Вы здесь

Разработка конструкции конвертоплана

Разработка конструкции конвертоплана
Задача: 
Разработать уникальную конструкцию
0%

Вам захочется такую игрушку.
— Вам понравился вертолет? — Как только он начал снижаться, 
мы медленно начали взлетать.

Из к/ф «Парк Юрского Периода»

 

Права на аэродинамическую схему конвертоплана, использованную в разработке, принадлежат ООО "Аэроксо". Карфидов-Лаб представляет свой вариант дизайна конструкции конвертоплана. Данный вариант не используется для коммерциализации, а призван продемонстрировать возможности по разработке и проектированию, а также высокий профессиональный уровень специалистов лаборатории. По всем вопросам коммерческого использования конвертопланов данной аэродинамической схемы, просьба обращаться в ООО "Аэроксо" (www.aeroxo.com).

В 2014 году на столе нашей компании оказался очень интересный проект по созданию нового беспилотника-конвертоплана. Задача интересная и нетривиальная. Итак, давайте вместе разберемся с какой стороны же стороны подойти к этому процессу. 

Дано: действующий прототип изделия, перечень электронных компонентов и принципиальная схема их подключения, требования к габаритным размеры будущего изделия и массе, профиль крыльев. Срок — 1 месяц. 

Разработка конструкции конвертоплана. Общий вид макета.

Разработка конструкции конвертоплана. Общий вид макета.

 

Найти: оптимальный дизайн в сочетании с оптимальной компоновкой электроники. Линии разъема, способы крепления составных частей между собой. На выходе предоставить. stl файлы для последующей работы с ними, схему сборки-разборки изделия, а также спецификацию. 

Разработка конструкции конвертоплана. Изометрический вид

Разработка конструкции конвертоплана. Изометрический вид

 

Решение данной задачи, а именно проектирование новых изделий основано на фундаментальных принципах PDD (Product Design and Development), не зависящих от типа проектируемого изделия. Основополагающие принципы остаются неизменными даже при проектировании таких изделий, как беспилотные летательные аппараты. 

Пример облика конвертоплана

Пример облика конвертоплана

 

Для начала немного о продукте. Конвертоплан – летательный аппарат, способный осуществлять смену режимов полета непосредственно во время движения. Такие летательные аппараты совмещают в себе преимущества вертолетов – вертикальный взлет, зависание в воздухе и самолетов – высокая горизонтальная скорость полета, маневренность. 

В рамках проекта мы бы выделили следующие важные аспекты: — Важно выстроить правильное взаимодействие с промышленным дизайнером со стороны заказчика, поддерживать синхронную и итерационную работу по созданию визуального облика устройства; — Выбор конструктивных решений, максимально учитывающих взгляд дизайнера; — Компоновка электроники с максимальной утилизацией свободного внутреннего пространства; — Проектирование линий разъемов изделия и способа крепления составных частей; — Конструктив узла поворота двигателей; — Учет технических требований со стороны Заказчика (общая масса, центр масс, профиль крыла, геометрические размеры ключевых точек). 

Вид прототипа конвертоплана показан на рисунке выше. Несложно догадаться, что в таком виде он не станет ходовым товаром. 

Для начала необходимо понимание основной цели и ключевых потребительских свойств, которыми должно обладать устройство. Эти основные параметры необходимо помнить и мысленно проговаривать на всем этапе проектирования. Ведь эти потребительские свойства – основная ценность будущего продукта. 

В нашем случае проектируется устройство, основной целью которого является фото и видеосъемка различной местности. Для реализации данной функции потребуется камера и трансфокатор, которые смогут обеспечить съемку различных объектов. Исходя из этого определяется масса необходимой полезной нагрузки – около 1 кг (камера около 0,3 кг и трансфокатор 0,7 кг). В прочем, без последнего можно и обойтись за счет цифрового зума камеры. 

При условии наличия определенного типа двигателей, оценочной массы корпуса и внутренней радиоэлектроники, а также аккумуляторного блока производится расчет подъемной силы и определяется профиль крыла и расположение двигателей. В данной конструкции есть одна интересная особенность – устройство должно иметь возможность вертикального взлета и посадки, но при этом должна быть обеспечена высокая скорость горизонтального полета на местности. В связи с этим в конструкции используются механизмы поворота двигателей. 

