Navrhování dronů

Jaké síly způsobí nárazový let?

Na let působí čtyři síly: hmotnost, zdvih, tah a tah. Při návrhu a stavbě kluzáku nebo letadla je třeba vzít v úvahu všechny čtyři síly. Za letu má každá síla opačnou sílu, která působí proti ní.

Všechno má váhu, která je výsledkem gravitačních sil. Materiály vybrané pro konstrukci kluzáku budou mít hmotnost, kterou bude nutné pro létání kompenzovat pomocí „Lift“.

Výtah je aerodynamická síla, která pomáhá působit proti hmotnosti. Čím je předmět těžší, tím těžší je výtah proti němu pracovat a dosáhnout letu. Ale pohyb vpřed (rychlost) nebo tah letadla vzduchem spolu s tvarem letadla a jeho částí, zejména křídel, to vše ovlivňuje, jak silná bude síla vztlaku! Mnoho křídel má nahoře zakřivený tvar a ve spodní části je plošší, takže vzduch se přes vrchol pohybuje rychleji. Když se vzduch pohybuje rychleji, tlak vzduchu klesá. Pokud je tlak v horní části křídla nižší než tlak ve spodní části křídla, rozdíl tlaku pomůže zvednout křídlo do vzduchu.

Poslední ze čtyř sil ovlivňujících let je odpor… a tato síla zpomaluje kluzák nebo letadlo. Táhnout je síla, která působí proti relativnímu pohybu jakéhokoli předmětu pohybujícího se vzhledem k okolnímu vzduchu (nebo vodě!). Tažení například působí proti směru pohybu předmětu, jako je auto, kolo, letadlo, kluzák nebo trup lodi. Ovlivňuje to tvar a výběr materiálu letadla nebo lodi, jakož i další faktory, včetně vlhkosti vzduchu. Je také ovlivněna tahem nebo rychlostí letadla ... čím větší je tah, tím větší je odpor.

V případě kluzáku, který má být postaven jako součást této lekce ... tah generuje osoba, která bude během testování tlačit vaše letadlo vzduchem! U motorizovaného letadla je to motor, který poskytuje pohon a sílu k pohybu vzduchem. Letadlo může mít několik motorů pro generování tahu a konstrukce motoru také ovlivňuje pohyb okolního vzduchu, což zase ovlivňuje tah a odpor.

Všechny síly ovlivňující let jsou vzájemně propojeny. Jak letadlo letí, závisí na síle a směru všech čtyř sil! Pokud jsou všechny v rovnováze, letadlo se bude pohybovat konstantní rychlostí. Pokud dojde k nerovnováze, letadlo se bude pohybovat ve směru této síly ... například pokud váha přemůže, letadlo se posune dolů.

Letadlo jde nahoru, pokud jsou síly vztlaku a tahu silnější než gravitace a odpor. Pokud je gravitace a odpor silnější než zdvih a tah, letadlo klesá.

Historie vrtulníků

Jak létá vrtulník?

Vrtulník je typ leteckého vozidla, ve kterém jsou síly „vztlaku“ a „tahu“ dodávány rotory. Vrtulník může vzlétnout a přistát svisle, vznášet se a létat jakýmkoli směrem. Slovo „helikoptéra“ je odvozeno z francouzského slova „hélicoptère“. Nejstarší zmínky o vertikálním letu pocházejí z Číny. Již od roku 400 př. N. L. Si děti v Číně hrály s bambusovými létajícími hračkami, které mají hůl připevněnou k létajícímu rotoru.

Leonardo a raný vývoj

V 1480. letech XNUMX. století vytvořil Leonardo da Vinci návrh stroje, který by se dal popsat jako „letecký šroub“. Údajně začínal s výrobou malých létajících modelů.

V roce 1878 italský Enrico Forlanini vystavil bezpilotní vozidlo poháněné parním strojem, které se zvedlo do výšky 12 metrů (40 stop), kde se vznášelo asi 20 sekund po svislém vzletu. Ján Bahýľ, slovenský vynálezce, upravil spalovací motor tak, aby poháněl jeho model helikoptéry, který v roce 0.5 dosáhl výšky 1.6 metru (1901 ft). Mnoho lidí z celého světa navrhlo návrhy helikoptér ... a všechny příspěvky vedly k tomu, abychom vědět dnes!

