Разработка летающей модели инсектоптера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение Лицей №1550 г. Москвы

Научно-исследовательская работа

По теме Разработка летающей модели инсектоптера

Кузнецова Ю.В.

г. Москва 2017

Цель работы:

1.Создать инсектоптер, со следующими техническими характеристиками: использование одного приводящего устройства - электродвигателя, возможность изменения плоскости крыла в двух измерениях, не зависимых друг от друга; возможность использования бесшестереночного механизма передачи усилий от электродвигателя к машущему механизму.

2.Доказать возможность создания крыла по аналогии с насекомыми и птицами.

Виды летающих механизмов имитирующих механизм полета птиц и насекомых.

1.Орнитоптеры.

Орнитоптеры - летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие принцип полета птиц. Он заключается в вертикальных взмахах плоскостей (крыльев), частично перенаправляющих поток воздуха из горизонтальной плоскости в вертикальную. При перемещении аппарата крылья описывают синусоидальные движения. Подобные устройства нашли достаточно широкое распространение в различных сферах деятельности человека, таких как разведка, мониторинг территории, перенос различной полезной нагрузки, охрана полей от верителей и т.д. Существует огромное количество летательных аппаратов напоминающих по своей компоновке птиц, начиная от знаменитых беспилотников типа “Хищник”, крылья которых являются аналогами расправленных крыльев орла, заканчивая аппаратами практически полностью имитирующими движения птиц. Одним из наиболее похожих как внешне, так и по принципу полета является робот, созданный компанией FESTO. Этот робот называется SmartBird. Он имеет длину 1 м, размах крыльев 2 м, массу 450 г. Питание осуществляется от литий-полимерной двухэлементной аккумуляторной батареи (7,4 В). Потребляемая мощность в режиме выполнения маховых движений всего 23 Вт, в режиме парения еще меньше - 18 Вт. Этот аппарат настолько похож на обычную чайку, что даже может встроиться в их ряды, практически не вызвав у окружающих его птиц каких - либо подозрений.

2.Инсектоптеры.

Инсектоптеры - летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие принцип полета насекомых. Движения крыльев подобных конструкций намного сложнее, чем у птиц. Во первых, у инсектоптеров могут быть как 1, так и 2 пары крыльев. От этого зависит механизм полета. Во вторых, инсектоптеры не имеют какой - либо определенной аэродинамической модели, так как при полете изменяют положения крыльев относительно корпуса и активно используют в своих целях слабоизученные турбулентные потоки. Из вышесказанного следует, что у данных летательных аппаратов очень сложный с точки зрения воспроизведения механизм полета. Именно поэтому первые действительно рабочие прототипы инсектоптеров были созданы только в 21 веке, с изобретением композитных материалов, продвинутых систем дистанционного управления и энергоемких двигательных установок. В связи с только недавним появлением данных устройств, они еще не получили широкого распространения в мире, однако благодаря своему функционалу они выглядят очень перспективными.

Принцип работы данной модели инсектоптера

В основу идеи данной модели инсектоптера легла мысль о том, что механизм взмахов крыльев в принципе аналогичен механизму воздействия на воздух пропеллера, с той лишь разницей, что в основу воздействия пропеллера на воздух легло вращательное движение лопастей, а в основу механизма махания крыльев возвратно-поступательные движения. При этом учитывая рациональность эволюции, движение крыльев должно быть в теории не менее, а скорее всего более эффективным, чем движение лопастей пропеллера. Известен тот факт, что при вращении пропеллера возникают вредные (турбулентные) потоки. Кроме этого исследовательская команда Флоридского Атлантического университета в 2015 году установила, что птицы умеют менять форму крыла и общую морфологию в зависимости от ветра, а рыбы способны быстро менять форму плавников для борьбы с турбулентными течениями. Они просто подстраиваются под изменяющиеся условия в воздухе и воде. Мухи (за счёт волосков на теле), бабочки (под микроскопом видны системы на крыльях, как решетки чешуек) и птицы используют машущий полет. Они создают вихри в полете, которые позволяют им создавать в разы большую подъемную силу, чем планер того же веса и развивать большую скорость, тратя меньше энергии и повышая эффективность своих летных характеристик. Мы пока что не умеем воспроизводить аналогичную гибкость в технике, а потому для нас критически важно разобраться в эффективности и поведении гибких приводов с точки зрения мобильности и маневренности.

