Как сделать самолетик с моторчиком

Как сделать самолетик с моторчиком

Поиск по фото

К началу страницы

Покупателям

• Как сделать заказ
• Способы оплаты
• Доставка
• Возврат товара
• Возврат денежных средств
• Правила продажи
• Политика обработки персональных данных
• Вопросы и ответы
• Проверка совместимости

Партнерам

• Продавайте на Wildberries
• Водителям
• Курьерам
• Перевозчикам
• Партнерский пункт выдачи
• Франшизный пункт выдачи

Наши проекты

Компания

Мы в соцсетях

Приложение Wildberries

• Загрузить из AppStore
• Загрузить из Google Play
• Загрузить из AppGallery
• Загрузить из RuStore

Наведите камеру, чтобы скачать приложение

• Загрузить из AppStore
• Загрузить из Google Play
• Загрузить из AppGallery
• Загрузить из RuStore

2004-2024 © Wildberries — модный интернет-магазин одежды, обуви и аксессуаров. Все права защищены. Доставка по всей России. На Торговой площадке wildberries.ru применяются рекомендательные технологии. Адрес для направления юридически значимых сообщений: sales@wildberries.ru

Создаём систему радиоуправления для самодельного самолёта. Ч.1

У каждого человека есть определённая тема, к которой он испытывает некое иррациональное влечение. У автора этой статьи такой темой является авиамоделирование: на тот момент, когда ещё существовали авиамодельные кружки, автор пришёл в него записываться и ему сказали, что он ещё слишком мал и лучше прийти через пару лет. А через пару лет распался Советский Союз и всем стало совсем даже не до кружков — на дворе наступили «благословенные» 90-е годы…

Однако, «гештальт сам себя не закроет» и автор решил тряхнуть стариной и попробовать собрать свою первую авиамодель (лучше поздно, чем никогда, да и в авиамодельный кружок опять не возьмут — теперь уже по причине старости 🙂

Сразу небольшой спойлер: на данный момент работа находится на этапе полной успешной разработки электронной части, остаётся только всю эту начинку укрепить на авиамодели и, наконец-то, приступить к полётам! Кроме того, наше время даёт новые интересные возможности, в частности, можно установить на авиамодель камеру и получить новый интересный опыт.

Ниже будет описание опыта работы автора над электронной начинкой, а также весь необходимый исходный код и другие полезности, которые вы можете использовать в своих проектах!

Что собираем, как и почему

В наше время есть огромное количество необходимых электронных компонентов на любой вкус и кошелёк, однако это не спортивно, и лучше собрать всё с нуля (так как наша задача — не полететь за минимальное время, а научиться новому, повозиться с «железом»). Таким образом, вся дальнейшая сборка будет во главу угла ставить возможность программирования и гибкой настройки практически всех компонентов.

Понятно, что для любого более-менее далеко летающего аппарата необходим будет условно большой радиус связи, так как летающий аппарат отличается тем, что может за короткое время покрыть большое расстояние и чуть ли не практически моментально «уйти за пределы видимости». А нам этого не надо.

Одним из самых простых и недорогих способов, на взгляд автора, является использование радиомодулей NRF24L01.

Тут надо сделать небольшое уточнение: дело в том, что подобных модулей существует две версии:

• Менее дальнобойная, которая позволяет осуществлять связь на скоростях до 2 мбит/с и на расстоянии до 100 м.

• Более дальнобойная, NRF24L01+PA+LNA, которая обеспечивает связь до 1100 м и имеет в составе усилитель и внешнюю антенну.

Мы выберем второй вариант, так как у него есть «красивая антенка» 🙂 Хотя, конечно же, не поэтому, но вы уже поняли почему. Скорость связи сильно зависит от расстояния между двумя соединяемыми модулями и от того, находятся они в прямой видимости или закрыты друг от друга преградами.

Кроме этих вариантов, можно попробовать и что-нибудь на базе других способов, взяв, например, тот же самый Wi-Fi на 1 км. Но выбранный способ автору показался одним из наиболее простых.

Борьба с проблемами NRF24L01+PA+LNA

▍ Питание

Модуль является очень чувствительным к питанию и требует его стабилизации желательно от отдельного источника, так как простое питание от пина Arduino, как правило, не позволяет его обеспечить достаточным уровнем тока, что приводит к нестабильной работе или даже вовсе к неспособности функционирования.

Чувствительность его объясняется тем, что в момент старта модуль потребляет достаточно большие токи. По опыту других людей и по опыту самого автора, одним из наиболее действенных способов борьбы с этой бедой является двойственный подход:

• использование родного адаптера питания со стабилизатором, выходная мощность по току у которого составляет порядка 800 мА;

• параллельно желательно припаять к пинам питания самого радиомодуля конденсатор, где-нибудь на 100 мкФ. Это позволит сгладить пиковые пульсации питания в момент запуска модуля.

▍ Помехи радиосвязи

Ещё одной существенной проблемой является крайняя чувствительность радиотракта модулей к помехам. Настолько высокая, что многим, включая и автора, удалось «завести» этот модуль только после того, как его плата была обмотана пекарной кухонной фольгой!

Технология здесь следующая: чтобы у нас ничего не замкнуло, мы сначала обматываем плату простой бумагой, после чего укрепляем эту бумагу одним-двумя витками скотча, а уже поверх скотча наматываем фольгу и поверх фольги заново укрепляем её скотчем.

