MATURITNÍ PRÁCE RC model letadla na solární pohon

Transkript

1 MATURITNÍ PRÁCE RC model letadla na solární pohon autor: David Jelínek, 4.D garant: Ing. František Humhal konzultant: Ing. Karel Fuksa, Pavel Petrášek Smíchovská střední průmyslová škola 2010/2011

2 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon 2

3 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Zadání žákovského projektu ŽÁKOVSKÝ PROJEKT Název: RC model letadla 1 Jméno: David Jelínek Ročník: 4 Třída: 4.D Školní rok: 2010/2011 Garant projektu: Ing. František Humhal Obor: Informační technologie - Konzultant: Ing. Karel Fuksa, Pavel aplikace osobních Petrášek počítačů Zadání Navrhněte RC model letadla na solární pohon. Součástí návrhu je řešení komplikovaného problému koncepce letounu se solárními panely, geometrie křídla s ohledem na umístění solárního panelu. Vymodelujte komponenty a sestavu RC modelu letadla. Z modelů součástí generujte technickou dokumentaci - výrobní výkresy nebo programy pro výrobu na CNC strojích. Vygenerujte výkres sestavy letadla včetně pozic a kusovníku. Navrhněte vhodné fotorealistické ztvárnění modelu letadla - povrch, osvětlení. Navrhněte montážní soubor letadla - (*.ipn). Navrhněte videa, o animace osvětlení, kamery, parametrů aj. Vypracujte technickou zprávu, o popis a funkce letadla, o teorie geometrie křídla. Realizace modelu Účel projektu Studenti se v rámci projektu naučí pracovat se softwary používanými v běžném automobilovém, leteckém nebo strojírenském průmyslu. Znalost CAD/CAM softwaru umožňuje orientovat se v oboru, který má stále větší význam. Projekt umožní důkladně poznat tyto systémy a získat zkušenosti: při tvorbě digitálních modelů, ve zpracování NC kódů, v konstrukční činnosti, v projektové činnosti. Využití těchto systémů je velmi potřebné pro celkový rozvoj všech vědních oborů. Studenti mohou konzultovat své návrhy s odborníky ČVUT a rozšiřovat si tak své znalosti a dovednosti. Projekt poslouží k prezentaci školy. Výstupy projektu Rozdělení funkcí a zodpovědnost členů týmu za jednotlivé úkoly Návrh modelů komponent letadla Návrh modelu sestavy letadla Výkresy komponent letadla 3

4 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Výkres sestavy Návrh programu pro CNC obrábění vybraných komponent o simulace dráhy nástroje o NC kód Montážní soubor letadla - video Fotorealistické ztvárnění letadla - min. 2x render Animace pohybu letadla - min. 2x video Prezentační panely Technická zpráva o analýza problému o variantní návrhy letadla o volba polotovaru, materiálu komponent o čistá hmotnost komponent a sestavy letadla o návrh povrchové úpravy o popis parametrů render - obrázků o popis parametrů videa o závěrečné zhodnocení projektu o výstupy zkoušek v aerodynamickém tunelu o výstup hospodaření Prezentace projektu v programu PWP/www Model letadla Obsah (rozepsané úkoly) 1. Proveďte analýzu problému a navrhněte postupy pro splnění zadání. 2. Sestavte harmonogram prací a hodnotící list s bodovanými úkoly. 3. Proveďte vlastní řešení projektu dle schváleného harmonogramu. 4. Proveďte závěrečné zhodnocení projektu. 5. Odevzdejte závěrečnou zprávu ve formě dokumentu v programu Word. 6. Odevzdejte prezentaci projektu v programu PowerPoint. 7. Proveďte veřejnou prezentaci svého projektu. Žákovský projekt bude mít teoretickou a praktickou část. V teoretické části odevzdáte vytištěnou závěrečnou zprávu a případné další výstupy, plynoucí z vašeho projektu. Závěrečná zpráva, podklady pro prezentaci a případné další výstupy budou rovněž na připojeném nosiči CD. Součástí projektu je závěrečná veřejná prezentace projektu před třídou a dalšími návštěvníky prezentace. V praktické části budete svůj projekt obhajovat před maturitní komisí. Datum a podpis garanta: 4

5 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Hodnocení maturitní práce Název projektu: RC model letadla Jméno:David Jelínek Třída: 4.D Školní rok: Termín: šk.týden Datum: Maximální zisk bodů: Hodnocení (Počet bodů): Komentační bod Úvod do PRO, pravidla PRO 2./ Zadání projektu 3./ Kontrola zadání projektu 4./ Příprava analýzy 5./ Analýza 6./ bodů 5 bodů Příprava harmonogramu 7./ Harmonogram 8./ bodů 5 bodů Modelování komponent 9./ Modelování komponent 10./ Modelování komponent 11./ Modelování komponent 12./ Modelování komponent 13./ Sestavování komponent 14./ Tvorba NC kódů 15./ Návrh komponent a sestavy, NC kódy 16./ bodů 25 bodů Vánoční prázdniny 17./ Vánoční prázdniny 18./ Tvorba výkresů, navrhování povrchové úpravy 19./ Výkresy komponent a sestavy, hmotnost 20./ bodů 15 bodů komponent a sestavy, návrh povrchové úpravy Pololetní klasifikace 21./ Výroba komponent 22./ Výroba komponent 23./ Sestavování vyrobených komponent 24./ Sestava z jednotlivých komponent 25./ bodů 30 bodů Dokončování letadla, závěrečná zpráva 26./ Vytvoření plakátu 27./ bodů 5 bodů Zálet letadla, závěrečná zpráva 28./ Jarní prázdniny 29./ Odevzdání projektu a závěrečné zprávy 30./ bodů 4 body Třičtvrtěletní klasifikace 31./ Prezentace projektu 32./ Prezentace projektu 33./ bodů 10 bodů Příprava obhajoby projektu 34./ Příprava obhajoby projektu 35./ Celkem bodů za průběžnou práci 100 bodů 99 bodů Celkové hodnocení: bodů výborný bodů chvalitebný bodů dobrý bodů dostatečný 0-50 bodů nedostatečný Pokud žák neřeší libovolný bod, je práce hodnocena jako nedostatečná. Hodnocení 2/IV výborný Hodnocení 3/IV výborný Hodnocení 4/IV výborný podpis garanta:. 5

