Основы разработки дронов-ликбез

Версия 16:50, 27 сентября 2023

разработка--------автор Книжников ВВ

Эксплуатационный выбор

При выборе облика платформы всегда надо опираться на все эксплуатационные свойства бпла----например

1) по надежности компонентов первым идёт лк----затем классический мотопланер---потом самолёт---утка-----мультикоптер---вертолёт ! более подробно смотри статьи "сопромат","механика"

2) по стабильности полёта первым идёт мультикоптер---вертолёт ---мотопланер---самолёт---утка----лк ! более подробно смотри статью "аэродинамика"

3) по экономии энергии и ветро-пробиваемости первым идёт мотопланер---самолёт---лк---вертолёт---мульти ! более подробно смотри статью "динамика"

4) по минимальным габаритам в сложенном состоянии первым идёт мультикоптер----вертолёт ---лк---самолёт---мотопланер ! более подробно смотри статью "композит"

5) по простоте взлёта и посадки первым идёт мультикоптер----вертолёт ------мотопланер-----самолёт-----лк ! более подробно смотри статью "пусковые устройства"

6) по манёвримости первым идёт мультикоптер----вертолёт ------лк----утка----самолёт-----мотопланер!

Соответственно квадрокоптер по совокупности всёх потребительских свойств в 4 раз хуже мотопланера---так как для динамической устойчивости и управляемости у квадрокоптера четыре ВМГ против одной на планере и прожорливость на крейсере у мультикоптера в 4 раза больше, чем у самолёта плюс его планирующие свойства!

Основываясь на статистике применения различных БПЛА в боевых условиях электро-дроны мультикоптерного типа живут всего 2-3 вылета или 1-1.5 часа до сбивания против 4-6 миссий или 4-6 часов у крылатого типа, то есть самолёт в 4-6 живучее коптера при суровых условиях применения за счёт высокой крейсерской скорости 60-80 км/ч против 30-40 км/ч при одинаковой стоимости ла!!!

А вот на гражданке общая живучесть на примере паркфлаеров самолётного типа в среднем 50-100 часов полного ресурса против 5-10 часов у квадрокоптеров!

сравнение совокупных качеств дронов крылатого типа и мультикоптера!

хар-ка ------------------------------ самолёт ------------------------------- мультикоптер

аэрокачество -----------------------6-12------------------------------------1

самостабилизация ----------------- устойчив ------------------------------- нет

деталей платформы ----------------------6-10------------------------------------3-10

кол-во крепежа ----------------------------6-18------------------------------------12-72

уязвимость --------------------------- руль высоты -------------------------- пропеллер и мотор

особенность --------------------------- планирование ------------------------- зависание

САС ------------------------------------ не обязательно ------------------------- парашют

настройка ла ----------------------------4-6 функций ----------------------------8-10 функций

электро-компонеты ---------------- самолёт ------------------------------- квадрик

аккумулятор ----------------------- ЛИ-ОН -------------------- ЛИ-ПО в 4 раза больше

кол-во э-ВМГ ------------------------1-2------------------------------------4-8

кол-во серво -------------------------2-6-------------------------------------0-1

регулятор хода---------------------1-2 простые --------------------------- 4в1 сложные

ру приёмник-------------------4-6 канальный PWM------------------6-8 канал. PPM, Sbus

автопилот----------------------3F-4F------------------------------------------4F-7F

GPS приёмник --------------------nmea----------------------------------------ublox

магнитный компас ----------------- не обязательно ------------------------- есть

барометр ------------------------------ не обязательно ------------------------- есть

датчик воздуш. потока -------------- есть ---------------------------------------- нет

эксплуатация и ресурс------------------большой---------------------постоянные ремонты от падений

совокупность всех решений ------------ просто ------------------------ очень сложно!!!

Вывод------мультикоптеры благодаря их сверх-манёвримости хороши для полётов в лесу между деревьями и в помещениях но недолго, а вот на открытой 
местности самолёты полностью отвечают всем требованиям продолжительной эксплуатации---это высокий крейсер, большая дальность и грузоподъёмность плюс 
высокая живучесть в целом!!!

Оптимизация

Основная задача инженера при проектировании дрона ---это оптимизация всех параметров и  относительных размеров элементов при условии начальных габаритов и ттх!