Почему так: автору не хотелось, чтобы скотч оставил свой липкий слой на плате, поэтому он был отделён от платы слоем бумаги. Если «правильной» фольги под рукой не окажется, то, как показали эксперименты, годится даже блестящий металлизированный фантик от конфеты или, например, творожного батончика.

Без этого лайфхака вы будете делать всё правильно, «вырвете все волосы на голове», но работать оно не будет от слова никак…

Причём нужно обмотать фольгой как плату передатчика, так и приёмника.

▍ Правильная библиотека

Ещё одним существенным фактором, влияющим на успех процесса запуска радиомодуля, является правильная библиотека под Arduino.

По ссылке можно найти библиотеку, которая позволяет запускать модули, приобретённые в известном китайском магазине.

Перечисленные выше нюансы являются причиной того, что даже у признанных мастодонтов, которые далеко не первый день сидят в электронике и программировании, не выдерживают нервы: указанные модули летят в мусорную корзину или раздаются забесплатно по знакомым. («Будь проклят тот день, когда я сел за баранку этого пылесоса!» ©) Кстати, не утрирую, это абсолютно реальные случаи.

Однако если вы примете в расчёт вышесказанное, всё у вас будет хорошо…

В благодарность за своё терпение вы получаете один из самых недорогих (чуть более 200 руб.) и дальнобойных модулей, обеспечивающих хорошую и скоростную связь, а также позволяющих настраивать множество параметров.

Хорошо, с радиосвязью мы разобрались. А теперь — что именно мы будем собирать? Необходимо определиться с этим, так как именно от вида финального изделия будет зависеть и комплекс требований к моторной установке…

Пенолёт из потолочки и разные варианты решения

Некоторое время назад автору попалась на глаза идея создания простого и лёгенького, но в то же время достаточно прочного самолёта — сборка так называемого пенолёта из потолочки.

Подобного типа самолёты собираются из лёгкой пенопластовой декоративной плитки, которой оклеивают потолки. Как правило, она имеется в изобилии в хозяйственных магазинах.

Для сборки подобного самолёта достаточно купить пачку потолочной плитки (около 150 руб. за 10 штук 0.5 х 0.5 м в Москве), силиконовый термоклей с пистолетом для него, а также острый канцелярский нож.

В результате получается очень прочный и лёгкий самолётик, а сам процесс сборки доставляет множество приятных минут, так как проходит достаточно легко и даёт множество возможностей для творчества.

В видео выше показана сборка самолёта из иного материала, однако мы будем использовать потолочку.

Соответственно, для нас сгодится достаточно скромная по мощности силовая установка.

Вариант силовой установки: коллекторный двигатель

С учётом всего вышеперечисленного и в результате поисков в интернете была найдена следующая страничка, где разбирается практическая сборка пенолёта, а в качестве силовой установки которого используется коллекторный двигатель + специальный электронный регулятор оборотов для коллекторных двигателей (Bidirectional Brush Electric Regulator).

Кстати сказать, на этой страничке внизу имеется код приёмника и передатчика, который по идее можно взять. Однако у автора этот код так и не заработал, так как выяснилось, что нужно внести изменения, чтобы он запустился (в случае организации связи между двумя NRF24L01+PA+LNA). Как заставить его заработать — об этом ниже.

После изучения изложенной информации появилось понимание, что использовать подобный регулятор это будет «слишком кучеряво», так как нам вовсе не нужна функция смены направления вращения двигателя (так как самолёт не планирует летать хвостом вперёд).

Поэтому для наших целей вполне сгодится мощный полевой транзистор с логическим уровнем, который сможет открыться от напряжения 3-5 В и будет выступать в роли силового ключа, подающего питание на двигатель. Для регулировки же скорости оборотов будет использован ШИМ.

Стало быть, решено! Был приобретён полевой транзистор, у которого максимальное открытие наступает при 1,7 В, а если с запасом — то 2,2 В. То, что нужно.

В качестве двигателя был взят первый валявшийся под рукой коллекторный электродвигатель, в качестве винта для него были куплены винты от дрона. Так как «правильных» крепежей для винта, которые бывают на «профессиональных» двигателях для самолётов и дронов, под рукой не было, пришлось распечатать на 3D-принтере вставку (оранжевого цвета), нарезать на винте и на самой вставке резьбу и вкрутить одно в другое:

Подключать двигатель к Arduino мы будем по следующей схеме:

В результате получилось вот что:

В качестве источника питания были взяты два элемента 18650, подключённых последовательно.

Однако автора результаты не устроили несмотря на то, что всё заработало как нужно. Дело в том, что для эффективного взлёта самолёта необходимо было повышать напряжение питания до таких величин, что произошло бы физическое возгорание коллекторного двигателя (три элемента 18650 были подключены последовательно, так как одного или двух недостаточно — слишком малая тяга и обороты).

Ранее было упомянуто о том, что код на приведённой выше страничке не работает. Экспериментально было выявлено, что для выбранного типа радиомодуля в код требуется внести следующие изменения (т. е. изменить первичную настройку радиомодуля):

 radio.begin(); // Инициализация модуля NRF24L01 radio.setChannel(5); // Обмен данными будет вестись на пятом канале (2,405 ГГц) radio.setDataRate (RF24_1MBPS); // Скорость обмена данными 1 Мбит/сек radio.setPALevel(RF24_PA_HIGH); // Выбираем высокую мощность передатчика (-6dBm) radio.openReadingPipe (1, pipeIn); // Открываем трубу ID передатчика radio.startListening(); // Начинаем прослушивать открываемую трубу 

Тем не менее, скорее всего, проблема бы решилась, если взять более мощный коллекторный двигатель. Однако автор решил пойти более кардинальным путём.