6 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Čestné prohlášení žáka Já David Jelínek, student Smíchovské střední průmyslové školy, narozen , bytem Svornosti 574/5, Praha 5, čestně prohlašuji, že v dokumentu, jehož je toto prohlášení nedílnou součástí, jsem uvedl přesné, pravdivé a úplné údaje. Vše jsem tvořil sám za pomoci garanta a konzultanta. Při práci jsem použil pouze legální SW. Jsem si vědom toho, že pokud by mnou uvedené informace byly nepravdivé, budu čelit všem z toho vyplývajícím následkům. V Praze

7 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Poděkování Tímto chci poděkovat všem, co mi pomohli při řešení projektu. Děkuji mému garantovi Ing. Františku Humhalovi za dohled nad projektem, konzultantovi Ing. Karlu Fuksovi a konzultantům z ČVUT FS Ing. Michalu Schmirlerovi a Petru Mihalovi za odborné konzultace. Bez jejich rad a zkušeností by nemohl být projekt úspěšně dokončen. 7

8 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Anotace Tento projekt mě okamžitě zaujal, protože se o oblast letectví velice zajímám. Cílem je zkonstruovat rádiem řízené letadlo, které je poháněné pouze sluneční energií. Letadlo je jednomotorový hornoplošník s ocasními plochami do T a se svislým stabilizátorem směřujícím dolů. Má ostruhový podvozek a pohonnou jednotku tvořenou stejnosměrným elektrickým motorem s převodovkou a pevnou dvoulistou vrtulí. Letadlo dosahuje rozpětí necelých 1,5 m s profilem křídla Jedelsky. Všechno je podřízeno solárním článkům, které obecně disponují velice malou účinností a velkou hmotností. Konstrukce letadla musí být lehká a pevná, takže jsou použity moderní materiály. Křídlo je vyrobeno z uhlíkové skořepiny, která je tuhá a lehká. Na skořepinu navazuje depronová deska, na jejíž horní straně jsou umístěny solární články. Trup je tvořen uhlíkovou trubkou s uhlíkovým podvozkem a ocasními plochami z depronu s balzovou náběžnou lištou. Křídlo a trup jsou spojeny pylonem, který je vyroben z ebabloku s uhlíkovou kostrou. Samozřejmě jsou zastoupeny moderní technologie návrhu a výroby. Jednotlivé komponenty jsou vymodelovány v Inventoru a některé z nich jsou převedeny do AlphaCAMu, kde jsou vytvořeny NC kódy. Kódy jsou potřeba pro výrobu CNC frézou. Během výroby je také použita řezačka horkým drátem. Cílem projektu je hlavně prezentace školy a ukázka využití obnovitelných zdrojů energie. 8

9 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Annotation The project impressed me immediately, because I am very much interested in this area. The target is to construct a radio controlled aircraft that is powered only by solar energy. To introduce, the plane is a single-engine, high-wing monoplane with T tail and downward vertical stabilizer. It has conventional landing gear and powerplant formed by DC electric motor with a gearbox and a fixed-pitch two blade propeller. The plane has wingspan 1.5 m with airfoil Jedelsky. Everything is subject to solar cells which generally have very little efficiency and are heavy. The construction of the aircraft must be lightweight and strong, so modern materials are used. Firstly, the wing is made of carbon fiber laminate shell that is very durable and lightweight. The depron plate with solar cells on top is connected to the shell. Secondly, the fuselage consists of carbon tube that is connected to carbon main landing gear and empennage which is made of depron plate with balsa leading ledge. The wing and fuselage are connected together by pylon which is made of ebablock with carbon frame. Of course, modern technology is well represented. The individual components are modelled in Inventor and some of them are transferred to Alphacam where NC codes are created. The codes are required for manufacturing using CNC milling. During the production a hot wire cutter is also used. In conclusion the aim of the project is mainly presentation of the school and promotion of renewable energy sources. 9

