PRZERWA TECHNICZNA

MECHANIKA,  czyli Ogólna Wiedza o Bezzałogowym Statku Powietrznym (BSP)    

 

 

W dzisiejszych czasach zwykło się mówić, że nie szkoli się już pilotów, lecz "kierowców  latających autobusów". Jest to sformułowanie określające bardziej duże lotnictwo niż małe. Wzięło się to z przykrego doświadczenia, jakie pokazały nam wypadki lotnicze ostatnich lat, gdy zbyt niskie wyszkolenie pilotów i ich brak umiejętności naturalnego reagowania na występujące problemy, doprowadzał do tragicznych w skutkach następstw. Zbytnie ufanie komputerom oraz procedurom sprawiły, że szkoleni dziś piloci stali się bardziej operatorami samodzielnie latających samolotów. Kiedyś pilot sam musiał wiedzieć gdzie i w jaki sposób pilotuje swoja maszynę. Nie pomagał mu komputer czy nawet zespół komputerów, a podejmowane decyzje należały wyłącznie do niego i były wynikiem jego świadomych, planowanych przez niego  działań. Podsumowując,  uprzednio pilot był po trosze każdym z osobna - nawigatorem, mechanikiem, pilotem i inżynierem pokładowym. Wynikało to z konieczności. Dzisiaj procedury upraszają bardzo wiele. Komputery odciążają nas w podejmowaniu podstawowych decyzji, ułatwiając nam tym samym życie,  jednocześnie jednak, niestety, poprzez rozleniwianie nas, stępiają naturalne odruchy operatora. Po co w dzisiejszych czasach wiedzieć jak skonstruowany jest dron, skoro chłopaki w DJI robi takie drony co latają same? ;) No cóż... Jest wiele szkół, ja jednak uważam, że dobry pilot, podobnie jak dobry kierowca czy zawodowy płetwonurek, powinien doskonale  znać swój sprzęt i wiedzieć, choćby ogólnie, na jakich zasadach on działa. Czy ta wiedza przyda sie kiedyś? Nie wiadomo. Ale wiedzieć warto, choćby po to, żeby móc bez wstydu odezwać się w towarzystwie ;)   

PODSTAWOWE POJĘCIA 

 

Wszystko co nie jest ptakiem lub owadem a nawet...rybą, czyli stworzeniami, które w toku ewolucji wypracowały umiejętność latania i pływania, może latać, gdyż z punktu widzenie praw fizyki jest to możliwe. Wiedział o tym już Leonardo Da Vinci, wiedzieli też bracia Wright, którzy są uznani za ojców znanego nam dziś lotnictwa. Dziś wiemy, opierając się na badaniach współczesnej archeologii, że ludzie o lataniu "myśleli" znacznie wcześniej. 

 

Jednak, żeby gdziekolwiek i czymkolwiek polecieć muszą zostać spełnione określone wymagania fizyczne. Mówiąc prościej, aby jakiś przedmiot czy zwierzę mogło się unieść w powietrze musi powstać SIŁA NOŚNA. Jest to najbardziej podstawowe pojęcie w lotnictwie. Siła nośna lub jej brak decyduje o tym czy obiekt  leci czy też spada.

 

Czym więc dokładnie jest siła nośna? 

 

 

 

Najbardziej sucha definicja mówi, że jest to siła działająca na ciało poruszające się w płynie, gazie lub w cieczy,  będąca  siłą prostopadłą do kierunku ruchu.  Mówiąc prościej i bardziej obrazowo, w dużym uproszeczeniu można to sobie wyobrazić w następujący sposób: my lecimy przed siebie w dowolnym kierunku,  a owa "magiczna" siła  wypiera nas "od dołu", nie pozwalając nam spaść na ziemię. Jednakże, aby siła nośna wystąpiła muszą być spełnione pewne warunki.

 

Jakie ?  

 

Przede wszystkim powinno być jakieś skrzydło , które będzie miało określoną powierzchnię, dzięki której  siła nośna powstanie.  Obecność skrzydła nie jest jednak bezwzględnie konieczna aby odbył się lot. Może on się odbyć dzięki tzw. sile ciągu. Dobrym przykładem będą np petardy czy rakiety kosmiczne . Tam siłę pozwalającą przedmiotowi lecieć uzyskuje się przez spalanie paliwa i powstały w wyniku tego ciąg. Tak działają samoloty odrzutowe i rakiety kosmiczne. Spalamy paliwa kopalne właśnie po to, aby uzyskać odpowiednią siłę ciągu i pokonać przyciąganie ziemskie czyli grawitację. 

