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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
2
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Zadání žákovského projektu
ŽÁKOVSKÝ PROJEKT
Název:
Ročník:
Školní rok:
Obor:
RC model letadla 1
4
2010/2011
Informační technologie aplikace
osobních
počítačů
Jméno:
Třída:
Garant projektu:
Konzultant:
David Jelínek
4.D
Ing. František Humhal
Ing. Karel Fuksa, Pavel
Petrášek
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek









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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Proveďte analýzu problému a navrhněte postupy pro splnění zadání.
Sestavte harmonogram prací a hodnotící list s bodovanými úkoly.
Proveďte vlastní řešení projektu dle schváleného harmonogramu.
Proveďte závěrečné zhodnocení projektu.
Odevzdejte závěrečnou zprávu ve formě dokumentu v programu Word.
Odevzdejte prezentaci projektu v programu PowerPoint.
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Hodnocení maturitní práce
Název projektu: RC model letadla
Jméno:David Jelínek
Termín:
Datum:
šk.týden
2./36.
6.9. 2010
3./37.
13.9. 2010
4./38.
20.9. 2010
5./39.
27.9. 2010
6./40.
4.10. 2010
7./41.
11.10. 2010
8./42.
18.10.2010
9./43.
25.10. 2010
10./44.
1.11. 2010
11./45.
8.11.2010
12./46.
15.11.2010
13./47.
22.11.2010
14./48.
29.11.2010
15./49.
6.12.2010
16./50.
17.12.2010
17./51.
20.12.2010
18./52.
27.12. 2010
19./1.
3.1.2011
Třída: 4.D
Maximální
zisk bodů:
Úvod do PRO, pravidla PRO
Zadání projektu
Kontrola zadání projektu
Příprava analýzy
Analýza
5 bodů
Příprava harmonogramu
Harmonogram
5 bodů
Modelování komponent
Modelování komponent
Modelování komponent
Modelování komponent
Modelování komponent
Sestavování komponent
Tvorba NC kódů
Návrh komponent a sestavy, NC kódy
25 bodů
Vánoční prázdniny
Vánoční prázdniny
Tvorba výkresů, navrhování povrchové úpravy
Výkresy komponent a sestavy, hmotnost
20./2.
14.1.2011
15 bodů
komponent a sestavy, návrh povrchové úpravy
Pololetní klasifikace
21./3.
17.1.2011
Výroba komponent
22./4.
24.1.2011
Výroba komponent
23./5.
31.1.2011
Sestavování vyrobených komponent
24./6.
7.2. 2011
Sestava z jednotlivých komponent
25./7.
18.2. 2011
30 bodů
Dokončování letadla, závěrečná zpráva
26./8.
21.2. 2011
Vytvoření plakátu
27./9.
28.2.2011
5 bodů
Zálet letadla, závěrečná zpráva
28./10.
7.3.2011
Jarní prázdniny
29./11.
14.3. 2011
Odevzdání projektu a závěrečné zprávy
30./12.
21.3.2011
5 bodů
Třičtvrtěletní klasifikace
31./13.
28.3.2011
Prezentace projektu
32./14.
4.4.2011
Prezentace projektu
33./15.
11.4. 2011
10 bodů
Příprava obhajoby projektu
34./16.
18.4.2011
Příprava obhajoby projektu
35./17.
25.4. 2011
Celkem bodů za průběžnou práci
100 bodů
Celkové hodnocení:
94 - 100 bodů ------- výborný
85 - 93 bodů ------- chvalitebný
71 - 84 bodů ------- dobrý
51 - 70 bodů ------- dostatečný
0 - 50 bodů ------- nedostatečný
Pokud žák neřeší libovolný bod, je práce hodnocena jako nedostatečná.
Hodnocení 2/IV
Hodnocení 4/IV
výborný
výborný
Hodnocení 3/IV
výborný
podpis garanta:………………………………….
5
Školní rok: 2010 - 2011
Hodnocení
Komentační bod
(Počet bodů):
5 bodů
5 bodů
25 bodů
15 bodů
30 bodů
5 bodů
4 body
10 bodů
99 bodů
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Čestné prohlášení žáka
Já David Jelínek, student Smíchovské střední průmyslové školy, narozen 30.7.1992,
bytem Svornosti 574/5, Praha 5, 150 00 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 17.3.2011
6
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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 ................................................................................................................................ 12
Popis úkolu ...................................................................................................................... 12
Popis stávajícího stavu .................................................................................................... 12
Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu............................................... 12
Popis výběru varianty řešení a výstupů .......................................................................... 13
Stanovení dílčích úkolů .................................................................................................. 14
Vlastní řešení .......................................................................................................................16
Solární články ..................................................................................................................16
Profil křídla ...................................................................................................................... 17
Gurneyho klapka ............................................................................................................. 17
Ocasní plochy ..................................................................................................................19