10 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obsah Zadání žákovského projektu... 3 Zadání... 3 Účel projektu... 3 Výstupy projektu... 3 Obsah (rozepsané úkoly)... 4 Hodnocení maturitní práce... 5 Čestné prohlášení žáka... 6 Poděkování... 7 Anotace... 8 Annotation... 9 Analýza Popis úkolu Popis stávajícího stavu Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu Popis výběru varianty řešení a výstupů Stanovení dílčích úkolů Vlastní řešení Solární články Profil křídla Gurneyho klapka Ocasní plochy Modelování komponent CNC NC kódy Výroba Elektronika Parametry letadla Držák Letové vlastnosti Plakát Závěr

11 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Seznam použitých zdrojů Seznam použitého SW Seznam obrázků Seznam příloh

12 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Analýza Popis úkolu Úkolem je navrhnout RC model letadla na solární pohon. Zapotřebí je vyřešit komplikovaný problém koncepce letounu se solárními články a geometrii křídla s ohledem na umístění solárních článků. Projekt je určen široké veřejnosti. Účelem je demonstrovat sluneční energii, jako obnovitelný zdroj energie a jako alternativní zdroj pro pohon letadel. Přesto projekt poslouží hlavně k prezentaci školy. Popis stávajícího stavu V současné době existuje minimálně 6 projektů solárních letadel, 1 projekt solární vzducholodě a projekt Sky-Sailor. Jedná se o projekt bezpilotního letadla na solární pohon, které se svou velikostí a vlastnostmi nejvíce podobá tomuto projektu. Projekt bude konzultován s FS ČVUT v Praze, která má zkušenosti se stavbou modelů letadel a aerodynamikou. Před několika lety byl studenty ČVUT postaven model auta na solární pohon. Já osobně disponuji zkušenostmi se stavbou a provozováním modelů letadel. Jako pilot letadel typu Cessna mám znalosti ohledně aerodynamiky, principů a mechaniky letu, konstrukce a výkonů letadel, leteckých pohonných jednotek, leteckých přístrojů a dalších leteckých oblastí. Při řešení projektu budu vycházet z vlastních zkušeností a rad ČVUT. Pro inspiraci použiji jiné projekty solárních letadel. Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu Pro vymodelování komponent letadla bude použit program Autodesk Inventor, protože s ním umím pracovat a je využíván ve škole. Vymodelované komponenty se pro následnou výrobu převedou do NC kódu v programu AlphaCAM 7, jehož výběr je popsán v tabulce níže. řešení jednoduchost ovlivňování dostupnost celkem pořadí ovládání parametrů AlphaCAM DeskProto stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší Závěrečnou zprávu a prezentaci projektu vypracuji pomocí nástrojů v balíku MS Office (Word a PowerPoint), protože jsou to dostupné a rozšířené prostředky. Plakát vytvořím pomocí zkušební verze programu Adobe Photoshop, výběr je popsán níže. 12

13 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek řešení pohodlnost mé dostupnost celkem pořadí ovládání zkušenosti Gimp Adobe Photoshop stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší Vypracování závěrečné zprávy, prezentace projektu, vymodelování komponent letadla a tvorba plakátu bude probíhat na mém osobním notebooku. Pracovat s programem AlphaCAM 7 budu na školních PC. Pro výrobu komponent bude použita 3-osá NC frézka, NC řezačka horkým drátem a NC laserová vyřezávačka. Všechna tato výrobní zařízení jsou k dispozici v dílnách ČVUT. Zkoušky v aerodynamickém tunelu proběhnou v prostorách ČVUT. Finanční prostředky na projekt poskytne ČVUT. Popis výběru varianty řešení a výstupů Koncepce modelu Jelikož se jedná o model se zdrojem energie ze solárních článků, je kladen důraz na co nejnižší hmotnost modelu a potřebný výkon pohonné jednotky. Jako nejlepší varianta se jeví koncepce vícemotorového větroně, která je odzkoušena již několika projekty. Vysoká štíhlost křídla, tudíž malé nároky na výkon pohonu, je prvním předpokladem. Druhým je vícemotorové uspořádání, které zefektivní celý pohon. Ocasní plochy budou uspořádány do V z důvodu snížení hmotnosti. Horní strana křídla se pokryje solárními články. Na křídle budou umístěny motorové gondoly se střídavými elektromotory a regulátory. Křídlo bude mít nulové vzepětí. Model bude mít ovládaná křidélka, ocasní plochy, výkon motorů a přepínání zdroje energie. Z důvodů zajištění bezpečnosti bude model živě vysílat telemetrická data na zem. Použité materiály Z bloku EPP (expandovaný polypropylen) se vyřízne trup, který bude za křídlem volně navazovat na uhlíkovou trubku, která bude zakončena ocasními plochami z depronu s balzovou náběžnou lištou. Křídlo se vyřízne z bloku EPP a vyztuží uhlíkem. Solární články Solární články jsou klíčovým prvkem modelu a celého projektu. Na nich stojí a padá úspěch či neúspěch celého projektu. Výběr solárních článků je popsán v tabulce. 13