Один из самых простых способов в мировой практике--- это прямое копирование уже отработанных схем и решений конструкции типа а ля клон с некоторыми незначительными изменениями,чтобы не нарушать авторское право, а также линейное масштабирование отработанного узла или корпуса в целом на основе удачного дрона с учётом доступности технологий!

Графический метод оптимизации  любой консоли по закону усеченного конуса  или его плоской  проекции например----

Всегда старайтесь применять трапецевидную консоль крыла с сужением 1.5-2 по ряду положительных причин----

близкое к эллипсному распределению подъёмной силы по размаху и максимум АК----

оптимальная эпюра момента на изгиб по сопромату то есть минимальное сечение балки или лонжерона в корневище крыла а значит и вес крыла ----

также минимальный момент инерции ----

очень технологично при композитном исполнении при позитивной формовки по пеноядру----

всё это в сумме дает оптимальные характеристики в целом для ла !

Также проектируются все силовые балки типа лучей, хвостов, стоек, пилонов, форма килей и стабилизаторов!

Применять конструктив типа монокок-----то есть рабочая силовая жесткая обшивка с минимум внутреннего поддерживающего каркаса типа шпангоутов и стрингеров! Хороший пример замкнутого контура многосекционный бутылочный фюзеляж или пустотелые тонкостенные композитные корпуса отлитые или отформованные в матрицах !

Метод---одна вторая

При проектировании дрона любого типа можно  использовать правило одна вторая для относительной массы компонентов или  схему дерева !

1) сухая масса носителя-платформы это одна вторая от полной взлетной,ползущей или плавающей 50%---- соответственно плюс одна вторая общего груза 50% ----где полезный груз 25% и топливо (аккумулятор) 25% тоже по одной второй!

2) масса носителя состоит из одной второй массы силовой платформы типа планер бпла или корпус лодки или шасси с кузовом! соответственно плюс одна вторая на силовой приводной механизм типа вмг и авионика, где электро вмг или двс привод с трансмиссией одна вторая и плюс управляющая электроника одна вторая по массе!

3) планер состоит из крыла одной второй массы и одной второй фюзеляжа с оперением или у мультиротора масса лучей равна массе силового центрального корпуса , а масса кузова и шасси с колесами также равны или одна вторая по соотношению.

Например---- заказчик просит возить полезную нагрузку в 2 кг не менее 2 часов типа подвесной цифровой профессиональной камеры с оптическим зумом на гироплатформе в защитном прозрачном колпаке----сразу прикидываем, что топливо не менее 2 кг ----итого груз 4 кг! полётная масса 8 кг ---- значит масса снаряженного сухого бпла около 4 кг----- из них планер 2 кг и силовой привод с авионикой тоже 2 кг----- из них крыло 1 кг и фюзеляж с оперением тоже 1кг ---- винтомоторная группа с регулятором и силовыми проводами около 1 кг и исполнительные серво приводы с управляющей электроникой типа автопилот, телеметрия, радиомодем и курсовой видео онлайн с бортовым электропитанием тоже 1 кг!

Это ориентировочный весовой расклад -----далее исходя из доступных технологий, материалов и промышленных комплектующих вносятся уточнения по каждой категории при условиях дополнительных опций типа колесное шасси, САС на парашюте или гидро-поплавки, наличие дополнительного и дублирующего оборудования!

Методы оптимизации дрона в зависимости от задачи

Поставленная задача заказчиком определяет для разработчика тактико-технические характеристики (ТТХ) беспилотника!!! То есть задача определяет поиск экстремума или максимальной эффективности основного требуемого физического параметра! например для----

1) долголёта крылатого типа в режиме баражирования----- основной параметр это максимальное время непрерывной автожизни на одной зарядке в часах

2) дальнолёта крылатого типа в режиме максимальной дальности----- основной параметр это пробег в километрах

3) грузовика крылатого типа---- возможность взять максимум полезной нагрузки в килограммах

груз на дальность 25% от полётной массы-----пиковый груз 40%, но недалеко------и вообще масса груза с топливом это 50% для многоразового БПЛА-----для камикадце можно и 60% лишь бы при старте планёр не сломался от перегрузок-----сопромат конструкции!!! 