Modelování komponent ................................................................................................ 20
CNC................................................................................................................................. 23
NC kódy .......................................................................................................................... 23
Výroba............................................................................................................................. 24
Elektronika ..................................................................................................................... 35
Parametry letadla ........................................................................................................... 38
Držák .............................................................................................................................. 40
Letové vlastnosti ............................................................................................................ 40
Plakát ............................................................................................................................... 41
Závěr ................................................................................................................................... 42
10
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Seznam použitých zdrojů .................................................................................................. 43
Seznam použitého SW....................................................................................................... 43
Seznam obrázků................................................................................................................. 44
Seznam příloh .................................................................................................................... 46
11
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
ovládání
AlphaCAM 7 3
DeskProto
1
stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší
ovlivňování
parametrů
1
4
dostupnost celkem
pořadí
3
3
1
2
7
8
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
řešení
pohodlnost
ovládání
3
1
Gimp
Adobe
Photoshop
stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší
mé
zkušenosti
3
1
dostupnost celkem
pořadí
1
3
2
1
7
5
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
řešení
hmotnost
běžné solární články
5
PowerFilm typ RC7.2-75 2
Azur Space typ S 32
1
stupnice 1-5; 1-nejlepší; 5-nejhorší
účinnost
1
3
1
ohebnost
5
1
1
celkem
11
6
3
pořadí
3
2
1
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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 SSC2.-04. Tyto články dosahují pouze průměrných parametrů, ale na
druhou stranu jsou velice levné.
Popis parametrů
Typ
Napětí naprázdno (U0C) (V)
Proud nakrátko (I0C) (mA)
Výkon (Pm) (mW)
Odpor použitý při osvitu 50W na m2 (Ω)
Rozměry (±5mm) (mm)
Hmotnost (g)
SSC2.-04
0,57
700
300
9,5
51,2·51,2
2,1
Měřeno při standardních technických podmínkách: 1000W/m2, 25°C, AM 1,5
16
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Obrázek 8 - modelování v Inventoru
Pro prezentační účely jsem v Inventoru vyrenderoval obrázky. Zvolil jsem výstup
obrázek JPEG v HD rozlišení 1920 x 1080. 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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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: 43871.7 Cas pro OP 1: 1h 28m 41s
-------------------------------------------------Celkova delka Posuvu ..................... 43871.7
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 R010330
N75 G0 X16.0 Y18.0 S1249
N80 G43 D0330 Z70.0 M3 M9
N85 Z47.0
23
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Obrázek 16 - pylon 1
Obrázek 17 - pylon 2
26
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Obrázek 18 - pylon 3
Obrázek 19 - pylon 4
27
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Obrázek 28 - osa podvozkového kola
Obrázek 29 - podvozkové kolo
Obrázek 30 - podvozek a pylon
32
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Obrázek 41 - zkouška funkce elektroniky
Parametry letadla
Rozpětí (mm)
Délka (mm)
Výška (mm)
Hmotnost trupu (g)
Hmotnost křídla (g)
Celková hmotnost (g)
1375
860
260
112
154
266
Obrázek 42 - pylon a křídlo
38
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Obrázek 43 - přední šroub
Obrázek 44 - zadní šroub a propojení solárních článků
Obrázek 45 - celkový pohled
39
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
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
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
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
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Seznam použitých zdrojů










www.powerfilmsolar.com
www.azurspace.com
rz-home.de
www.solartec.cz
www.wes-technik.de
www.slavetind.cz
www.kolmanl.info
www.airspace.cz
tracfoil.free.fr
www.aem.umn.edu/people/students/troolin/experiment_PIV_gurney.html
Seznam použitého SW