14 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon řešení hmotnost účinnost ohebnost celkem pořadí běžné solární články PowerFilm typ RC Azur Space typ S stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší Jelikož vybrané články dokáží do jisté míry přizpůsobit svůj tvar podkladu, je tím vyřešen problém s vhodným profilem křídla. RC vybavení Model bude vybaven následujícím vybavením: střídavými elektromotory s vhodnými regulátory, akumulátorem, přijímačem, servy, jednotkou pro měření napětí s přenosem na zem, Pro kontrolu napětí na solárních článcích bude do modelu umístěna jednotka, která toto napětí měří a vysílá živě na zem. jednotkou pro přepínání zdroje energie. V případě potřeby bude možné přepnout zdroj energie-solární články nebo akumulátor. Stanovení dílčích úkolů Chronologický přehled úkolů Návrh komponent letadla Návrh sestavy letadla Návrh povrchové úpravy Návrh solárních článků Návrh RC vybavení Výkresy komponent letadla Výkresy sestavy letadla Hmotnost komponent letadla Zkoušky v aerodynamickém tunelu Tvorba NC kódů Výroba komponent letadla Sestavení komponent letadla Instalace solárních článků Instalace RC vybavení Prezentační panely Montážní soubor letadla-video Fotorealistické ztvárnění letadla-2x render Animace pohybu letadla-2x video Popis parametrů render-obrázků Popis parametrů videa 14

15 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Jelikož projekt řeším ve dvojici, já se budu zabývat těmito úkoly: návrh komponent letadla, Vymodeluji jednotlivé komponenty letadla. návrh sestavy letadla, Sestavím komponenty letadla dohromady. tvorba NC kódů, Pro jednotlivé komponenty vytvořím NC kódy pro následnou výrobu. výkresy komponent letadla, Vytvořím výkresy jednotlivých komponent letadla. výkresy sestavy letadla, Vytvořím výkresy sestavy letadla. hmotnost komponent letadla, Vyjádřím hmotnost jednotlivých komponent letadla. návrh povrchové úpravy, Navrhnu povrchovou úpravu letadla. výroba komponent, Pomocí CNC strojů vyrobím jednotlivé komponenty letadla. sestavení komponent. Vyrobené komponenty sestavím. 15

16 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Vlastní řešení Solární články Solární články jsou klíčovým prvkem modelu a celého projektu. Na nich stojí a padá úspěch či neúspěch. Odvíjí se od nich koncepce a všechny parametry letadla, proto první fází projektu byl výběr vhodných solárních článků. Výběr Běžné články mají poměrně velkou hmotnost a malou účinnost. Jelikož se jedná o model letadla, kde je prioritou hmotnost, je potřeba vybrat takové články, aby bylo dosaženo co možná nejlepšího poměru hmotnosti a účinnosti. Výběr článků je popsán v analýze, kde jsem vybral typ Azur Space S 32, které dosahují velice dobré účinnosti při malé hmotnosti. Jejich předností je, že jsou na silikonovém základu, takže je lze do jisté míry ohýbat. Jejich přizpůsobivost zakřivení povrchu, na kterém jsou umístěné, řeší problém s profilem křídla. Běžné profily mají horní stranu zakřivenou, a proto není možné na křídla s těmito profily články umístit. Kontaktoval jsem výrobce, který mi sdělil cenu a termín dodání článků. Termín se pohyboval od 4 do 6 týdnů, což nám vyhovovalo. Ale cena, která činí 62EURO za každý článek při množství 300 článků, se pohybuje mimo rozpočet. V úvahu připadalo zmenšení modelu a tedy menší počet potřebných článků. Tuto variantu jsme ale ihned zavrhli, protože minimální objem objednávky je 2000EURO, což se také pohybuje mimo rozpočet. V tu chvíli nás již tlačil čas, a proto pro nás byl nejdůležitější termín dodání. Zvolili jsme českého výrobce Solartec, který zaručuje včasné doručení. Konkrétně se jedná o články typ SSC Tyto články dosahují pouze průměrných parametrů, ale na druhou stranu jsou velice levné. Popis parametrů Typ SSC2.-04 Napětí naprázdno (U 0C ) (V) 0,57 Proud nakrátko (I 0C ) (ma) 700 Výkon (P m ) (mw) 300 Odpor použitý při osvitu 50W na m 2 (Ω) 9,5 Rozměry (±5mm) (mm) 51,2 51,2 Hmotnost (g) 2,1 Měřeno při standardních technických podmínkách: 1000W/m2, 25 C, AM 1,5 16

17 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 1 - SSC2.-04 Profil křídla Použité solární články jsou tuhé a nedají se ohnout, proto horní strana profilu musí být rovná, aby ji články kopírovaly. Zároveň rovná plocha je potřeba co největší, ale v rozumné míře, protože se zmenšuje účinnost profilu. Tyto parametry splňuje profil Jedelsky. Profil je použit po celé délce křídla. Obrázek 2 - profil křídla Gurneyho klapka Jelikož letadlo létá na malých rychlostech a na vysokém úhlu náběhu, je na křídle použita Gurneyho klapka [gérnyho]. Jedná se o plošku na odtokové straně profilu, která je kolmá na tětivu profilu a je dlouhá 1-4% hloubky křídla. To znamená, že při hloubce 168mm, je použitá délka klapky 3mm. 17