Если вы захотите попробовать собрать свой радиоуправляемый самолёт, используя коллекторный двигатель, вы вполне можете взять код, который был модифицирован автором именно для этого случая.

Вот ссылка на код приёмника и передатчика.

Однако тут следует отметить, что для интереса в качестве микроконтроллера для передатчика была использована Arduino Nano, а в качестве микроконтроллера приёмника на самом самолёте — esp32. И код, ссылка на который приведена выше, будет работать именно для этого случая.

Важным моментом является правильное подключение радиомодуля к микроконтроллерам.

В случае пульта управления, мы подключаем модуль к микроконтроллеру по следующей схеме:

В случае же микроконтроллера esp32 (микроконтроллер на самолёте), мы используем следующую схему:

То есть контакты радиомодуля и пины микроконтроллера esp32 соотносятся следующим образом:

• MISO — 19 пин,
• MOSI — 23 пин,
• SCLK — 18 пин,
• CSN — 5 пин,
• CE — 4 пин.

Вариант силовой установки: бесколлекторный (BLDC) двигатель

Как было уже сказано выше, автор решил пойти более кардинальным путём после первого не совсем удачного эксперимента. Его можно было бы довести до успешного результата, использовав более мощный коллекторный двигатель, однако, раз уж подвернулась такая оказия, было решено более подробно ознакомиться с бесколлекторными модельными двигателями, так называемыми BLDC.

Для этого в известном китайском магазине было закуплено 2 отдельных набора, каждый из которых содержит электронный регулятор оборотов (Electronic Speed Controller — ESC), бесколлекторный двигатель, винт и систему его крепежа, а также несколько мощных литий-полимерных (могут отдавать очень большие токи за очень короткое время) аккумуляторов и «правильную» зарядку с балансировкой заряда для них.

Двигатели были взяты двух типов: 1400 kv и 2200 kv. Эти цифры означают, что на каждый вольт поданного напряжения питания двигатели раскрутятся до таких оборотов.

Так как напряжение питания у нас составляет 11,1 В, то, соответственно, двигатели наберут следующие обороты (понятно, что это обороты холостого хода, под нагрузкой они будут меньше):

• 11,1х1400=15540 об/мин;
• 11,1х2200=24420 об/мин.

• для подачи питания на двигатель (3 провода) — если после подключения к двигателю выяснится, что он крутится не в ту сторону, в которую нужно, достаточно поменять местами любые два провода;
• для подключения аккумулятора (2 провода);
• балансировочный разъём для правильной зарядки с балансировкой заряда между элементами аккумулятора;
• так называемый разъём BEC — Battery Eliminating Circuit, то есть разъём, который позволяет запитывать не только двигатель, но и электронную плату микроконтроллера от того же самого аккумулятора (то есть исключает потребность в отдельном источнике питания для бортовой электроники).

Вообще говоря, ранее с такой штукой, как ESC, сталкиваться не приходилось. И при её изучении выяснилось, что это довольно-таки интересная вещь!

Если сказать вкратце, то это такой маленький микроконтроллер, который может отслеживать вращение двигателя и умно его запитывать.

Типов ESC может быть два (поправьте, если ошибаюсь):

• без возможности изменения его поведения с помощью программирования (автору «повезло» и он купил именно такой);
• с возможностью изменения его поведения с помощью программирования. Зачем вообще нужно программировать ESC: чтобы он наиболее полно отвечал будущим условиям эксплуатации.

• с помощью специальной «карты»;

• с использованием звукового способа, так называемого, «по пикам» (не уверен, что это абсолютно корректное название, однако автор в видео ниже называет его именно так). То есть происходит настройка с ориентировкой на звуковой сигнал, который даёт возможность понять, что мы перемещаемся по определённым пунктам меню. Это позволяет избежать использования любых графических интерфейсов при настройке и использовать, так сказать, звуковой интерфейс.

Для управления бесколлекторным двигателем достаточно использовать способ, подобный тому, который используется для управления сервоприводами, то есть с использованием ШИМ-сигнала. Посылая сервоприводам управляющий сигнал с импульсами разной ширины и постоянной частоты, можно добиться их поворота на нужный угол (чаще всего используются сервоприводы с поворотом на 180°). Обычно для сервопривода генерируют сигнал с частотой в 50 Гц. Это означает, что один импульс испускается и принимается с периодами в 20 мс. При этом, например, если длительность одного импульса составит 1520 мкс, то сервопривод повернётся в среднее положение (другие положения достигаются по аналогичной логике, см. картинку ниже):

Пример такого способа управления с использованием стандартной библиотеки управления сервоприводами для Arduino (Servo.h) показан здесь:

Однако вернёмся к нашей esp32. Подытоживая всё сказанное, получается, что для управления сервоприводами отклонения закрылок, а также двигателем, нам потребуется тот же самый принцип, что и для управления сервоприводами.

Но проблема заключается в том, что esp32 довольно криво поддерживает стандартную библиотеку Servo.h.

И что же делать? А вот что: так как мы разобрались, что нужно делать для управления сервоприводом, то ради интереса мы для управления используем два разных подхода:

• закрылками будем управлять с использованием чистого самодельного ШИМ-сигнала;
• бесколлекторным двигателем будем управлять с использованием специальной библиотеки для сервоприводов, предназначенной для esp32 (ESP32_Servo.h). По сути она делает то же самое, только всё это обёрнуто в удобную оболочку библиотеки для тех, кто не хочет лезть «под капот».