Časný let s okřídleným rotorem utrpěl poruchy primárně spojené s nevyváženým valivým pohybem generovaným při pokusu o vzlet v důsledku asymetrie zdvihu mezi postupujícími a ustupujícími lopatkami. Tento hlavní problém byl vyřešen zavedením klapajícího závěsu Juanem de la Ciervou. V roce 1923 letěl ve Španělsku první úspěšný autogyro de la Ciervy. Když autogyros de la Cierva dosáhl úspěchu a přijetí, začali jej následovat další a s nimi i další inovace.

Komerční úspěch

Igor Sikorsky byl rusko-americký letecký průkopník v oblasti vrtulníků i letadel s pevnými křídly. V roce 1939 Sikorsky navrhl a letěl s Vought-Sikorsky VS-300, první životaschopnou americkou helikoptérou, která byla průkopníkem konfigurace se dvěma rotory, kterou dnes používá většina helikoptér. Sikorsky upravil design na Sikorsky R-4, který se stal první sériově vyráběnou helikoptérou na světě v roce 1942.

Efekt točivého momentu

Efekt točivého momentu je příkladem třetího pohybového zákona Isaaca Newtona, že „pro každou akci existuje stejná a opačná reakce“. U jediného vrtulníku s hlavním rotorem má tělo vrtulníku tendenci otáčet se v opačném směru pohybu rotoru. To by způsobilo nepříjemnou cestu! Většina helikoptér má tedy menší ocasní rotor, který zajišťuje protipohyb a udržuje tělo vrtulníku stabilní. Toto je příklad účinku točivého momentu. Dron má obvykle čtyři rotory, které zajišťují rovnováhu.

Vrtulníky a drony

Jak létá vrtulník?

Aby mohl předmět létat, musí mít „výtah“. Letadla zvedají křídla a materiál a tvar dělají rozdíl. Vrtulník používá lopatky nebo rotory (což jsou ve skutečnosti točící se křídla), které pomáhají vrtulníku zvednout se ze země. A pokud se motor zastaví na vrtulníku, rotor by se měl nadále točit, což pilotovi umožní přistát pomalu, obvykle bez zhroucení.

Využití vrtulníků

Vrtulníky mohou poskytnout přístup na místa, kam se v letadle nedostanete snadno. Protože se mohou pohybovat přímo nahoru a dolů, nevyžadují dráhu. Vrtulníky mohou také létat dozadu a do stran a vznášet se na jednom místě bez pohybu. Díky této flexibilitě létání může helikoptéra sloužit jako létající sanitka k rychlé záchraně lidí nebo zvířat z oblastí, do kterých je těžké se dostat jiným způsobem. Vrtulníky se také často používají k hlášení o provozu a počasí. Mohou zvedat mnoho těžkých předmětů a nosit vodu nebo jiný materiál na pomoc při dálkovém požáru. Některé helikoptéry, které přepravují extrémně těžké náklady, mají místo jednoho velkého rotoru a malého dva velké rotory.

Co je to bezpilotní letadlo nebo dron?

Bezpilotní letoun (UAV) nebo dron je letadlo, na jehož palubě není žádný lidský pilot. Mají systém pro komunikaci s pozemním ovladačem nebo v některých případech s palubním počítačem. UAV pocházely z vojenských aplikací, ale nyní se také používají pro policejní, sledovací, letecké fotografie a pro zábavu! Nedávno Amazon začal dodávat malé balíčky pomocí dronů! Podívejte se na první doručení (prosinec 2016) na www.youtube.com/watch?v=vNySOrI2Ny8.

Technické změny

Inženýři se často snaží vylepšit návrhy a vyzkouší mnoho možností, aby zjistili, co funguje. NASA nedávno hledala způsob, jak ztišit vrtulníky, a testovala nový systém ve větrném tunelu.

Předpisy pro drony

Majitelé UAS by si měli být vědomi místních a mezinárodních předpisů a směrnic. Americká federální letecká správa (FAA) klasifikuje UAS nebo drony do tří typů: veřejné operace (vládní), civilní (nevládní) a modelové letouny (hobby). Některé z pravidel zahrnují udržování dronů nejméně pět mil od letišť a nikdy neletí nad 400 stop. V USA je nyní registrace dronu povinná. Fakta a předpisy o dronech FAA jsou k dispozici na www.faa.gov/uas.