Пример сочетания электронной начинки

Пример сочетания электронной начинки

 

Отдельно следует сказать про электронику. Основная компонентная база электроники во многом стандартна. В конструкции используется четыре мотора, каждый из которых оснащен отдельным внешним контроллером скорости. Также на борту имеется автопилот, модуль GPS, приемник радиоуправления и аккумуляторный блок. 
 

Исходя из схемы подключения компонентов складывается представление о габаритах и объеме фюзеляжа. Для крыльев определяются габариты, профиль, угол атаки, наклон, размах (отдельно для передних и отдельно для задних). После наличия этих данных техническое задание на разработку можно считать готовым и приступать к процессу. 
 

Профиль крыла

Профиль крыла

Внешний вид потребительского изделия – важнейший параметр при прочих равных условиях. Исходя из этого разрабатываемый конвертоплан должен обладать эстетичным дизайном, красивым и функциональным. Для проработки дизайна несколько промдизайнеров разработало различные скетчи для того, чтобы представить возможный облик на основании прототипа. 

В результате проработки дизайна получилось несколько концепций, представленных далее. 
 

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна

 

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

 

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

 

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

 

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

Разработка конструкции конвертоплана. Вариант дизайна.

Из представленных концепций была выбрана наиболее оригинальная и красивая вариация, по виду напоминающая агрессивный боевой беспилотный летательный аппарат. 
 

Разработка модели по скетчам.

Разработка модели по скетчам.

 

Разработка модели по скетчам.

Разработка модели по скетчам.

На первом этапе построения модели корпуса на основании сопоставления скетчей воссоздаются основные направляющие контура, линии очерка. Как правило, это линии раздела поверхностей, контура крыльев. В связи с тем, что дизайнерский скетч делается по приблизительным размерам, а математическая модель строится точно по миллиметрам, по мере готовности модели требуется найти оптимум между первоначальным эскизом дизайнера и моделью, выполненной по точным размерам. Практически всегда возникают отличия. Тогда происходит стыковка с дизайнером и совместно выправляются линии контура, чтобы сохранить первоначальный замысел и иметь возможность его технически реализовать. В течение данных этапов модель представляет собой не твердое тело (solid body), а оболочку из сшитых поверхностей. Большая часть поверхностей плавно переходит из одной в другую с учетом кривизны. 
 

Разработка модели по скетчам.

Разработка модели по скетчам.

В дальнейшем, когда модель из поверхностей готова и согласована с дизайнером, ее предстоит сшить и получить из нее твердое тело. Для этого она должна быть полностью замкнутой и не иметь выступающих поверхностей. Проще говоря, у поверхностей, образующих модель не должно быть открытых граней (с погрешностью не более долей миллиметра). При выполнении данных условий поверхности будут сшиты и создастся твердое тело, которому можно задать свойства материала, оценивать массу, центр масс и многие другие физические параметры. 
 

Цельное тело под последующее разделение на детали.

Цельное тело под последующее разделение на детали.

Перед тем, как делить тело на составные части, необходимо убедиться, что поверхности имеют достаточно плавную форму. Для этого производится анализ поверхностей и мест стыковки поверхностей на предмет соблюдения требуемой плавности облика. 
 

 

Анализ поверхностей в разных ракурсах.

Анализ поверхностей в разных ракурсах.

С помощью конечно-элементного моделирования производится анализ поведения корпуса при различных набегающих потоках. 
 

МКЭ-анализ корпуса.

МКЭ-анализ корпуса.

Далее цельное тело предстоит разделить на отдельные детали по функциональной части. В нашем случае это две корпусные детали, крылья. Линии разделения тела на детали выбираются из соображений технологичности (например, две части корпуса имеют уклон, разделение корпусного отсека произведено таким образом, чтобы в последующем детали можно было отлить). Передние крылья в связи с небольшими габаритами (вписываются в рабочее пространство трехмерного принтера) сделаны единой частью вместе с нижней частью корпуса. В последующем наиболее вероятно, что их также предстоит делать отдельными частями. Задние крылья имеют значительный размер, поэтому каждое из двух задних крыльев проектируется как отдельная деталь с посадочными местами внутри корпуса. 
 