TraCFoil
Autodesk Inventor
AutoCAD Mechanical
AlphaCAM
DeskProto
Microsoft Office Word
Microsoft Office PowerPoint
Adobe Photoshop
43
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Seznam obrázků
Obrázek 1 - SSC2.-04 ........................................................................................................... 17
Obrázek 2 - profil křídla ..................................................................................................... 17
Obrázek 3 - Gurneyho klapka ............................................................................................18
Obrázek 4 - profil při úhlu náběhu 0°................................................................................18
Obrázek 5 - profil při úhlu náběhu 8° ................................................................................19
Obrázek 6 - profil při úhlu náběhu 17° ..............................................................................19
Obrázek 7 - SOP pod i nad VOP ....................................................................................... 20
Obrázek 8 - modelování v Inventoru ................................................................................. 21
Obrázek 9 - render 1 ........................................................................................................... 21
Obrázek 10 - render 2, detail pylonu ................................................................................. 22
Obrázek 11 - render 3, detail VOP a SOP .......................................................................... 22
Obrázek 12 - render 4, detail solárních článků ................................................................. 22
Obrázek 13 - simulace frézování pylonu ........................................................................... 23
Obrázek 14 - frézování pylonu........................................................................................... 25
Obrázek 15 - matice pro uchycení křídla zalepené v uhlíkových trubkách .................... 25
Obrázek 16 - pylon 1 ........................................................................................................... 26
Obrázek 17 - pylon 2 .......................................................................................................... 26
Obrázek 18 - pylon 3 .......................................................................................................... 27
Obrázek 19 - pylon 4 .......................................................................................................... 27
Obrázek 20 - dokončený pylon ......................................................................................... 28
Obrázek 21 - VOP a SOP bez kormidel ............................................................................. 28
Obrázek 22 - zpevnění náběžné části SOP ....................................................................... 29
Obrázek 23 - ocasní plochy ............................................................................................... 29
Obrázek 24 - páka VOP ..................................................................................................... 30
Obrázek 25 - motorové lože .............................................................................................. 30
Obrázek 26 - trup s ocasními plochami a motorovým ložem .......................................... 31
Obrázek 27 - dokončený trup............................................................................................. 31
Obrázek 28 - osa podvozkového kola ............................................................................... 32
Obrázek 29 - podvozkové kolo.......................................................................................... 32
Obrázek 30 - podvozek a pylon ......................................................................................... 32
Obrázek 31 - náběžná část křídla ....................................................................................... 33
Obrázek 32 - středová část křídla zatím bez nosník ........................................................ 33
Obrázek 33 - ucha před dokončením ................................................................................ 34
Obrázek 34 - dokončená ucha ........................................................................................... 34
Obrázek 35 - křídla ............................................................................................................ 35
Obrázek 36 – ucha ............................................................................................................. 35
Obrázek 37 - motor s převodovkou a vrtulí ...................................................................... 36
Obrázek 38 - zkouška funkce motoru ............................................................................... 36
Obrázek 39 - vypínače regulátoru a přijímače ................................................................. 37
Obrázek 40 - elektronika v pylonu ................................................................................... 37
44
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
Obrázek 41 - zkouška funkce elektroniky ......................................................................... 38
Obrázek 42 - pylon a křídlo ............................................................................................... 38
Obrázek 43 - přední šroub ................................................................................................ 39
Obrázek 44 - zadní šroub a propojení solárních článků.................................................. 39
Obrázek 45 - celkový pohled ............................................................................................. 39
Obrázek 46 - celkový pohled ............................................................................................ 40
Obrázek 47 - držák letadla pro prezentační účely ........................................................... 40
Obrázek 48 - při záletu ....................................................................................................... 41
Obrázek 49 - tvorba plakátu ............................................................................................. 42
45
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
David Jelínek
Seznam příloh

CD

o model letadla
o výkresy
o NC kódy
o plakát
o závěrečná zpráva
o prezentace
Plakát
46
David Jelínek
Rádiem řízené letadlo na solární pohon
47
Download

Závěrečná zpráva - Smíchovská střední průmyslová škola