Inženýrská týmová práce a plánování

Jste tým inženýrů, kteří čelí výzvě vytvořit rotor z jednoduchých materiálů, které padají co nejpomaleji. Můžete použít jakýkoli materiál, který vám byl poskytnut, a nejprve budete pracovat jako tým, abyste zkontrolovali vzorovou šablonu a vyvinuli svůj vlastní návrh rotoru.

Fáze plánování a návrhu

Nezapomeňte si přečíst souhrnný list o silách, které dopadají na let.

Váš tým dostal sadu materiálů a základní šablonu pro rotor. Pomocí této šablony můžete vytvořit rotor nebo vyzkoušet varianty.

Protože váš rotor nemá motor, má pouze jeden zdroj zdvihu, takže může letět dolů pouze při pádu z výšky. Ale váš design může ovlivnit, jak pomalu padá ... vaší výzvou je postavit rotor, kterému nejdéle dopadne na zem.

Chcete -li vyzkoušet základní šablonu, ustřihněte podél plných čar a přeložte podél tečkovaných. Ujistěte se, že jsou vaše křídla složena v opačných směrech. Vážení nebo skládání dna pomůže zajistit strukturální oporu a snížit těžiště vaší helikoptéry. Můžete prozkoumat další úpravy!

Váš učitel vám poskytne řadu gramáží a typů materiálů od papíru přes lepenku až po pěnové listy. Můžete také přidat další poskytnuté položky.

Jako skupina se rozhodněte pro konstrukci vašeho rotoru a do rámečku níže nakreslete jednoduchý plán. Zahrňte také seznam materiálů, které jste vybrali pro stavbu. Poté nakreslete šablonu svých dílů v plné velikosti, kterou lze použít k řezání a stavbě skutečného rotoru.

Fáze výstavby

Shromážděte své materiály, zkontrolujte svůj plán a sestavte rotor. Váš tým může v případě potřeby změnit svůj design ve fázi stavby, aby zlepšil konečný výsledek. Poté odpovězte na následující otázky:

1) Jak podobný byl váš konečný rotor vaší původní návrhové šabloně?

2) Pokud jste během fáze výstavby zjistili, že potřebujete provést změny, popište, proč se váš tým rozhodl provést revize.

3) Proč si myslíte, že motor spřádacího rotoru zpomaluje pád papíru a vyvolává vztlak?

4) Zjistili jste, že během stavby potřebujete přidat další materiály? Co jste přidali a proč?

5) Myslíte si, že inženýři během výrobní fáze vývoje často mění své původní plány? Jak si myslíte, že by to mohlo ovlivnit plánovaný rozpočet na design nebo výrobu?

6) Jak jste se rozhodli pro tvar částí vašeho rotoru? Jaký byl tvar každé části, o které jste si mysleli, že by mohla vašemu rotoru pomoci létat déle?

Fáze letového testu

Váš učitel třikrát otestuje každý rotor, aby byla zajištěna konzistence měření času potřebného k dosažení podlahy. Pro srovnání zmačkejte papír stejné tloušťky, jaký jste použili při stavbě, a uvidíte, jak dlouho trvá, než spadne! U vašeho rotoru uveďte dobu, za kterou se každý test dostal na podlahu.

Hodnocení

Vyplňte níže uvedené hodnotící otázky:

1) Jaké aspekty návrhu vedly k úspěchu rotoru, který letěl nejdéle?

2) Popište jednu část svého návrhu, která podle vás fungovala nejlépe.

3) Pokud byste měli možnost udělat tento projekt znovu, co by se váš tým rozhodl udělat jinak?

4) Pokud byste si mohli vybrat nějaké stavební materiály, které vám nebyly dány k dispozici, co byste vybrali? Proč?

5) Myslíte si, že tento projekt fungoval lépe, protože jste byli součástí týmu, nebo si myslíte, že byste mohli lépe pracovat sami?

6) Myslíte si, že inženýři pracují sami nebo v týmu při vývoji nových materiálů, postupů nebo produktů?

7) Pokud by byl váš design rotoru zvětšen tak, aby odpovídal velikosti potřebné pro vrtulník, myslíte si, že by to fungovalo?

8) Z jakých materiálů byste vyrobili rotor helikoptéry v plném měřítku? Proč?