Разделенное тело

Разделенное тело

Для каждой из деталей (либо для всего изначального тела) задается толщина стенок (в нашем случае от 1 до 3 мм в различных местах корпуса). В дальнейшем делаются усиливающие места корпуса (условно их можно назвать шпангоутами). Прорабатываются способы стыковки частей между собой. 

Корпус, в котором расположена практически вся внутренняя электроника, состоит из двух частей – нижней подложке, на которой крепятся элементы с помощью липучей ткани и верхней крышки, имеющей отверстия для продувки и отвода тепла от нагревающихся электронных компонентов, в частности контролеров скорости двигателей, автопилота и прочих компонентов. 
 

Крепление крыла

Крепление крыла

 

Итоговый вариант разделения конструкции на детали.

Итоговый вариант разделения конструкции на детали.

 

Соединение корпусных деталей.

Соединение корпусных деталей.

Прорабатывается несколько вариантов внутренней компоновки электронной аппаратуры. Для того, чтобы не создавать отдельные индивидуальные посадочные места для электроники, тем самым утяжеляя массу и усложняя конструкцию, в состав блока решено добавить механическую липучку (ткань на полимерной подложке с большим количеством маленьких крючков).Липучка с одной стороны приклеивается к компоненту электроники, а с другой сплошной лентой в две линии выкладывается внутри корпуса. Этим может быть обеспечена как скорость установки, подключения и демонтажа компонентов, так и простота крепления электроники.  Составные части крепятся друг к другу винтами, утопленными в корпус. 
 

Компоновка электроники

Компоновка электроники

 

Расположение электроники внутри корпуса.

Расположение электроники внутри корпуса.

Основную часть внутреннего пространства корпуса занимает аккумуляторный отсек с откидной крышкой в основании. В устройство предусмотрена установка Li Ion аккумулятора высокой емкости для обеспечения длительности полета. Проработано несколько вариантов крепления крышки аккумуляторного отсека – начиная от обычной пластины с защелками, заканчивая петлями. 
 

Крепление крышки аккумуляторного отсека.

Крепление крышки аккумуляторного отсека.

Обычная пластина с защелками имеет один большой минут – в связи с тем, что ее нужно полностью демонтировать при замене аккумулятора, она может потеряться, либо место крепления со временем может прийти в негодность. Кроме того, такая крышка может потеряться просто в процессе эксплуатации. Вариант с петлей технически несколько более сложный, за то крышка при этом надежно зафиксирована. Свободный ее конец может закрываться на защелку или закручиваться по резьбе при наличии винта. Вариант с винтом более предпочтителен. Однако в процессе эксплуатации еще предстоит понять, несколько удачным является расположение аккумуляторного отсека в нижней части корпуса. С точки зрения определения размеров внутреннего пространства отсека должно учитываться, что аккумулятор данного состава со временем начинает увеличиваться в объеме в связи с выделением газов. 
 

Крепление мотора

Крепление мотора

Отдельно следует упомянуть о моторах и их креплении. В связи с необходимостью их поворота, внутри корпуса устанавливаются сервоприводы, от которых к гондолам двигателей идут гибкие валы, обеспечивающие поворот на 90 градусов в пределах крыла. Гибкие валы в данном случае используются для снижения нагрузки при ударе и падении на прочие корпусные элементы. Всего проработано несколько вариантов гондол и несколько вариантов совмещения мотора в гондоле с крылом. 
 

Гибкий вал мотора

Гибкий вал мотора

 

Крепление мотора.

Крепление мотора.

апеп6

В связи с относительно небольшими габаритами конструкции (порядка 300…400 мм) для изготовления первого образца подразумевается технология изготовления корпуса методом печати на трехмерном принтере из пластика. Крылья при этом будут изготовлены из более легкого материала для обеспечения легкости конструкции и возможности быстрой их замены. 

Работа произведена по заказу «Цуру роботикс».  Эта компания занимается разработкой продвинутого программного обеспечения для различных устройств и может запрограммировать все что угодно. Очень приятно, что современные разработчики программного обеспечения задумываются об эстетичном облике и функциональной конструкции проектируемых устройств. С «Цуру роботикс» было приятно работать. 

В ближайшей перспективе планируется изготовление опытного образца для обкатки технических решений. А далее просто показываем несколько красивых картинок общего вида. 

Квадрокоптер
митап

  
 

Квадрокоптер

Алексей Карфидов 355