 

Niezbędnym do lotu warunkiem jest jakieś środowisko, w którym będzie odbywał się ruch. Lecący, czy też płynący obiekt musi poruszać się w jakimś konkretnym środowisku. Dla nas, operatorów BSP oczywistym jest, że poruszamy się w powietrzu, którego gęstość jest zmienna i zmienia się wraz z wysokością. Należy pamiętać, że chodzi tu nie o wysokość na jaką dron wzniósł się oddalając od nas-operatorów, lecz o tzw. wysokość bezwzględną,  inaczej mówiąc- wysokość nad poziomem morza (npm). Obrazowo: w Himalajach na szczycie Mount Everest'u wytworzona przez skrzydło siła nośna będzie dużo mniejsza, gdyż występujące tam rozrzedzone powietrze jest znacznie uboższe w tlen, a ciśnienie również znacznie niższe. W praktyce oznacza to, że stojąc na czubku Mont Everestu zapewne nawet nie uniesiemy drona z "ziemi". Za rzadkie powietrze.

 

Ustaliliśmy więc, że ruch będzie odbywać się w pewnym środowisku. Skoro więc jest jakikolwiek ruch, to musi być także i prędkość (V), z jaką ten ruch będzie się odbywać. Z definicji prędkość, (czasem niezbyt precyzyjnie nazywanej szybkością), wynika, że jest to wielkość fizyczna, wyrażająca zmianę wektora położenia w jednostce czasu. Upraszczając, gdy do jakiegoś obiektu "przyłożona" jest  prędkość, wówczas jest pewne, że zmieni on swoje położenie w jakimś określonym czasie.

Tak więc właśnie prędkość jest kolejną składową siły nośnej. Niewątpliwie jednokrotnie, oglądając na filmach start samolotu pokazany z perspektywy kabiny pilotów, słyszeliście padające z ich ust: V1...V2...Rotate. Właśnie w ten sposób pilot informuje drugiego pilota o przekroczeniu progu pewnej prędkości.  

 

Warto pamiętać, że siła nośna nie jest jednak jedyną siłą, działającą na lecący obiekt, która sprawia, że obiekt  unosi się w powietrzu i przesuwa w określonym kierunku.  Obrazowo mówiąc, np. kartka papieru, leżąca na ziemi nie uniesie się w powietrze, jeśli nie zawieje wiatr, który sprawi, że to powierzchnia kartki wytworzy siłą nośną i dzieki temu odbędzie się  jej "lot" ;) 

 

Jak powiedzieliśmy, poza siłą nośną, warto zaznajomić się z kolejnymi pojęciami mającymi bezpośredni i pośredni wpływ na lot. 

 

Każdy zapewnie gdzieś słyszał pojęcie "opor aerodynamiczny". Jest to kolejna siła działająca bezpośrednio na poruszający się w jakimś środowisku obiekt. Można powiedzieć, że jest to siła hamująca ruch statku powietrznego. Ten, nazwijmy go, bierny opór, powstaje tylko wówczas gdy statek powietrzny jest w ruchu. Gdy ruch ustaje, ustaje również opór aerodynamiczny. 

 

 

 

 

Tu warto zapamiętać, że WRAZ Z DWUKROTNYM PRZYROSTEM PRĘDKOŚCI, OPÓR WZRASTA CZTEROKROTNIE.  Logicznie rzecz biorąc, na opór wpływa zasadniczo kształt lecącego przedmiotu. Jeśli coś ma aerodynamiczny kształt, oznacza to, że posiada zazwyczaj kształt jakiegoś klina zwężonego na początku i rozszerzającego się w jego dalszej części.  Wszystkie latające, pływające czy jeżdżące pojazdy stają się z biegiem lat coraz bardziej aerodynamiczne właśnie po to, aby pokonać siłę oporu aerodynamicznego.   Dotyczy to oczywiście obiektów poruszających się po Ziemi i  w jej najbliższym otoczeniu. Gdy wyrwiemy się już z naszej ziemskiej atmosfery i znajdziemy w przestrzeni kosmicznej, wówczas kształt statku czy obiektu latającego nie ma już żadnego znaczenia. Nie ma tam siły oporu, która musimy pokonać, gdyż poruszamy się tam w próżni. 

 

 

Śmigło

 

Po podstawowej dawce wiedzy o skrzydle i jego roli w procesie unoszenia się obiektu w powietrzu, czas na informacje o śmigle, które jest bliższe operatorom multirotorów (MR) inaczej - wielowirnikowców.  Można powiedzieć, że jest to urządzenie, które przetwarza energię momentu obrotowego na siłę ciągu. Istnieją dwa podstawowe parametry, które opisują śmigło. Jest to średnica i skok. Oczywiście również, śmigło może być lewe lub prawe, ale o tym oddzielnie.  Kupując czy zamawiając śmigła do naszych dronów możemy spotkać się z oznaczeniami liczbowymi np. tytułem przykładu: 9x4. W tym przypadku oznacza to, że średnica śmigła będzie wynosić 9 cali, a skok 4 cale. Zawsze obie wartości wyrażone będą w tych samych miarach tj. cm lub calach.