Управление сервами с помощью ШИМ

 #define low 1638 #define high 7864 #define timer 16 #define ServoPin1 33 #define ServoPin2 32 struct Signal < byte throttle; byte pitch; byte roll; byte yaw; >; Signal data; void ResetData() < // Определение начальных значений // Среднее положение потенциометров (254/2=127) data.throttle = 0; // Motor Stop data.pitch = 127; // Center data.roll = 127; // Center data.yaw = 127; // Center >void setup() < ledcSetup(3, 50, timer); ledcAttachPin(ServoPin1, 3); ledcSetup(4, 50, timer); ledcAttachPin(ServoPin2, 4); >void recvData() < ledcWrite(3, map(data.pitch, 0, 255, low, high) ); //серва1 ledcWrite(4, map(data.yaw, 0, 255, low, high) ); //серва2 >

Второй подход выглядит так:

Управление двигателем с помощью библиотеки

#include Servo myservo; int servoPin = 27; void ResetData() < // Определение начальных значений // Среднее положение потенциометров (254/2=127) void ResetData() < struct Signal < byte throttle; byte pitch; byte roll; byte yaw; >; Signal data; // Определение начальных значений // Среднее положение потенциометров (254/2=127) data.throttle = 0; // Motor Stop data.pitch = 127; // Center data.roll = 127; // Center data.yaw = 127; // Center > void setup() < myservo.attach(servoPin, 800, 2300); >void recvData()

Итак, рабочий финальный код передатчика и приёмника для BLDC-двигателя можно скачать тут.

Библиотека для сервоприводов (под esp32) лежит тут.

Библиотека для модулей NRF — та же, что и выше. Продублирую для удобства.

Можно отметить, что код далеко не оптимальный и его ещё «оптимизировать и оптимизировать». Однако он работает. «А что ещё нужно человеку, чтобы спокойно встретить старость?» 🙂

Кроме этого, уже после завершения проекта появилась идея усовершенствовать код следующим образом. Дело в том, что зачастую после сборки самолёта выявляется, что закрылки и хвостовой руль ориентированы не ровно посередине крыла и хвоста соответственно, а несколько отклонены вверх или вниз (или влево — вправо, если мы говорим о хвосте).

Для устранения этого на самолётах обычно калибруют сервопривод, выставляя нулевую точку. То есть, другими словами, для этого поворачивают сервопривод, чтобы он выставил закрылок или хвостовой руль ровно посередине крыла или хвоста, а затем запоминают это положение. Далее все отклонения в ту или иную сторону будут происходить относительно этой точки.

В нашем же случае для этих целей можно использовать незадействованную в данный момент функцию джойстиков, а именно их встроенную кнопку (на джойстик сверху можно нажать и сработает кнопка в основании стика). Там для этого есть отдельный пин для подключения сигнального провода, правда в рамках этого проекта данный провод пока остаётся незадействованным. То есть мы просто вручную чуть-чуть отклоняем стик, выставляя этим действием закрылок или хвостовой руль ровно посередине и нажимаем на кнопку стика. Вот и всё, сервопривод откалиброван! Однако это пока только в проекте, и будет реализовано чуть позже.

Далее нам потребуется ещё некий пульт управления, куда можно «запихнуть» всю электронику.

Для этого была разработана и распечатана на 3D-принтере следующая серия корпусных деталей (увидев их размер, стало совсем тоскливо — было установлено сопло 0,8 мм и каждая деталь печаталась всего лишь час или полтора):

Скачать 3D-модели джойстика можно здесь.

Питание джойстика осуществляется от двух элементов 18650, подключённых последовательно. Но пока временно был подключён внешний блок питания из четырёх батарей АА.

Ну и теперь самое интересное — тест всей системы в работе. Чтобы наглядно было видно, что система генерирует не «лёгкий ветерок», под винт был положен аккумулятор. По тому, как он сдувается ветром, думается, многое становится чуть более понятно:

Если до этого вы никогда не работали с бесколлекторными двигателями на редкоземельных магнитах, — их мощность вас поразит. Но к ним нужно относиться очень внимательно, так как они легко могут порубить на куски выступающие части вашего тела своим винтом.

Таким образом, если вы захотите повторить описанную аппаратную часть, вы можете взять код и 3D-модели из этой статьи и реализовать собственную систему управления.

В описанной системе используется всего 2 сервы, т. к. хотелось сделать более простую версию самолёта (отклоняться будет единый горизонтальный закрылок на хвосте и вертикальный руль там же). При желании и потребности вы можете добавить ещё серв в систему, посмотрев, как это сделано в коде сейчас, и поступив по аналогии.

Останется её только в дальнейшем дополнить той или иной моделью самолёта, изготовленного из потолочной плитки — и вперёд к небу…

Подытоживая весь рассказ, хочется сказать, что люди мечтали летать ещё с древнейших времён, и современные технологии дают возможность это осуществить.

При желании все требующиеся для такой задумки компоненты могут быть куплены, однако сборка своего устройства даст гораздо больше позитива и интересных моментов как в плане общения с железной частью, так и в плане решения возникающих проблем программирования. К тому же впереди праздники, а что может быть лучше, чем реализовать в течение них многовековую мечту человечества (даже если для конкретного человека)? 🙂

К тому же, если пойти подобным путём, стоимость компонентов будет весьма скромной.

А со временем, если подобное занятие придётся по вкусу, можно вполне установить видеокамеру и перейти на более серьёзные технологии, например, собрать свой собственный дальнолёт.