18 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 3 - Gurneyho klapka Když letadlo letí na vysokém úhlu náběhu, dochází k odtrhávání proudu vzduchu na horní straně křídla, což zvyšuje odpor a snižuje vztlak. Při použití Gurneyho klapky se proud vzduchu neodtrhává. Sice se zvýší odpor, ale mnohem více se zvýší vztlak, což je žádoucí. Použití klapky se vyplatí pouze u letadel létajících na vysokém úhlu náběhu. Na letadle je Gurneyho klapka tvořena uhlíkovým páskem, který je přilepen kontaktním lepidlem UHU por. Na obrázcích 4, 5 a 6, z kouřového tunelu, je vidět proudění vzduchu kolem použitého profilu již s Gurneyho klapkou. Na obrázku 4 proud vzduchu nabíhá na profil pod úhlem 0 a nedochází k žádnému odtrhávání proudu. Obrázek 4 - profil při úhlu náběhu 0 18

19 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Na obrázku 5 proud vzduchu nabíhá pod úhlem 8. Proudění je již viditelně turbulentní, ale ještě se neodtrhává. Obrázek 5 - profil při úhlu náběhu 8 Na obrázku 6 proud vzduchu nabíhá pod úhlem 17. Proud již nedokáže kopírovat horní stranu profilu a odtrhává se. Je překročen tzv. kritický úhel náběhu. Obrázek 6 - profil při úhlu náběhu 17 Ocasní plochy Poté co jsem znal plochu křídla a délku trupu, mohl jsem vypočítat mohutnost vodorovné ocasní plochy (dále jen VOP ) a svislé ocasní plochy (dále jen SOP ). Mohutnost je bezrozměrné číslo, které udává, jak velké plochy jsou. SOP je umístěna pod VOP, protože se jedná o aerodynamicky výhodnější řešení. Letadlo nemá křidélka, je řízeno pouze výškovkou a směrovkou. Když je SOP nad VOP, 19

20 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon tak při vychýlení kormidla SOP vznikne síla, která natočí letadlo do zatáčky, ale zároveň vznikne moment, který vykloní letadlo ze zatáčky. Když je SOP pod VOP, tak při vychýlení kormidla SOP nevzniká moment, který by letadlo vyklápěl ze zatáčky, ale vzniká opačný moment, který naklání letadlo do zatáčky-v tom se jeví výhoda. Na obrázku 7 je vidět, že část SOP je i nad VOP. Jedná se o jednu z variant řešení kvůli zvýšení stability. Nakonec se ukázalo, že část nad VOP není potřeba. Obrázek 7 - SOP pod i nad VOP Modelování komponent Jednotlivé komponenty jsou vymodelované v programu Autodesk Inventor. Komponenty jsem ve stejném programu sestavil dohromady a zvolil textury komponent. Tím jsem vytvořil realistický model letadla, jak by mělo vypadat. Z modelu jsem vygeneroval výkresy jak jednotlivých komponent, tak sestavy s kusovníkem. Výkresy jsou v elektronické podobě na přiloženém CD. 20

21 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 8 - modelování v Inventoru Pro prezentační účely jsem v Inventoru vyrenderoval obrázky. Zvolil jsem výstup obrázek JPEG v HD rozlišení 1920 x Použil jsem realistické textury, světla, stíny a pozadí scény. Na obrázcích 9-12 jsou náhledy některých vytvořených renderů. Tyto rendery jsou zároveň návrhem povrchové úpravy letadla. Obrázek 9 - render 1 21

22 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 10 - render 2, detail pylonu Obrázek 11 - render 3, detail VOP a SOP Obrázek 12 - render 4, detail solárních článků Vymodelované letadlo se oproti letadlu zmíněnému v analýze liší, protože došlo k podstatné změně solárních článků. Změna ovlivnila jak koncepci a rozměry letadla, tak použité materiály. Soubory modelu letadla a rendery jsou umístěny na přiloženém CD. 22

23 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek CNC Model pylonu jsem převedl do programu AlphaCAM, kde jsem vytvořil program (NC kód) pro výrobu pomocí CNC frézky. Protože je pylon velice komplikovanou součástí, vytvořil jsem čtyři různé způsoby výroby a z nich vybral ten nejlepší. Obrázek 13 - simulace frézování pylonu Pro vybraný způsob je zapotřebí přípravek pro uchycení již z části obrobeného pylonu, takže jsem ho v Inventoru vymodeloval a poté v AlphaCAMu vytvořil NC kód. NC kódy Níže je ukázka NC kódu pro výrobu horní části pylonu. Úplné NC kódy jsou v elektronické podobě na přiloženém CD. 08 Úno 11-15:39 ================= VYPIS OPERACI POST: Alpha Standard 4 Ax Horizontal Mill OP 1 Z KONTURY HRUBOVÁNÍ NASTROJ 330 T330, FRÉZA_KULOVÁ_R 4 EFEKTIVNI PRUMER 8, SIRKA REZU 4 OBRÁBĚNÍ PLOCH - PARALELNĚ - STĚNY POD ÚHLEM NASTROJ 330 T330, FR EFEKTIVNI PRUMER 8 Delka Posuvu: Cas pro OP 1: 1h 28m 41s Celkova delka Posuvu Cas pro Vymenu Nastroje... 0m 10s Celkovy Cas... 1h 28m 51s Material: Standartní ocel START '(PYLON_3_HORNÍ) %0000 N5 G71 '(OP 1 Z KONTURY HRUBOVÁNÍ NASTROJ 330 T330, FRÉZA_KULOVÁ_R 4) '(EFEKTIVNI PRUMER 8, SIRKA REZU 4) N70 L12 R N75 G0 X16.0 Y18.0 S1249 N80 G43 D0330 Z70.0 M3 M9 N85 Z