4) перехватчика крылатого типа---- это максимальная скорость в км/ч и перегрузка при боевом пилотаже

5) специфические задачи типа минимального размера бпла или вертикальный взлёт или посадка с неподготовленной площадки ----обычно используются мультиротарные коптерные платформы или дирижабли

Из-за нелинейности реальных физических функций в комплексном уравнении всегда есть пик или экстремум в виде горки или ямки показывающий максимальную эффективность по искомому параметру! Так как начальных вводных много, как-то полётная масса,габариты,скорости ветра,энергетика то это сильно сужает поле поиска и облегчает инженерную задачу Обычно расчёт ведётся как запас располагаемой энергии на борту----чем больше удельная энергия источника или аккумулятора тем выше показатели по дальности и времени,а по удельной мощности СУ определяется максимальная скорость и грузоподъёмность дрона!!!

Для каждого типа беспилотника в зависимости от задачи есть свой оптимум относительной массы компонентов----поэтому существует такое большое разнообразие в облике , конструкциях и технологиях изготовления!

Некоторые параметры противоречат друг другу----например чем больше масса полезного груза,тем меньше топлива можно взять в полёт и значит меньше дальность миссии или чем мощнее ВМГ, тем меньше кпд при крейсере и время автожизни

на практике в авиамоделизме масса конструкции планёра всегда около 1/3=(30-35)%  от полётной!!!

НАЗВАНИЕ100%------------КРЫЛЬЯ%----ФЮЗЕЛЯЖ%----ОПЕРЕНИЕ%----ШАССИ%----АВИОНИКА%-----ВИДЕО%-----ВМГ%-----АККУ%-----ГРУЗ%

Долголёт(планер)-------------------30------------------10---------------------5-------------------0-------------------5------------------5----------------5------------40---------0

Дальнолёт(БПЛА)-----------------20------------------10---------------------5-------------------0-------------------5-------------------5-----------------5------------40--------10

Грузовик(двухмоторник)-----------15------------------10--------------------5--------------------5------------------5-------------------5----------------10-----------20--------25

Перехватчик(лк)-----------------25-------------------5---------------------0--------------------0------------------10-------------------5----------------15-----------30--------10

Коптер(квадрик)-----------------лучи7------------центр8--------------------0--------------------5------------------10------------------10----------------20-----------40----------0

масса аккумулятора желательно не менее двух масс вмг----например mакку=2 mвмг=2(mв+mбк+mрх)=2(5+30+10)=90грамм

более подробно смотри статьи "методы оценки ла " , " Предел электро ЭМУ-ликбез "

Запас прочности

Применение коэффициента запаса прочности на разрушение в сопромате в 1.62  от максимальной эксплуатационной  перегрузки в сечении всегда позволяет на практике гарантировано сделать живучую и легкую конструкцию  ла!

В силовой электротехники запас по токопроводимости проводов, регуляторов хода электромоторов, аккумуляторов тоже лучше брать как 1.6-----то есть производитель гарантирует максимальный ток регулятора хода 32 ампер то на практике лучше не нагружать более 20а и силовые полевые транзисторы гарантированно не перегорят, сечение проводов тоже увеличить в 1.6 от расчетной на тепловой максимальный нагрев!

Долго играющая мощность электромотора не должна превышать 0.6 от максимальной разрешенной производителем с запасом по току в 1.6--- тоже самое с акку написано ток 10С значит на практике не более 6С, максимальный расчетный момент на сервоприводах всегда 0.6 от заявленного производителем.

Объясняется этот запас разбросом условий эксплуатации от идеальных лабораторных в первую очередь от температуры окружающего воздуха и условий охлаждения и как следствие температуры самого электро-компонента---чего бы там не писали производители, всегда не более +50 град по С.

Окраска беспилотников

Все наружные поверхности корпусов дронов соприкасающиеся с агрессивной средой в которой много химических загрязнителей, воды, соли, пыли и песка обработаны защитным слоем в простонародье краска! Водостойкое защитное покрытие всегда состоит из основы органической смолы типа нитро, акрил, алкид, полиэфир, эпокси и наполнителя с цветным пигментом! Для удобства нанесения кистью, валиком или через пульвизатор краску обычно разбавляют рекомендованным органическим растворителем------ например ацетон, спирт, бензин и другие! Для лучшей адгезии краски к металлам и стеклопластику используют промежуточный слой специальной грунтовки, рекомендуемой производителем!