Ведь полёты на самолёте или планере — это достаточно медитативное и приятное занятие:

Как построить свой самолет со своим двигателем на сверхпроводниках и жидким азотом

Всем привет. По образованию я инженер по эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей, но в данной статье я опишу как сделал небольшой электродвигатель на сверх проводниках, и поэтому мое вступление прошу принять как оправдание тому, что в разработке и изготовлении электродвигателей, я не обладаю достаточной компетенцией и опытом, но все-же я его сделал. А посему, уважаемые эксперты, специалисты, профессионалы и аналитики прошу сделайте поблажки для дилетанта, а всю критику и доказательства вашей правоты прошу предоставить в виде решений, изготовленных собственными руками.

Начало

Так получилось, что весной 2019 я начал работать инженером в компании СуперОкс. Я принимал участие в разработке электродвигателя на сверхпроводниках (Фото). Работа по началу была интересная и иногда пыльная в перемешку со стружкой из различных материалов. Столько проблем удалось решить :). Спустя полгода я понял, что путь до полноценного самолета с двигателем на сверхпроводниках будет долгим и сложным. Тогда родилась идея сделать свой двигатель, поставить его на маленький беспилотник или радиоуправляемый самолет и совершить хотя бы один полет.

Для справки. Когда я только узнал об этой компании, то я знал что такое сверхпроводник, но не предполагал, что производство такого продукта существует в РФ. Реально было приятно, что такие производства существуют и развиваются.

В процессе работы и общения с коллегами узнавал всякие тонкости и особенности применения сверхпроводников. По мере приобретения знаний менялась и адаптировалась конструкция двигателя.

Где-то в январе 2021 года появилось чувство, что если ничего не начать делать, то момент может быть упущен навсегда (пока семь раз отмеришь, другие уже давно отрежут). На этот момент я считал, что накопил достаточное количество знаний для реализации всего проекта и начал параллельно с основной работой заниматься своим двигателем.

Изначально идея была разработать двигатель на базе какого-либо доступного бесколлекторного электродвигателя для радиомоделей, с внешним ротором на постоянных магнитах (аутранер).

Но на этом пути были такие явные сложности как:

1. трудоемкость намотки обмоток на статор. (Дело в том, что провод из сверхпроводника представляет собой металлическую ленту с несколькими слоями напыления. Сам по себе сверхпроводник — это тонкий слой керамики. Если ленту сильно гнуть, то можно повредить слой сверхпроводника (https://kokos-asi-production-hot.hb.bizmrg.com/blockeditor/cfd/cfd21b82899873e22f77f08b0916d74b/5_2_1x.jpg );
2. статорное железо (магнитопровод) будет в жидком азоте. На его охлаждение требуется потратить дополнительный объем азота. Также статорное железо при работе электродвигателя будет греться и поэтому азот будет испаряться интенсивнее;
3. сложность вывода вала воздушного винта. Нужно обеспечить теплоизоляцию между ротором и криостатором. Так же необходимо защитить полость ротора от намерзания льда и конденсации кислорода;
4. сложность при коммутации обмоток. Лента проводника тонкая и гнется с некоторыми ограничениями, паять 24 контакта, пытаясь уложить в малый объем, должно быть сложно.

Было непонятно как изолировать термостат, как избежать намерзания влаги на выходной вал и подшипники, и как выводить вал воздушного винта.

Дальнейшие размышления были о возможности перейти к бесщеточным электродвигателям с внутренним ротором на постоянных магнитах (инранер). Эта идея выглядела более привлекательнее. Важное изменение — это решение продувать испаряющимся азотом полость ротора. Благодаря этому при постоянном потоке испаряющегося азота внутрь не должен проникать воздух вместе с влагой и кислородом. и поэтому не должны замерзать подшипники. Если бы внутрь начал проникать воздух, то влага из него стала бы конденсироваться на поверхности внутренней части корпуса ротора. Образовавшийся лёд мог легко прихватить как подшипники, так и сам ротор к внутренней стенке. Но не меньшую опасность мог представлять кислород. Дело в том, что он конденсируется при температуре порядка -183 градусов Цельсия (для сравнения азот кипит при -196,5 градусах Цельсия). Это приводит к более интенсивному испарению азота при поглощении энергии конденсации кислорода и его охлаждении, через тонкую стенку. И сам факт наличия жидкости в полости, где должен вращаться ротор, отрицательно влияет на работоспособность двигателя.

У этой конструкции плюсов было больше чем у предыдущего решения. Однако наличие магнитопровода статора также грозило существенным увеличением трудоемкости. Самый простой выход из этой ситуации это избавиться от магнитопровода. Так пришла идея сделать двигатель без магнитопровода статора (статорного железа).

Но ещё оставался вопрос как увеличить взаимодействие магнитного потока между катушками статора и постоянными магнитами ротора. Магнитопровод нужен для того чтобы передавать магнитный поток, но если катушку поднести максимально близко к магниту (ещё лучше чтобы магнит находился внутри катушки), то возможно, это позволит компенсировать отсутствие магнитопровода.

И тогда постепенно выкристализовалась идея конструкции с шестью распределенными катушками через один полюс и ротором с двумя полюсами.

План «А»

На виде сверху это выглядело так:

Далее я начал прорисовку идеи в 3d-cad T-Flex. К этому времени удалось раздобыть несколько постоянных магнитов, геометрия которых определила габариты ротора и, как следствие габариты всего двигателя в последующем.