24 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon N90 G1 Z45.0 F125 N95 Y16.0 Z43.0 N100 X24.0 F500 N105 Y164.0 N110 X16.0 N115 Y12.0 N120 X28.0 N125 Y168.0 N130 X12.0 N135 Y12.0 N140 X16.0 N145 Y8.0 N150 X32.0 N155 Y172.0 N160 X8.0 N165 Y8.0 N170 X16.0 N175 Y4.0 N180 X36.0 N185 Y176.0 N190 X4.0 N195 Y4.0 N200 X16.0 N205 Y0.0 N210 X40.0 N215 Y180.0 N220 X0.0 N225 Y0.0 N230 X16.0 N235 Z45.0 N240 G0 Z70.0 N245 X16.0 Y18.0 N250 Z45.0 N255 G1 Z43.0 F125 N260 Y16.0 Z41.0 N265 X24.0 F500 N270 Y164.0 N275 X16.0 N280 Y12.0 N285 X28.0 N290 Y168.0 N295 X12.0 N300 Y12.0 N305 X16.0 N310 Y8.0 N315 X32.0 N320 Y172.0 N325 X8.0 N330 Y8.0 Výroba Výroba letadla probíhala v prostorách ČVUT FS v Ústavu mechaniky tekutin a energetiky. Vyrobené letadlo se liší od vymodelovaného v detailech a použitých materiálech. Ke konstrukčním a materiálním změnám došlo kvůli neustálému vylepšování modelu, a protože některé výrobní postupy nebyly v potřebnou dobu dostupné. 24

25 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Pylon Prvním krokem bylo vyfrézování pylonu podle výše popsaného postupu. Pylon se frézoval z modelářského dřeva, které je pro tuto úlohu nejlepší, protože je lehce obrobitelné. Obrázek 14 - frézování pylonu Stanovený postup nebyl dodržen, protože při frézování přípravku došlo k posunutí polotovaru a tím k znehodnocení součásti. Ani po opakovaných pokusech se nepodařilo přípravek vyfrézovat vždy došlo k posunutí. Po domluvě jsem upustil od posledního kroku postupu a poslední část pylonu jsem ručně vybrousil. Pylon slouží jako aerodynamický kryt přijímače a jsou v něm zalepeny dvě uhlíkové trubky s maticemi pro uchycení křídla. Obrázek 15 - matice pro uchycení křídla zalepené v uhlíkových trubkách 25

26 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 16 - pylon 1 Obrázek 17 - pylon 2 26

27 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 18 - pylon 3 Obrázek 19 - pylon 4 27

28 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 20 - dokončený pylon VOP a SOP Ocasní plochy jsou vyříznuty z 3mm tlusté depronové desky. VOP je vyztužena dvěma uhlíkovými pásky 3 x 0,3mm, jedním se shora a jedním zdola. Takto proti sobě tvoří nosník. Další pásek je nalepený na stojato u pantu pohyblivé plochy. Obrázek 21 - VOP a SOP bez kormidel SOP je vyztužena dvěma pásky, které tvoří nosník a jedním u pantu stejně jako u VOP. Navíc je náběžná hrana vyztužena uhlíkem vylaminovaným ze tří uhlíkových pásků. 28

29 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 22 - zpevnění náběžné části SOP Kormidla jsou přilepena samolepicí páskou, která je pro tyto účely zcela dostačující. Obrázek 23 - ocasní plochy Do kormidel jsou zalepeny páky ze skelného laminátu a jsou opatřeny blimpy, do kterých jsou uchyceny bowdeny s drátem o průměru 0,3mm. 29

30 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 24 - páka VOP Motorové lože Motorové lože je vyfrézované ze skelného laminátu. Lože se skládá ze tří ramen a motorové přepážky. Ramena jsou zalepena tak, aby motorová přepážka byla vyosena doprava a dolů. Celek je nastříkán černou barvou. Obrázek 25 - motorové lože Trup Trup je tvořen zejména kónickou trubkou, která je z černě probarveného skelného laminátu. K trubce jsou přilepeny ocasní plochy, pylon, nohy podvozku a motorové lože. V přední části trubky, mezi motorovým ložem a přední podvozkovou nohou, je umístěna většina elektroniky. 30

31 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 26 - trup s ocasními plochami a motorovým ložem Obrázek 27 - dokončený trup Podvozek Podvozek je ostruhového typu. Přední podvozkové nohy mají mechová kola. Ostruha je tvořena SOP, která je z toho důvodu vyztužena uhlíkem. Pár podvozkových noh je tvořen přední uhlíkovou trubkou o průměru 3mm a zadní o průměru 2mm. Trubky se sbíhají do spojky vyfrézované ze skelného laminátu, která je nastříkána černou barvou. Do spojky je zalepena uhlíková osa kola o průměru 2mm. Kola jsou zajištěna quicklocky. 31

32 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 28 - osa podvozkového kola Obrázek 29 - podvozkové kolo Obrázek 30 - podvozek a pylon 32