По моему мнению, основной ошибкой многих инженеров при создании орнитоптеров является то, что они пытаются создать в своих моделях прямо машущие крылья, и даже в этой ситуации их модели являются летающими.

При внимательном рассмотрении принципов движения крыльев птиц и насекомых, очевидно заметно, что движение плоскостей крыльев имеют ярко выраженный синусоидальный характер, то есть при каждом движении крыла плоскость крыла поворачивается под определенным углом, по направлению движения тела, таким образом каждый взмах крыла фактически отталкивает воздух от плоскости крыла в зависимости от того, вниз идет крыло или вверх, именно этот механизм я и пытался воссоздать в данной модели.

Поворот модели осуществляется за счет разнонаправленной тяги крыльев, то есть при повороте с помощью сервоприводов оснований крыльев в противоположные стороны подъемные силы этих крыльев так же будут направленны в противоположные стороны, это приведет к повороту аппарата на месте. Другой же тип поворота на данной модели не предусмотрен.

Движение инсектоптера вперед и назад осуществляется за счет совместного поворота тяг крыльев соответственно назад и вперед с помощью сервоприводов. Стабилизация системы происходит за счет низкого центра тяжести, тем самым аппарат, как маятник будет стремиться занять положение с наибольшей потенциальной энергией.

Подъем модели на заданную высоту осуществляется за счет регулировки скорости вращения двигателя и, соответственно, увеличения частоты махания крыльями.

История

История инсектоптеров неразрывно связана с историей орнитоптеров. Идея создания летательных аппаратов аналогичным по принципу полета птицам и тяжелее воздуха возникла еще в древней Греции. В доказательство этому факту можно привести легенду об Икаре. Пожалуй, самым известным изобретателем орнитоптеров является гениальный итальянский ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Он первым занялся проблемой полета человека. Для этого изучал механизм полета птиц и летучих мышей. На основе этих исследований было разработано несколько моделей орнитоптеров, чертежи и рисунки которых сохранились до наших дней.

Первый летательный аппарат Леонардо да Винчи построил в 1485-1487 годах. В этом орнитоптере человек должен был находиться в лежачем положении. Для полета планировалось задействовать его силу рук и ног. По задумке изобретателя, при взмахах, крыло во время движения вниз одновременно двигалось назад. Это должно было создать помимо подъемной силы, силу направленную вперед, необходимую для горизонтального полета.

Во Франции 19 летний Бланшар, в 1781 году объявил о своем изобретении в газете «Журналь де Пари». На крестообразной подставке должно было располагаться судно полтора метра длиной и три четверти шириной, состоящее из тоненьких палочек. Крылья, образующие зонт диаметром 6 метров предполагалось крепить на двух деревянных стойках. Однако изобретатель публике представил совсем другую конструкцию.

Так же в этой стране орнитоптеры изобретал Винцент де-Гроф. Свои работы он начал в 1862 году в Бельгии, будучи сапожником. Его махолёт имел крылья площадью около 20 кв.м., укрепленные в верхней части прямоугольной деревянной рамы. Пилот располагался посреди этой рамы стоя и ногами приводил крылья в движения. Многие усовершенствования этой конструкции не дали желаемого результата.

Густав Трувэ в 1801 году предоставил во французскую Академию наук оригинальный орнитоптер. Этот летательный аппарат напоминал сказочного дракона с распущенными крыльями. Крылья были прикреплены к ножкам подковообразной изогнутой трубки. Последовательное повышение и понижение давление воздуха в этой трубке приводили к колебательным движениям её ножек, а вместе с ними и крыльев. Такие движения вызывались последовательными взрывами патронов, помещенных в самодействующем револьверном барабане на 12 выстрелов. На этих зарядах орнитоптер мог пролететь 75 метров. После последнего взрыва он опускался на землю красивым скользящим полетом. Модель весила 3.5 килограмма.

Кроме этого активные и относительно успешные разработки велись в Австрии и Германии. Однако оказалось невозможным создание летательного аппарата с машущим крылом на мышечной тяге.

Одним из первых летающих орнитоптеров можно считать свободнолетающую модель беспилотного орнитоптера, созданной Альфонсом Пено в 1872 году, где в качестве двигателя использовалась закручиваемая резина. Управляемый долговременный полет подобной конструкции стал возможен только после изобретения достаточно энергоемких двигательных установок, таких как электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания.