Так появилась примерно такая конструкция:

Пришлось потратить кучу времени на разработку рамки для катушки. Основная проблема заключалась в том, лента ВТСП фактически гнется только в одной плоскости, но допускает некоторое кручение. Сочетание этих двух факторов ограничивают траекторию по которой эта лента может быть уложена. Но в конце концов удалось начертить и напечатать на 3д принтере первый прототип рамки, на который удалось успешно закрепить ленту сверхпроводника.

Помимо рамки также был напечатан корпус ротора, для размещения магнитов, опоры и цилиндр внутренней трубы. Добыты подшипники и ось ротора.

Для отладки двигателя, на рамки вместо ленты ВТСП была намотана обмоточная медная проволока. На каждую рамку уместилось 4 витка (по рекомендации человека, который занимался расчетами двигателя, необходимо было 5 витков).

Все было собрано, спаяно и подключено к регулятору скорости ESC Castle Talon 90.

Первая попытка запуска медного аналога показала очевидное — низкий крутящий момент. В первоначальный момент контроллер начинает принудительно вращать ротор без обратной связи. После того как начинает работать обратная связь, контроллер может нормально управлять двигателем. Но из-за отсутствия магнитопровода обратная связь по обратной ЭДС была затруднена, а низкий крутящий момент и момент инерции ротора приводили к тому, что ротор не успевал раскручиваться и совершал колебательные повороты около некоторого равновесного положения.

Но после принудительной раскрутки ротора двигатель запустился. И начал вращаться так лихо, что у меня возникло опасение, что напечатанный ротор разлетится на сегменты и магниты как шрапнель полетят в стороны. Тогда удалось намерять 14 тыс.об./мин и замечена ещё одна особенность: на больших оборотах момент был больше чем на малых. В следующем эксперименте я поднял входное напряжение с 12 В до 24 В и тогда двигатель начал самостоятельно запускаться.

Этот предварительный успех окрылил меня. Полагая, что при больших токах и оборотах порядка 10 тыс. об/мин, мощности двигателя будет достаточно для вращения воздушного винта небольшого диаметра и малого шага, я решил сделать двигатель горизонтальной компоновки, с прямым приводом на воздушный винт.

Но предстоял ещё один неприятный момент. Дело в том, что в вертикальной компоновке катушки должны были быть в термозащитном контейнере (термокружка из икеи? :)), а в центре должен находится тонкостенный цилиндр из пластика. Сверху должна быть крышка которая направляет испаряющийся азот в цилиндрическую полость ротора откуда выбрасывается в атмосферу. Этот газообразный азот, при своем истечении, не дает проникать в полость ротора атмосферному воздуху. Решение этой проблемы нашлось довольно изящное на мой взгляд. В верхней части сосуда где размещается азот была спроектирована трубка с отверстиями. Эта трубка отводила испарения азота вниз, вдоль передней стенки двигателя (двигатель с толкающим винтом) и выходила в районе передней опоры. Далее газообразный азот проходил через передний подшипник, в зазор между ротором и статором и выходил через задний подшипник.

Итоговый рецепт получился такой: корпус статора представлял собой емкость с центральной трубой для размещения ротора с опорами. Вокруг центральной трубы были размещены шесть катушек. Катушки у задней стенки коммутировались между собой и тремя токовыводами, к которым подсоединялись клеммы медных проводов. Там же на задней стенке крепилась горловина заправки азотом с крышкой. Для удобства заливки жидкого азота крышка заливной горловины заменялась на воронку.

Ротор состоял из вала 8 мм из нержавеющей стали (вал от сломанного струйного принтера), на который был напрессован пластиковый корпус ротора, напечатанный на 3Д-принтере, с запрессованными в него магнитами. На конце вала крепилась цапфа воздушного винта.

Передняя опора ротора была напечатана из PLA-пластика на 3д принтере и в неё вставлялся керамический подшипник. Задняя опора также напечатана 3Д принтере и также с подшипником.

Все было напечатано, склеено на суперклей, спаяно, собрано, замотано в криогель, красивый блестящий скотч и размещено на стенд.

Первые запуски показали несовершенство конструкции. В принципе двигатель начинал вращаться, но из-за температурных деформаций клинили подшипники и ротор останавливался. А учитывая низкий крутящий момент двигателя, запустить его спустя 5 минут после заливки азотом не представлялось возможным. В какой-то момент показалось что двигатель все же начал крутиться, но вал оставался неподвижным. Как оказалось, из-за низкой температуры сжался пластиковый корпус ротора и, как следствие он развалился в тонких местах.

Корпус ротора был напечатан заново. После установки корпуса ротора на вал и запрессовки магнитов, корпус был обклеен стеклонитью на циакрине.

Далее была борьба с опорами и подшипниками, чтобы они не клинили сразу (это ещё половина недели исследований, доработок и испытаний). В итоге, с новым корпусом ротора и новыми опорами, двигатель начал стабильно запускаться и мог продолжительное время выдавать тягу достаточную для полета самолета массой примерно 3 кг (время непрерывной работы около 1 мин).

Было решено ставить на самолет и лететь.

На тот момент у меня был пустой планер китайского самолета Hunter с размахом крыла 1.8 м. Я его немного адаптировал для установки двигателя. В частности задняя часть фюзеляжа была обрезана до точек крепления крыла для того чтобы сместить двигатель вперед и тем самым легче сбалансировать самолет.

Ещё решил не заморачиваться с автопилотом, а ставить радиоуправление. Итоговый вес самолета оказался в районе 3,6 кг.

