и хотя он немного тяжелее EPO, он практически не поддается разрушению (для практических целей).

EPS (Expanded PolyStyrene/Вспененный полистирол) – этот тип пены обычно используется в качестве упаковочного материала для телевизоров, электрических приборов, при изготовлении шлемов, внутри ящиков со льдом и для дорожного и домашнего строительства. EPS содержит около 95-98% воздуха.

Balsa Wood (Бальса, бальза, бальзовое дерево, охрома) – в прошлом большинство RC самолётов использовали бальcу в качестве основного материала. Является невероятно лёгкой, но при этом показательно жесткой и легко обрабатываемой древесиной, оптимально подходящей для создания рам, крыльев и хвостового оперения. Невероятная осторожность и время должны быть вложены во время строительства, и даже самые лёгкие удары могут нанести серьезный ущерб раме (более серьёзные краши приводят к полному разрушению).

Выдувной пластик – процесс выдувного формования пластика включает закрытую матрицу, в которую выдувается полурасплавленный пластик, а затем охлаждается, чтобы сохранить её форму. На выходе получается прочная полая оболочка. Выдувной пластик чаще всего используется для создания фюзеляжа (в отличие от крыльев), после изготовления пользователь должен сделать соответствующие вырезы. Выдувные конструкции/комплект деталей также могут включать в себя предварительно вырезанную бальсу в качестве усиления. Выдувной пластик может противостоять ударам небольшой силы и имеет тенденцию вдавливаться, а не разрушаться.

Вакуумный пластик (Vacuumed Plastic) – процесс вакуум-формования листов включает нагревание тонкого пластикового листа до такой степени, что он становится гибким, но не совсем расплавленным, и размещение его на охватываемой матрице; пока он остаётся гибким, воздух между матрицей и листом удаляется (то есть выкачивается), что заставляет лист принять её форму. Пластик остывает, и трехмерная форма вырезается из окружающего материала. Существует много различных типов пластмасс, которые могут быть сформированы в вакууме, и их свойства могут варьироваться. Поликарбонат является хорошим компромиссом между весом и ударопрочностью.

Гофрированный пластик (Corrugated Plastic) – несмотря на то, что немногие самолёты используют его для фюзеляжа или крыльев, зачастую материал используется для придания жёсткости дверям или там, где требуются плоские поверхности. Гофрированный пластик выглядит как гофрокартон, только исполнен из пластика. Он очень устойчив к авариям и ударам, с ним легко работать без каких-либо специальных инструментов и он очень гладкий (аэродинамика).

Какой материал лучше?

Так какой материал выбрать для самолёта? Подавляющее большинство FPV сообщества использует пену EPO так как:

• По сравнению с бальзой экспоненциально меньше времени затрачивается на сборку, и следовательно, быстрее поднимается в воздух.
• Относительно лёгкий по сравнению с другими материалами и прилично жесткий * , и при этом может быть легко модифицирован/разрезан.
• «Всепрощающий», в том смысле, что он способен противостоять авариям и ударам малой силы, а также может многократно переклеиваться; и снова в полёт.
• Хорошее качество; Модели из пены имеют довольно высокую цену, поскольку разработчику необходимо компенсировать стоимость конструкции, прототипов и пресс-формы, а стоимость рамы обычно пропорциональна её размеру.
• Не требует применения специальных инструментов, таких как ламинирующий утюг с подогревом.
• Большинство комплектных рам включают в себя основные необходимые компоненты (для моделей из бальзы часто требуется дополнительная покупка ламинирующей плёнки, большая часть аппаратного обеспечения и многое другое).

* Модели из пены редко бывают достаточно жесткими сами по себе, и чтобы выдерживать нагрузки действующие на крылья в полёте, последние требуют дополнительного усиления в виде «лонжеронов» (длинные и тонкие стержни, как правило, изготовленные из стекловолокна или углеродного волокна) для увеличения жёсткости. Эти лонжероны зачатую необходимо приклеивать в различных стратегических местах, как сверху, так и снизу крыла (клеятся в предварительно прорезанные каналы). Размер моделей из пены, как правило, ограничивает только практичность, именно по этому довольно редко приходится видеть модели с размахом крыла более 2м.