Однако основные разработки орнитоптеров и инсектоптеров начались во второй половине 20-го века. Это стало возможным с появлением новых легких и прочных материалов, а также материалов с другими уникальными свойствами: карбона, нейлона, фторопласта и т.д.

Были разработки орнитоптеров и в СССР. Так впервые в стране машущий полет осуществил и продемонстрировал прессе в 1981 г. проф. Валентин Киселев, о чём сообщалось в газетах «Комсомольская правда», «Труд», «Московский комсомолец» от 6 ноября 1981 г., а затем -- другие газеты и журналы в СССР и за рубежом.

Американский конструктор Пол Маккриди, знаменитый своим самолетом с мускульным приводом, перелетевшим в 1979 г. Ла-Манш, построил в 1986 году модель птерозавра с машущим крылом. Модель запускалась с помощью катапульты, затем она планировала, включалось машущее крыло, но так, чтобы медленные движения крыла с малой амплитудой просто не мешали модели планировать. Это была лишь внешняя имитация машущего полета.

Второй проект разрабатывался американо-канадской группой, возглавляемой профессором Торонтского университета Джеймсом Делоуриером. В сентябре 1991 год им удалось продемонстрировать полёт радиоуправляемой модели весом 3,36 кг.

В 90-е же годы американскими военными был запущен проект «Орнитоптер». Он был нацелен на разработку и создание птицеподобного аппарата, который вписывался бы в природу, и мог, как птица, махать крыльями. В рамках этого проекта был создан беспилотник, внешне похожий на ворона, который мог садиться на подоконник и фотографировать через окно то, что происходит в здании.

Примерно в это же время ЦРУ был запущен проект «Инсектоптер». Он уже предназначался для создания ещё меньшего беспилотника, который должен выглядеть как стрекоза. Однако информация о работающих образцах, реализованных в рамках проекта, отсутствует.

В 2006 году в Торонто, на аэродроме в парке Downsview был испытан орнитоптер созданный профессором Торонтского университета Джеймсом Деларье. Его поднял в воздух летчик-испытатель Джек Сандерсон и пролетел 14 секунд со средней скоростью 88 км\/ч преодолев треть километра. Полноценным полет по мнению экспертов считаться не может, т.к. взлет был осуществлен при помощи дополнительного реактивного двигателя. Посадка же закончилась неудачно. Восстанавливать орнитоптер и проводить его дальнейшие испытания конструкторы не стали.

2 августа 2010 года в Тоттенхэме - канадской провинции Онтарио, Snowbird "Снежная птица", конструкции Тодда Рейчерта проходит лётные испытания. Взлёт происходит при буксировке автомобилем. Орнитоптер держится в воздухе 19.3 сек. и преодолевает 145 м. со скоростью 25км/ч.

Первыми же кто смог сделать работающую модель инсектоптера была компания FESTO, которая в 2015 году выпустила робота-стрекозу под названием BionicOpter. Этот робот имеет, как и у стрекозы 2 пары крыльев, размах которых составляет 70см, длинна корпуса составляет 48см, а масса изделия-175г. Все 4 крыла управляются независимо друг от друга с помощью ARM-процессора. Примечательно, что данный аппарат имеет 13 степеней свободы, а скорость устройства не превышает 50 км/ч.

На данный момент создано еще насколько представителей подобных летательных аппаратов, это робот-стрекоза DelFly Micro и робот-муха, созданная учеными из Гарварда. Первый в свою очередь был создан группой разработчиков миниатюрных махолетов из Дельфтского технологического университета. При весе 16 граммов этот орнитоптер может порхать в воздухе на протяжении 15 минут при максимальной скорости 48 км/ч или неподвижно зависнуть на 8 минут. Аппарат с размахом крыльев 10 см снабжен видеокамерой массой 0,4 г и литий-полимерной батареей, управляется при помощи встроенного потокового видео.

Разработчиками предполагалось, что робота однажды можно будет использовать для скрытого наблюдения и обнаружения токсичных веществ. Прототип робота весит 60 миллиграммов, а размах его крыла не превышает 3 см. Сейчас разработчики создают контроллер САУ, который поможет роботу передвигаться в разных направлениях. Также специалисты занимаются разработкой встроенного источника питания: сейчас робот-муха питается за счет внешнего источника.

Основные преимущества инсектоптера по сравнению с другими летательными аппаратами

Прежде всего, стоит сказать, что инсектоптеры являются аналогами насекомых, следовательно, имеют такие же достоинства и могут выполнять такие же функции, как и сами насекомые:

1.Малая масса аппарата при существенной массе полезной нагрузки

2.Компактность

3.Маневренность

4.Эффективность применения таких аппаратов в режимах автономного полета для выполнения задач мониторинга окружающей среды и чрезвычайных ситуаций.