У меня уже был опыт использования аппарата такой массы и на обычном бесколлекторном электрическом двигателе с резиновой катапультой этот самолет взлетал и летал продолжительное время и поэтому я решил что полет возможен (https://youtu.be/XcgAAbhTyxM).

Договорился с пилотом, выехал в поле и в итоге полет не получился.

Этому провалу сопутствовало несколько факторов:

1. Большой вес самолета при низкой мощности двигателя. Резино-катапульта разогнала самолет до начальной скорости, но низкая мощность двигателя и резкий набор высоты сразу после взлета привел к снижению скорости и, как следствие к сваливанию и падению самолета.
2. Некачественная аэродинамика. Стандартный фюзеляж планера был весьма «пухлый». Также аэродинамичности не прибавляет торчащий кусок силового шпангоута, к которому крепился двигатель, и две вертикальные плоскости в задней части фюзеляжа образованные срезом фюзеляжа и задней стенкой двигателя.
3. Есть ещё один фактор который по своему мог влиять на работу двигателя. Дело в том, что с наружи двигатель был покрыт алюминиевой лентой на самоклеящейся основе. А учитывая небольшое расстояние между ротором и стенкой переменные магнитные поля при вращении ротора создают противо ЭДС в тонком слое фольги. И при увеличении оборотов этот эффект только усиливается (демонстрация данного эффекта на примере колебания постоянного магнита над алюминиевой плитой).

Решения были следующие:

Чтобы снизить массу самолета, все детали были взвешены, измерены и создана весовая модель самолета. В итоге было решено переставить двигатель ещё ближе к передней части самолета. Убрать две АКБ общей массой 1000 г. Вместо неё будет установлена одна батарея массой примерно 300 г. Для соблюдения балансировки батарею должна быть выдвинута ещё вперед на 150 мм и для этого требовался новый фюзеляж.

Новый фюзеляж также должен улучшить аэродинамику самолета.

Потратив ещё несколько дней. Фюзеляж был спроектирован, вырезан на станке ЧПУ. Обклеен стеклотканью и покрашен.

Алюминиевый скотч с поверхности двигателя был удален.

Помимо фюзеляжа были вырезаны силовые шпангоуты для усиления и подставка под самолет с новым фюзеляжем.

Все было собрано и снова готово к полету.

В поле, перед самым взлетом произошел отказ двигателя. После нескольких попыток запустить двигатель я прозвонил обмотки двигателя и выявил обрыв одной фазы.

После разбора двигателя выяснилось, что во внутренней трубе напечатанной из пластика появилась трещина. В результате уровень азота был намного ниже необходимого и верхние проводники не охлаждались. Как результат, при подаче большого тока, самый верхний проводник, идущий к токовыводу, перегорел.

Но самое важно что корпус из напечатанного пластика уже не подлежал восстановлению.

На этот момент доступа к 3Д принтеру у меня не было, но был фрезерный станок ЧПУ. И так настала очередь плана Б.

План «Б»

Было решено сделать корпус двигателя из пеноплекса на фрезерном станке с ЧПУ. В двигателе, напечатанном на 3Д принтере, пластик выступал как прочная оболочка, обеспечивающая прочность и герметичность емкости, а поверхность теплоизолировалась криогелем толщиной 5 мм.

В новой конструкции внешний корпус статора изготовлен из пеноплекса. Он же должен обеспечивать герметичность,теплоизоляцию и частичную прочность (прямо-таки ТРИЗ). Для повышения прочности корпуса, снаружи пеноплекс обклеивался стеклотканью на эпоксидной смоле. В передней части двигателя также крепился силовой шпангоут из 2 мм стеклотекстолита. Внутри проходила труба для ротора и в верхней части емкости трубка для отвода газообразного азота. Обе трубки изготовлены из стеклоткани на эпоксидной смоле ЭТАЛ-Карбон Light.

Также заливная горловина была перенесена на боковую поверхность, так как при расположении на задней стенке, воронка для заливки мешала вращению воздушного винта и после заливки, перед запуском, приходилось её снимать. Это не принципиально при полетах, но при отработке и испытаниях постоянно менять воронку на крышку и обратно неудобно.

Переднюю опору пришлось доработать, так как в новой конструкции она вставлялась со стороны винта.

Полученная конструкция была собрана и готова к проверке.

В этот раз я решил сделать предварительное опробование на стенде без выезда в поле. И в процессе проверок двигатель сгорел опять.

Спустя два дня, моря разочарования, литра пива и 4 литров отборного чая решил предпринять последнюю попытку создать двигатель на сверх проводниках. Настала очередь плана В.

План «В»

У меня оставался второй комплект катушек намотанный на рамки. Также было ещё несколько рамок, из которых восстановил медный аналог.

За неделю восстановлен медный аналог для предварительной проверки, отработки и настроек контроллера.

Двигатель ВТСП, который я до этого собирал и испытывал, обозначен как №1. Он был разобран на отдельные элементы. Перегоревшие две катушки были заменены. Обмотки были заново скоммутированы. Была внедрена новая конструкция токовыводов.

Для медного аналога были выпилены стенки спереди и сзади, чтобы двигатель можно было крепить аналогично криогенному. Два криогенных двигателя собирались параллельно с таким расчетом, чтобы большую часть настроек и испытаний сделать на №1, а окончательную настройку и полет выполнить на №2.

Ротор для всех трех двигателей был один.

Также на станке ЧПУ сделал простой стенд для измерения тяги и проверил его работу на обычном бесколлекторном электродвигателе.