Цветовая гамма краски для дрона выбирается на вкус и пожелание заказчика---- обычно гражданские дроны делают яркими, контрастными красками для лучшего наблюдения и поиска типа красные, желтые, оранжевые цвета !

Для военных целей используют маскировочную окраску под тип местности-----зеленый оттенок цвета летом ,белый зимой,серый или коричневый в межсезонье,черный в ночь!

Расположение компонентов в беспилотнике

1) Радиомодем и другие излучатели электромагнитных волн располагать как можно дальше от автопилота и жпс приёмника ---например в хвост или на кончик крыла

2) Также с силовыми проводами, импульсными источниками тока, рулевыми машинками,видеокамерами, аккумулятором, регуляторами хода и электромоторами подальше от малоточной чувствительной электроники, которую надо экранировать и заземлить----

обычно вмг и акку располагают в носу бпла при тянущей схеме, сервоприводы на плоскостях и в хвосте, а в центр именно управляющую слаботочную электронику типа автопилота, жпс приёмника  и приемника ру!

3) Все информационные провода скрутить в витую пару или в экран с заземлением типа коаксил!

4) Внимание некоторые жпс приёмники забиваются диапазоном радиомодема или видеопередатчика или радиостанции----надо подбирать! типичные разрешённые диапазоны 40 мгц, 433 мгц, 900 мгц, 1.2 ггц, 2.4 ггц, 5.8ггц .

5) Силовые провода и информационные шлейфы развести по разные борта фюзеляжа.

6) Антенны приемников и передатчиков на ла располагать перпендикулярно или на одной оси вертикально вниз и вверх для снижения взаимного влияния напряженностью поля и только снаружи корпуса.

7) Все металлические и карбоновые детали корпуса дрона обязательно соединить электрически и заземлить на минус---

иначе железки будут работать как паразитные не согласованные элементы и расстраивать антенны.

более подробно смотри статью "радиопомехи"

Дублирование

Вообще в авиации правило удвоения или дублирования функции очень повышает надежность и живучесть ла в целом ----например

1) двух моторность,

2) разрезные аэрорули,

3) двойные карбюраторы и системы зажигания,

4) двойные баки и резервное электропитание от дополнительного акку,

5) двойные запараллеленные тумблера,

6) двойная топливная магистраль и двойные тормоза ,

7) две бутылки воды и два типа радиостанции встроенная и переносная ,

8) дублирующий монтаж --с начало приклеить, потом зашурупить на локтайт, любое сращение силовых деталей бондажить свм ниткой или стеклотканью на клею,

9) все электро разъемы с фиксирующими замками и двойными клеймиками то есть гнездами питания,

10) двойной крепеж особо важных компонентов типа мотора, сервоприводов или качалок и петель---- если в теории хватит двух-трех точек крепежа, то на практике всегда четыре-шесть и контровка,

И всегда помнить----ни какого трения при вибрациях не существует,поэтому все соединения и резьбы надо контрить!!!

Момент инерции

Так как вращение летательного аппарата происходит вокруг точки центра масс ----то моменты инерции по осям определяют угловое ускорение на реакцию управлении в целом---

Момент инерции  (МИ) тела относительно оси вращения проходящей через центр масс это сумма произведений массы элементов на квадрат расстояния между цм элемента до цм ла----- МИ(кгм2)=mr^2!!!

Поэтому сумма этих моментов у лк относительно поперечной оси Y обычно самая маленькая и отклик на тангаж самый отзывчатый! Относительно продольной оси X, чуть больше и и поэтому реакция по крену ниже! Максимальная сумма моментов по вертикальной оси Z самая большая и по рысканью самая медленная реакция на руль поворота !

1) консоль крыла или стабилизатора или киля трапецевидной формы имеет наименьший ми против прямоугольного---

2) тонкий конус хвостовой балки лучше ---

3) хвостовое оперение всегда делать как можно легче----мотор,пилот, груз и бак располагать как можно ближе к центру масс и у вас получиться отзывчатый ла идущей за штурвалом--так делаются все учебные и спортивно-пилотажные самолёты.