5.Точность движения по заданным траекториям

6,Внешнее сходство с насекомыми

7.Возможность зависания в воздухе

Основные недостатки инсектоптера

1.Конструктивная сложность аппарата

2.Невозможность развития большой горизонтальной скорости, по сравнению с самолетом

3.Необходимость в использовании передовых систем управления и материалов

Процесс изготовления.

Первоначально было принято решение о создании 3-D модели инсектоптера, основываясь на уже имеющихся у меня различных системах радиоуправления. В процессе проектирования проводилась визуализация создаваемых деталей конструкции, в результате чего была создана полностью визуализируемая модель аппарата с различными движущимися компонентами, такими как крылья, система поворота и т.д

В результате конструирования модели стало очевидно ясно, что необходимы современные, высокотехнологичные материалы:

- карбон - для придания прочности и легкости основных элементов конструкции, таких как стержни крыльев, стенки конструкции, поперечные перекладки;

- фторопласт и нейлон - для наилучшего скольжения ряда элементов необходимы такие материалы;

- ABS пластик - для изготовления деталей сложной индивидуальной формы при помощи 3-D-печати.

Далее производилась закупка и создание материалов, а детали, которые необходимо было изготовить, размещались на различных заводах. Листовой карбон был самостоятельно сделан мной на предприятии «ИВИМ» при помощи технологии послойного наложения углеволоконной ткани с пропиткой эпоксидной смолой и дальнейшем прессованием заготовки под давлением в 5тонн между 2 стеклами.

Необходимые детали из фторопласта были созданы на предприятии «Вся Гравировка» при помощи ЧПУ-фрезерования. Детали из карбона первоначально планировалось создать на предприятии «Вся Гравировка», при помощи технологии лазерной резки или ЧПУ фрезерования, однако данный материал оказался слишком прочен для лазера и фрезы (пример неудачной попытки раскройки карбона приведен на фотографии ниже).

В результате карбоновые детали были отданы на гидроабразивную резку в Компанию «Кит-Инжиниринг», где и были созданы.

Следует отметить, что из-за гигроскопичности карбона в некоторых местах произошло расслоение материала, которое было устранено в дальнейшем в ручную. летающий механический робот инсектоптер

3D детали из ABS-пластика были изготовлены на предприятии «iGo3D», при помощи технологии3-D-печати, однако по результатам испытаний стало ясно, что часть фторопластовых и ABS- пластиковых деталей нуждалась в замене на нейлоновые, которые в свою очередь также были изготовлены в Компании «iGo3D».

Заказ на предприятия отправлялся в электронном виде в формате STL.

Стоит так же отметить, что использование вышеперечисленных технологий привело к практически 100% состыковке большинства деталей конструкции, допуск которых составлял 0.1мм.

Сложность в изготовлении представили из себя крылья, так как это единственный узел конструкции, который пришлось делать вручную, основываясь на чертежах, полученных из 3-D модели.

Крыло представляет из себя склеенные при помощи эпоксидной смолы стержни углепластика и углеволоконных ниток, обшитые плащевой тканью.

В результате была создана модель, полностью соответствующая 3D модели, разработанной в SolidWorks:

Расчеты

Рассматриваемая система движется в пространстве под действием сил, возникающих при взаимодействии крыльев с воздухом. Эти силы приложены в точках крепления крыльев. Кроме этого, на инсектоптер действуют силы веса. Для удобства, в дальнейшем будем считать, что крыло представляет собой тонкую однородную недеформируемую пластинку площадью S=0,06 м2(площадь крыла в натуральную величину). Площадь крыла была взята из 3D модели крыла, разработанного в SolidWorks.

Приближенно сила, возникающая при движении крыла определяется по формуле:

Где Cd - безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике; p - плотность вязкой среды; S - эффективная площадь пластинки (крыла), V-скорость движения центра тяжести крыла в воздухе. Анализ этой формулы показывает, что подъемная сила крыла может изменяться в зависимости от скорости движения крыла и его площади. Если управлять этими параметрами по соответствующему закону, можно получить заданное движение корпуса в пространстве. Рассмотрим влияние скорости центра масс крыла на формирование подъемной силы.