Сборка

• Пена: Важно отметить, что далеко не каждый клей можно использовать для склеивания пены, так как некоторые из существующих могут разъедать и разрушать материал. Наиболее распространенными клеями, используемыми для склеивания пены EPO, являются «Goop» (название бренда) и «Gorilla Glue» (название бренда). Goop — прозрачный и имеет густую консистенцию, а также отличную связь. Gorilla Glue — для активации требует немного воды, исходная консистенция — густая. После взаимодействия с водой пенится примерно до 400% от своего первоначального размера и имеет жёлтый цвет. Клей «Gorilla» можно срезать в тех местах, где он нежелателен, но при этом необходимо исключить протекание клея в участки, в которых он быть не должен (например при помощи малярного скотча), и после нанесения, скрепляемые детали должны быть неподвижны, пока клей расширяется и затвердевает. Срезают пену обычно с помощью острого ножа, паяльного пистолета (в отличие от паяльника) или нагретой проволоки. Ручная пила имеет тенденцию разрывать пену и оставлять очень шероховатую поверхность. Самолёты из пены чаще бывают белого цвета, редко чёрного, а еще реже серого или других цветов. Кастомизация внешнего вида заключается в добавлении цвета или рисунков, которые можно выполнить с использованием специальной краски, ламината или винила. Примите во внимание, что для окрашивания пены подходят не все краски, некоторые могут её разрушать.
• Бальса: Цианакрилатовый клей чаще всего используют для соединения бальзовой древесины — как правило вязкая жидкость (почти как вода), обеспечивает очень прочную связь между склеиваемыми поверхностями. Как только каркас будет готов, его необходимо покрыть ламинатом (пластиковый лист с клеем, активируемым теплом с одной стороны), чтобы создать аэродинамическую поверхность. Ламинирующая плёнка нагревается/наносится с помощью ламинирующего утюга, обеспечивая на выходе плотную/твёрдую поверхность. Ламинат годится только для приклеивания к бальзовой древесине — его нельзя использовать для создания трехмерных фигур.
• Композиты: до сих пор редко можно увидеть композитные материалы, используемые для создания самолётов небольшого размера (углеродное волокно). В основе этих деталей эпоксидная смола (или специальный связующий агент), и их сложнее резать вручную, чаще требуется фрезерный станок с ЧПУ. Создание 3D-фигур также является довольно сложным процессом. Обычно самолёты используют композиты для усиления.

Мощность

• Самолётная силовая установка состоит из мотора, воздушного винта (пропеллера), ESC и аккумулятора. Выбор подходящих частей для рамы не должен быть «догадкой», и лучше всего посмотреть, есть ли у производителя рамы какие либо рекомендации касательно мотора, винта, либо диапазон для данной полезной грузоподъёмности.
• В наши дни большинство энтузиастов склоняются к электромоторам, а не к топливу (например, керосину) из-за самой низкой стоимости эксплуатации и простоты использования. Солнечная энергия используется редко, поскольку мощность, которую обеспечивает солнечная энергия, в сравнении с добавленным весом солнечных панелей (которые используются для зарядки батарей), все еще не выгодна.
• Выберите комбинацию мотор/пропеллер, способную обеспечить необходимую тягу для вашего планера, который имеет конкретную нагрузку. Некоторые производители планеров предлагают ряд идей касательно требуемой тяги на основе собственных экспериментов, которые должны дать общее представление о необходимом диапазоне.
• Недостаточное питание самолёта может привести к его нестабильности или крушению. Перегруженный самолёт может быть совершенно нестабильным в полёте. Учитывая, что почти все технологии, используемые для создания беспилотных летательных аппаратов, происходят из индустрии радиоуправления, имеется достаточно информации о выборе правильной тяги и сервоприводов для различных применений.
• Центр масс: Центр масс — это точка, вокруг которой можно разместить раму, чтобы вес был одинаковым со всех сторон. Центр подъёмной силы/коэффициент момента. Это точка, где суммируется вся подъёмная сила, создаваемая крыльями и управляющими поверхностями, обычно находится в самой высокой точке аэродинамического профиля. Желательно чтобы центр масс, соответствовал центру подъёмной силы.

Запуск/Посадка

• Запуск/посадка на взлетно-посадочной полосе: чтобы воспользоваться взлётно-посадочной полосой, дрону нужны колёса, а взлётно-посадочная полоса должна быть максимально ровной и идеально вымощенной.
• Ручной запуск: Существует два основных способа ручных запусков: с размахом под рукой или над головой. Способ с размахом аналогичен запуску диска (или киданию камней по воде), когда оператор пытается разогнать дрон до максимальной скорости, используя угловую скорость. В качестве альтернативы есть способ над головой, когда оператор запускает самолёт вверх (лучше всего, чтобы это делал второй оператор/помощник).
• Запуск посредством катапульты: чтобы максимально быстро разогнать дрон, катапульта использует один из нескольких различных способов: сплетённый резиновый трос (bungee cable/банди), лебедка или даже сжатый воздух. Катапульты нелегко транспортировать и они требуют дополнительных инвестиций и диагностики.
• Ручной захват: поймать небольшой дрон рукой не сложно, при условии, что пропеллер не вращается, но, так или иначе способ требует некоторой сноровки.
• Приземление: Наиболее часто используемый метод посадки — это посадка с помощью заноса на прилично ровной поверхности, такой как трава. Этот метод актуален потому что все меньше и меньше дронов имеют шасси (а взлётно-посадочная полоса недоступна), принуждая самолёт просто приземлиться на любой возможной плоскости. Обычно перед полётом, пилот находит подходящее место для посадки. В идеале самолёт должен иметь сменные защитные пластины из-за постепенного износа.
• Сетевой «захват»: Несмотря на то, что чаще всего такой способ посадки используется военными для небольших беспилотников, использование сетки для ловли беспилотника весьма эффективно там, где другие способы посадки затрудненны. При этом настройка сетевой системы требует времени, и для большинства энтузиастов предпочтительнее использовать другие типы посадки.

Источник