После склейки и сборки ещё два дня занимался настройкой различных контроллеров. Довольно неплохо подходил контроллер Marcus SL110, но после нескольких испытаний все же он сгорел. Есть особенность таких контроллеров. При запуске двигателя они могут давать длительные серии импульсов. При запуске обычного медного бесколлекторного двигателя, ток ограничен сопротивлением подводящих проводов и обмоток, но в случает с двигателем ВТСП, ток ограничивается сопротивлением одних подводящих проводов. По этой причине предположительно и сгорел данный контроллер.

В итоге трех дней настроек удалось получить рабочую схему из батареи литий-полимерных аккумуляторов напряжением 24 В и ёмкостью 3.5 А*ч, контроллера Castle Fenix Edge Lite, и двигателя на сверхпроводниках №2.

Все было проверено на стенде со штатной батарей и приемником радиоуправления, установлено на самолет и проверено ещё раз в сборе.

Итак настал май.

2 мая я с готовым самолетом, жидким азотом и другой сопутствующей «хурмой» выехал на летное поле. Сам я рулить радиоуправляемым самолетом умею плохо, поэтому пришлось уговаривать местных пилотов. На мои просьбы отозвался Василий, хотя и предупредил, что возможно самолет разобьется. Но по сути, разбить самолет у меня было намного больше шансов.

И первый полет закончился аварийной посадкой.

Быстрый осмотр показал, что внешне все целое и было принято решение сделать вторую попытку, но на меньшей мощности.

Перед второй попыткой мы провели небольшую проверку как работает двигатель на некоторых режимах и после определения решили взлетать.

На это раз полет оказался успешным.

На волне этого успеха хотели совершить ещё один полет, но видать подшипники снова начали подклинивать и двигатель не выдавал необходимой мощности, а в некоторые моменты он останавливался. И так мы решили, что одного полета хватит и можно заканчивать эту эпопею.

Самолет взлетел, совершил короткий полет и пусть он был недолгим, но тем не менее я считаю его можно рассматривать как первый полет летательного аппарата с тягой от силовой установки на сверхпроводниках.

Что дальше? Можно улучшить конструкцию ротора для увеличения крутящего момента. Есть идея, как сделать опоры в которых не будут замерзать и клинить подшипники. Сделать безрамочные катушки для улучшения охлаждения. Все это приведет к увеличению надежности, мощности и времени работы двигателя. А после этого прикрепить шасси, поставить на него автопилот, для сбора информации об эффективности двигателя и сделать ещё несколько полетов. но это уже будет второй или очередной полет — первый полет уже состоялся.

Для этого проекта продолжения не будет. Основная задача была сделать хотя бы один полет (см. начало статьи) и эта задача выполнена.

П.С. Хочу выразить благодарность сотрудникам компании «СуперОкс» за помощь, консультации и поддержку, а также за то что не пытались ограничить моё творческое безумие. Успехов Вам, и хорошего финансирования, на вашем долгом пути внедрения ВТСП в повседневную жизнь. Отдельная благодарность компании «SuperCam» г.Ижевск за предоставленный планер. Также спасибо компании «ЭНПЦ Эпитал» за консультации по эпоксидной смоле для жидкого азота.

И главная благодарность пилоту Василию, за то что не побоялся взять на себя ответственность за первый полет летательного аппарата с моим электрическим двигателем на сверхпроводниках и жидким азотом.

• Самолет
• электродвигатель
• сверхпроводники

Бумага все стерпит: как сделать управляемый самолетик своими руками

«Если есть ракетный двигатель, то к нему хоть забор привяжи – он полетит!» – так говорил Валентин Петрович Глушко. Преклоняясь перед мудростью великого советского конструктора, мы решили испытать его принцип на практике. Похоже, оснастив двигателем бумажный самолетик, мы нащупали новое направление в авиамодельном спорте

Редакция сайта

Все началось с того, что исключительно для собственного развлечения мы приобрели простейший самолет с дистанционным управлением Class Flyer. Эта миниатюрная игрушка предназначена для полетов в помещении и имеет предельно упрощенную конструкцию: ее 20-сантиметровые крылья сделаны из пенопласта, и даже двухканальное ДУ реализовано не на радио-, а на инфракрасных лучах (соответственно, действует только в зоне прямой видимости датчика). Такие модели хороши как для непринужденных офисных развлечений, так и для приобретения первоначальных навыков пилотирования радиоуправляемой модели: они способны выдержать довольно много падений с небольшой высоты.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако главное достоинство Class Flyer — его исключительно малая масса, всего 8,5 г. Когда после очередного падения крыло самолета наконец отделилось от фюзеляжа, мы решили разобрать модель. В результате мы получили электродвигатель с пропеллером, ИК-приемник и аккумулятор, которые практически ничего не весят. Вспомнив высказывание гениального конструктора Глушко, мы решили попробовать оснастить двигателем обычный бумажный самолетик. Тут-то все и началось.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Постройка радиоуправляемого самолетика не требует практически никаких ресурсов, кроме терпения домашних или коллег, на которых то и дело падает жужжащий, как москит, кусочек бумаги. Вам понадобится лист формата А4, скотч обычный и двусторонний, ножницы и, возможно, скрепки для балансировки. Развесовка — это главная проблема при создании такой машины. Поначалу мы сложили простейший бумажный самолетик и приладили к нему сзади толкающий винт. Аппарат, сносно летающий без мотора, стал заваливаться назад. Перенеся двигатель и винт ближе к центру крыла, мы смогли решить это проблему и заставить самолет продолжительно лететь по прямой. Разумеется, не обошлось и без тонкой балансировки с помощью скрепок и кусочков бумаги.