При периодическом движении крыла, скорость можно представить в виде:

V=w*A*cos*w*t

где f=w/2*р - частота вибраций, а A - амплитуда колебаний.

Выражение силы действующей на крыло через частоту колебаний выглядит следующим образом:

Fвибр = 2*р2C*p*S*f2*A2.

Покажем, что при значениях параметров, характерных для работающих крыльев инсектоптера, сила вибрационной тяги вполне способна удерживать устройство в воздухе.

Скорость вращения электродвигателя модели Impact Brushless Motor 3020/07 kv850 - 850 об/мин на 1 вольт. Максимальное напряжение LiIon батареи модели Gens aco 1800 - 14В. Соответственно, максимальная скорость вращения электродвигателя при напряжении 14В составит 11900 об/мин или 198 об/сек.

Благодаря стоящему на модели редуктору с передаточным числом 2,5, получаем, что максимальная частота колебаний крыла составляет 79,2 колебаний в секунду.

Основной сложностью в определении подъемной силы машущего крыла явилось определение коэффициента лобового сопротивления, т.к. данный коэффициент рассчитывается эмпирическими методами и зависит от числа Рейнольдса. Для коэффициентов лобового сопротивления обычно применяют таблицу с уже рассчитанными коэффициентами. Например:

Однако данные коэффициенты достаточно сложно применить для разработанной модели крыла, т.к. оно имеет сложную плоскую форму. К сожалению, не удалось разыскать в литературе и в сети Интернет эту зависимость для случая тонкой пластинки. Поэтому пришлось пойти другим путем.

В среде SolidWorks была создана отдельно аэродинамическая модель крыла. В данной аэродинамической модели крыла была создана виртуальная аэродинамическая труба с потоком воздуха:

В результате средствами SolidWorks была рассчитана сила, действующая на крыло по оси Y.

Исходя уже из известной выше формулы - Cd=2*F/(p*S*V2)

Расчетная сила давления на крыло по оси Y, полученная средствами FlowSimulation SolidWorks составила 0,7 Н

Соответственно, искомый коэффициент лобового сопротивления составил 0,18.

Амплитуда колебаний в данном механизме равна 0,13 м. Плотность воздуха при нормальных условиях равна 1,3 кг/м3. ; частота колебаний - 79 колебаний в секунду

Применяя формулу для расчета Fвиб, получаем 31 Н для каждого крыла, следовательно, общая подъемная сила равна 62 H.

Так как масса аппарата равна примерно 1 кг, то необходимая частота колебаний крыльев составляет 32 взмаха в секунду, что соответствует 10 H, значит, вибрационная тяга должна удерживать робота воздухе при частоте вибрации в 32 взмаха в секунду.

Соответственно максимально возможная частота колебаний в 79 взмахов секунду должна предоставить механизму возможность перемещаться в воздухе.

Стоит отметить, что данные параметры характерны для модели с идеальными прочностными характеристиками. Реальная же модель требует явного усиления прочности крыльев и всего механизма. В данный момент это и есть основное направление модернизации проекта.

В настоящее время проводятся испытания прототипа, результаты которых должны будут подтвердить правильность расчетов и указать на возможность использования подобного механизма

Вывод

На данный момент сделаны расчеты, подтверждающие возможность полета модели, а так же собрана сама модель, над которой проводятся различные испытания с целью выяснения особенностей данного концепта и возможности ее полета на практике.

Используемая литература

1. Р.Ю.Поляков ; Динамика управляемого пространственного движения трехзвенного аппарата с электромеханическим приводом по заданной траектории.

2. А.А.Гришаев ; Управление вибрационным полётом у пчелы

Аннотация

В настоящее время в мире уделяется много внимания исследованиям и разработкам движущихся, летающих и плавающих устройств, являющихся аналогами живых организмов - птиц, насекомых, рыб. Есть примеры успешной реализации этих исследований. Например, разработаны летающие механические птицы (орнитоптеры), плавающие рыбы-роботы, бегающие роботы-собаки. Более того, эти устройства уже доказали свою эффективность и нашли свое применение в различных сферах деятельности человека, но в первую очередь в военной области. Однако, существует достаточно мало успешно реализованных работ, связанных с разработкой устройств, являющихся аналогами летающих насекомых, называемых инсектоптерами, так как насекомые используют другой, более сложный с точки зрения воспроизведения, механизм полета. В связи с чем, возникает ряд технических проблем в процессе создания данных механизмов.

Размещено на Allbest.ru