33 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Křídlo Profil křídla je rozdělen na přední náběžnou část a zadní rovnou část. Náběžná část je vyříznuta počítačem řízeným drátem z extrudovaného polystyrenu. Zadní část je vyříznuta z 3mm tlusté depronové desky. Obě části jsou slepeny dohromady. Obrázek 31 - náběžná část křídla Obrázek 32 - středová část křídla zatím bez nosník Ke středové části křídla jsou přilepena lichoběžníková ucha stejné konstrukce se vzepětím 30. Ucha poskytují letadlu větší směrovou stabilitu. 33

34 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 33 - ucha před dokončením Obrázek 34 - dokončená ucha Křídlo je na horní straně v místě přechodu přední a zadní části vyztuženo uhlíkovým páskem a na protějším místě na spodní straně je také vyztuženo. Tyto pásnice spolu tvoří nosník křídla, který přenáší ohybový moment. Na horní rovné straně křídla jsou kontaktním lepidlem UHU por přilepeny solární články. Články jsou pouze na středové části. Na odtokové hraně křídla je přilepena Gurneyho klapka. Křídla byla postavena dvě. Ale pouze jedno je osazeno solárními články. Druhé křídlo (bez článků) se použije pro vyzkoušení letových vlastností, přičemž letadlo bude poháněno akumulátorem. 34

35 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 35 - křídla Obrázek 36 ucha Elektronika RC vybavení je tvořeno motorem s převodovkou, regulátorem, kondenzátory, vypínači a přijímačem se servy. Vybavení je napájeno výhradně solárními články. Motor Je použit stejnosměrný motor typ DC 1717 s převodovkou 1:11,8 a uhlíkovou vrtulí o průměru 28cm se stoupáním 12cm. 35

36 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 37 - motor s převodovkou a vrtulí Obrázek 38 - zkouška funkce motoru Obvod s kondenzátory Z bezpečnostních důvodů je mezi regulátor a přijímač zařazen obvod se dvěma kondenzátory 5V a 10F. Při poklesu napětí pod 5V (např. při natočení solárních článků od Slunce) se odpojí motor a všechna energie jde do přijímače. Může se stát, že to nebude stačit. Z toho důvodu jsou do obvodu zapojeny kondenzátory, které dokážou napájet přijímač a serva po dobu až jedné minuty. To je dostatečný čas pro to, abych mohl s letadlem bezpečně přistát. Z důvodu napájení přijímače i po odpojení regulátoru, je zapojen ještě druhý vypínač, který z obvodu odpojí kondenzátory. 36

37 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 39 - vypínače regulátoru a přijímače Přijímač a serva Serva jsou integrována na desce přijímače. Přijímač je umístěn v pylonu pod křídlem. Jedná se o přijímač systému Spektrum DSM2 typ AR6400. Přijímač pracuje v pásmu 2,4GHz s napájením jedním článkem Li-Pol. Obrázek 40 - elektronika v pylonu 37

38 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Parametry letadla Rozpětí (mm) 1375 Délka (mm) 860 Výška (mm) 260 Hmotnost trupu (g) 112 Hmotnost křídla (g) 154 Celková hmotnost (g) 266 Obrázek 41 - zkouška funkce elektroniky Obrázek 42 - pylon a křídlo 38

39 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 43 - přední šroub Obrázek 44 - zadní šroub a propojení solárních článků Obrázek 45 - celkový pohled 39

40 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 46 - celkový pohled Držák Pro prezentační účely jsem si vyrobil držák, který se upevní do běžného fotografického stativu. Základna je vyfrézována z hliníku a k ní je přišroubována noha, která se skládá ze dvou dílů. Mezi díly se čtyřmi šrouby s maticemi upevní trup. Noha je vystřihnuta a ohnuta z hliníkového plechu. Obrázek 47 - držák letadla pro prezentační účely Letové vlastnosti Zálet proběhl na veřejném vnitrostátním letišti Příbram za účasti ČVUT. Pro toto letiště jsme rozhodli kvůli zpevněné vzletové a přistávací dráze, která je pro provoz méně výkonných letadel vhodnější. První lety byly uskutečněny s křídlem bez solárních článků. S tímto křídlem se mělo pouze zjistit, jaké jsou vlastnosti letadla. K tomuto kroku jsme se rozhodli, protože je více pravděpodobné, že s pohonným akumulátorem (Li-pol 2s 850mAh) letadlo bude mít dostatek energie ke vzletu a samotnému letu. Tím budeme vědět, jak se letadlo chová, a budeme moci posoudit, zda má šanci letět se solárními články. 40

41 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Letové vlastnosti odpovídaly předpokladům. Po rozjezdu došlo k odpoutání a následnému letu v malé výšce, kde ještě působí přízemní efekt. Při vzletu byl dobře patrný gyroskopický moment velké vrtule. Let byl stabilní a klidný. Po několika letech ve výšce do dvou metrů byla vyměněna křídla. Protože již bylo pozdní odpoledne, nebylo, vzhledem ke Slunci níže nad obzorem, pravděpodobné, že se solárními články letadlo poletí. Opak byl pravdou. Výkon motoru byl vyšší než s pohonným akumulátorem. I když vzletová hmotnost vzrostla, letové výkony byly o poznání lepší. Letadlo mělo větší rychlost stoupání a nebyl problém vystoupat do výšky, kde se již neprojevuje přízemní efekt. Vzhledem k úzkému podvozku a těžišti poměrně vysoko, byla na zemi patrná malá stranová stabilita. Stabilitu lze zvýšit širším podvozkem. Kvůli nízké hmotnosti letadla, velké ploše křídla a malé rychlosti letu je letadlo náchylné na boční vítr, proto je nutné letadlo provozovat nejlépe za bezvětří. Obrázek 48 - při záletu Plakát Pro tvorbu plakátu jsem použil trial verzi programu Adobe Photoshop. Na plakát jsem zejména využil rendery z Inventoru v kombinaci s ruční grafikou. Plakát ve formátu A4 je přílohou této zprávy a ve formátu A3 je v elektronické podobě na přiloženém CD. 41

