Основы разработки дронов-ликбез
разработка--------автор Книжников ВВ
"Да здравствует Разум ---да сгинет маразм!"
Эксплуатационный выбор
При выборе облика платформы всегда надо опираться на все эксплуатационные свойства бпла----например
1) по надежности компонентов первым идёт лк[1]----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! более подробно смотри статью "ТАУ"
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 носителя ----------------------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!!!
Профессиональный фактор пилота----инженеры-аэродинамики любят крылатые ЛА типа планер,самолёт и лк и плавную манеру управления, а вот электронщики-программисты предпочитают винтовые мультикоптеры с "мозгами" и резкую манеру управления...
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------------------5-------------------5----------------15-----------45--------0
Коптер(квадрик)-----------------лучи7------------центр8--------------------0--------------------5------------------5------------------5----------------20-----------40----------10
Относительная масса э-ВМГ(винт+мотор+рх) для авиамодели самолёта класса "парк-флай" примерно mвмг/mполётная=1/АКмах и mвмг=mпол/АКмах----
например 0.6кг/6=0.1кг=винт(10г)+эд(65г)+регуль(25г)!!!
масса аккумулятора желательно не менее двух масс вмг----например mакку=2 mвмг=2(mв+mбк+mрх)=2(10+65+25)=200грамм
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 видеопередатчиков 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 стабилизатора (1--3гр),
2)неправильная центровка----обычно слишком задняя (нормально 25%--30%САХ у самолётов и 15%--20%САХ у лк)
3)биение-вибрации от несбалансированного ВМГ---- (уравновесить кусочком изоленты на кончике более легкой лопасти),
4)слишком большие расходы серво----углы отклонения рулевых поверхностей от нейтрали (+-15гр у самолёта и +-5гр у лк),
5)пере или недо регулирование ПИДов автопилота---- (настроить правильно коэф ПИД),
6)неграмотное расположение чувствительной радиоэлектроники---- (антенны приемников ру и ЖПС как можно дальше от регулятора хода и видеопередатчика),
7)отсутствие пассивной защиты элементов конструкции----- (наклеить демпфера из пенорезины),
8)холодная пайка и неполный электроконтакт в разъёмах (поджать клеймы в разъёмах или полностью заменить шлейф),
9)люфты или закусы механики-----(обязательно убрать причину неисправности),
10)несоответствие направлению руления или стабилизации----(реверс команд с пульта ру или в настройщике АП)!
Первое испытание всегда проводить только в ручном визуальном режиме!!!
маленький и легкий БПЛА-самодельный паркфлаер из потолочки или подложки[2]
смотри статью "Экономика дронов"