У грузопассажирских и бпла, где полезный груз размазан вдоль фюзеляжа--- ми очень большой и самолёт сильно тупит по тангажу---так как топливо обычно в крыльях, то при взлёте ми по крену максимален и вялый отклик!

Помнить всегда, что рулить этими утюгами надо очень медленно и осторожно--- то есть минимальные расходы и не стараться заложить крутой вираж---иначе легко сорвать в штопор!

Кстати длинные крылья у классических планеров и лк с большим удлинением крыла сильно тупят по крену и наоборот резкие по тангажу----тандемы вертлявы по крену и тупые по тангажу----и лишь у короткокрылой классики оптимальные отзывы на управление по всем осям ---то есть типичные поршневые спортивно-пилотажные самолёты и гоночные лк.

Также двухмоторники на крыльях сильно тупят по крену и рысканью, а вот двухмоторники по продольному тандему типа тяни нос-толкай хвост сильно тупят по тангажу и тоже по рысканью, четырех или трех точечные конвертопланы из за большого разноса масс вмг по длине лучей очень сильно тупят по всем осям и двух стояночное шасси с хвостовым костылем имеет ми меньше, чем трех стояночного с передним рулевым

Чтобы разгрузить лонжерон по перечному изгибу в центроплане, нужно равномерно распределять начинку и топливо по размаху крыла.

Перегрузка в вираже грузового бпла не должна превышать 2.5 же! с учётом коэф запаса прочности 1.62---перегрузка на разрушение 4же

Основной секрет мастерства при проектировании любого изделия----это то простое решение которое само собой напрашивается и есть самый правильный подход! 

Внимание!----самый главный принцип в авиации это минимальная достаточность функций и компонентов!!!

если можно обойтись без ненужной роскоши то сразу за борт, так как это лишняя масса и повышенный риск на отказ системы в целом----например

1)убираемые шасси и сильная механизация крыла(закрылки,предкрылки,энцепторы,винглеты)

2)складной винт и ВИШ

3)световое, звуковое и видео оборудование

4)переизбыточный многофункциональный автопилот и многоканальная система управления

5)складные и разборные конструкции типа механических замков для элементов крепления крыла , хвоста и электроразъёмов для электроники

6)любая механизация в самом нагруженном месте всегда ведёт к повышенной аварийности, лишней массе и уменьшением ресурса ла-----например механизм изменяемой стреловидности крыла, механизм перекоса лопастей в вертолёте-----поворотный механизм вмг в конвертопланах !!!

В полевых условиях всегда применять первичные способы проверки работоспособности дрона по отдельности!!!

1) зафиксировать дрон ---- дать полный газ на ДВС и потом погазовать в различных положениях бпла в пространстве

2) последовательно проверить правильность руление всех функций

3) если взять за оба кончика крыла и поднять ла, то эмулируем перегрузку на крыло в 2.5 же

4) если ла легкий то взять одной рукой за кончик крыла и горизонтально вывесить фюзеляж-----постепенно дать газ и смотреть на угол возвышения, то синус угла и есть тяго-вооружённость---то есть при 20 градусах будет 0.33----при 30гр уже 0.5---при 45гр 0.7---при 60 гр 0.85----при вертикали 1!!!

Основное правило первого испытательного запуска---не бороться ПИДами-триммерами со следствием кривой работы, а устранение самой причины неисправности

1)кривая геометрия изделия---крутка и углы установки,

2)неправильная центровка----обычно слишком задняя

3)биение-вибрации от несбалансированного ВМГ,

4)слишком большие расходы серво----углы руления,

5)пере или недо регулирование ПИДов автопилота,

6)неграмотное расположение чувствительной радиоэлектроники,

7)отсутствие пассивной защиты элементов конструкции,

8)холодная пайка и неполный электроконтакт в разъёмах,

9)люфты или закусы механики,

10)несоответствие направлению руления или стабилизации----реверс команд!

Первое испытание всегда проводить только в ручном визуальном режиме!!!

смотри статью "Экономика дронов"