42 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Obrázek 49 - tvorba plakátu Závěr Při projektu byly využity nejmodernější materiály a výrobní zařízení. Byly vymýšleny nové stavební postupy a objevována nová konstrukční řešení. Osvojil jsem si práci se softwarem v oblasti CAD/CAM a vyzkoušel jsem si jeho praktické využití. Naučil jsem se nové metody stavby a zdokonalil jsem se ve zpracování materiálů. Dozvěděl jsem se pro mne nové poznatky z oblasti konstrukce a aerodynamiky letadel. Ověřil jsem si v praxi důležitost komunikace a součinnosti při práci v týmu. Projekt se v ČVUT FS, kde byl konzultován a realizován, ujal natolik, že se plánuje stavba dalšího prototypu s využitím důležitých poznatků a zkušeností získaných při stavbě prototypu prvního. V postaveném letadle je vysoký potenciál, který kvůli roční době ještě nebyl využit. Tento potenciál se bude rozvíjet realizací dalších prototypů. Protože se jedná o velice složitý projekt, jak po stránce technické, tak po stránce časové, některé části projektu by mohly být dále rozpracovány. Ale i tak je projekt zpracován na vysoké úrovni. Cílem bylo navrhnout a postavit model letadla, které bude schopné alespoň vodorovného letu a bude poháněno pouze energií ze solárních článků. Tento cíl byl nejenom splněn, ale dokonce překonán, jelikož letadlo je schopné i samostatného vzletu a to za ne zcela dokonalých povětrnostních podmínek. Za příznivějších podmínek lze očekávat ještě lepší výkony. Komunikace na úrovni mého kolegy pana Lambeitla ze 4.A; byla minimální a odvedená práce kolegy je také mizivá. Z toho důvodu některé části projektu nejsou dokončené, nebo nejsou v dostatečné kvalitě. Bohužel není v mých časových možnostech tyto části dodělávat. Z mé strany jsem splnil všechny body projektu. 42

43 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Seznam použitých zdrojů rz-home.de tracfoil.free.fr Seznam použitého SW TraCFoil Autodesk Inventor AutoCAD Mechanical AlphaCAM DeskProto Microsoft Office Word Microsoft Office PowerPoint Adobe Photoshop 43

44 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Seznam obrázků Obrázek 1 - SSC Obrázek 2 - profil křídla Obrázek 3 - Gurneyho klapka Obrázek 4 - profil při úhlu náběhu Obrázek 5 - profil při úhlu náběhu Obrázek 6 - profil při úhlu náběhu Obrázek 7 - SOP pod i nad VOP Obrázek 8 - modelování v Inventoru Obrázek 9 - render Obrázek 10 - render 2, detail pylonu Obrázek 11 - render 3, detail VOP a SOP Obrázek 12 - render 4, detail solárních článků Obrázek 13 - simulace frézování pylonu Obrázek 14 - frézování pylonu Obrázek 15 - matice pro uchycení křídla zalepené v uhlíkových trubkách Obrázek 16 - pylon Obrázek 17 - pylon Obrázek 18 - pylon Obrázek 19 - pylon Obrázek 20 - dokončený pylon Obrázek 21 - VOP a SOP bez kormidel Obrázek 22 - zpevnění náběžné části SOP Obrázek 23 - ocasní plochy Obrázek 24 - páka VOP Obrázek 25 - motorové lože Obrázek 26 - trup s ocasními plochami a motorovým ložem Obrázek 27 - dokončený trup Obrázek 28 - osa podvozkového kola Obrázek 29 - podvozkové kolo Obrázek 30 - podvozek a pylon Obrázek 31 - náběžná část křídla Obrázek 32 - středová část křídla zatím bez nosník Obrázek 33 - ucha před dokončením Obrázek 34 - dokončená ucha Obrázek 35 - křídla Obrázek 36 ucha Obrázek 37 - motor s převodovkou a vrtulí Obrázek 38 - zkouška funkce motoru Obrázek 39 - vypínače regulátoru a přijímače Obrázek 40 - elektronika v pylonu

45 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek Obrázek 41 - zkouška funkce elektroniky Obrázek 42 - pylon a křídlo Obrázek 43 - přední šroub Obrázek 44 - zadní šroub a propojení solárních článků Obrázek 45 - celkový pohled Obrázek 46 - celkový pohled Obrázek 47 - držák letadla pro prezentační účely Obrázek 48 - při záletu Obrázek 49 - tvorba plakátu

46 David Jelínek Rádiem řízené letadlo na solární pohon Seznam příloh CD o model letadla o výkresy o NC kódy o plakát o závěrečná zpráva o prezentace Plakát 46

47 Rádiem řízené letadlo na solární pohon David Jelínek 47