 

 

 

Skok śmigła -to odległość, jaką przebyłoby śmigło w czasie jednego obrotu, gdyby nie było osadzone na silniku, lecz mogło swobodnie wkręcić się w powietrze jak np śruba w nakrętkę (rysunek).

 

 

Ciąg śmigła statku powietrznego

 

Jak ustaliliśmy wcześniej, śmigło, poprzez przetworzenie energii momentu obrotowego, wytwarza siłę ciągu. Innymi słowy, jest to siła, która musi pokonać nie tylko wspomniany wcześniej opór aerodynamiczny, lecz także masę samego statku powietrznego. 

 

Istnieje również pojęcie sprawności śmigła, która jest ściśle zależna od prędkości poruszania się statku powietrznego, kształtu łopaty i końcówki, a także  od prędkości obrotowej. 

Śmigło pracuje przede wszystkim na odcinku mniej więcej 1/4 swojej długości, patrząc od strony jego końca. Własnie tam powstają silne wiry brzegowe, inaczej zwane wirami krawędziowymi. Są one źródłem oporu aerodynamicznego. Mówiąc bardziej obrazowo, wiry boczne wynikają z faktu,  że dwie warstwy powietrza o różnym ciśnieniu zawsze będą dążyć do wyrównania układu ciśnień, szukając przy tym jak najkrótszej drogi. Wniosek: najłatwiej jest im spotkać się na końcówce śmigła. W przypadku wielowirnikowców, właśnie z powodu występowania wirów brzegowych, stosuje się wolnoobrotowe śmigła z profilem wklęsło-wypukłym oraz również tzw. winglety, czyli lekko zawinięte końcówki śmigieł. Zarówno w dużym, jak i w małym lotnictwie, winglety sprawdzają się doskonale w walce ze zjawiskiem wirów brzegowych, poprzez rozpraszanie ich. 

 

Kolejnym, niezwykle istotnym czynnikiem wpływającym na zachowanie statku powietrznego w locie, jest jego masa startowa. Logicznie rzecz biorąc, im większa masa startowa jakiegoś statku powietrznego, tym więcej mocy potrzeba do jego startu.  Rozróżniamy tu: 

 

MTOM (Maximum Take-Off Mass) - czyli masa startowa, dla której BSP czy inny statek powietrzny jest certyfikowany do lotu.

TOM (Take off Mass) -oznacza masę startową statku gotowego do lotu.  

 

Warto zauważyć, że z pojęciem masy związane jest również pojęcie środka ciężkości.  Jest to punkt w konstrukcji statku powietrznego, w którym skoncentrowana jest jego masa. RYS

 

 

Należy zastanowić, biorąc na przykład  wielowirnikowce,  jak to się dzieje, że doskonale potrafią one obracać się wokół własnej osi. Za efekt ten odpowiada moment reakcyjny śmigła, który, zgodnie z definicją oznacza moment przeciwny zwrotem do momentu obrotowego śmigła. Moment ten, poprzez swoje działanie, powoduje obracanie  statku powietrznego wzdłuż osi śmigła. Zależy on, między inymi, od jego średnicy, prędkości obrotowej oraz skoku. W naszych dronach działa to w ten sposób, że dla ruchu obrotowego w prawo, śmigła obracające się w lewo mają wyższe obroty, a śmigła obracające się w prawo mają mniejsze obroty. Resztę załatwia za nas właśnie moment reakcyjny. Mówiąc w uproszczeniu,  miłościwie nam panujący komputer pokładowy tak ustawia pracę obrotów silnika, aby suma ich ciągów  była wystarczająca do utrzymywania drona w powietrzu i wykonywania manewrów. 

 

Zdarza się, że nasz dron wpada w wibracje. Jeśli są one niewielkie, możemy dostrzec je dopiero patrząc na nagrany przez nas materiał wideo, który właśnie przez wibracje nie został właściwie wystabilizowany przez gimbal. Bywa też również tak, że wibracje są naprawdę duże i uniemożliwiają normalny lot. 

 

Jaka jest najczęstsza przyczyna wibracji BSP ? 

 

 

Najczęściej przyczyną jest złe wyważenie śmigieł. Jeśli jednak nie jesteście modelarzami i kupujecie, czy to do zabawy czy pracy, gotowe zestawy RTF, czyli Ready to Fly (gotowe do lotu), to w znakomitej większości dostaniecie śmigła odpowiedni wyważone.  Nie jest to jednak jedyna przyczyna dla jakiej nasz BSP może zacząć wibrować. Dzieje się tak również w przypadku mechanicznego uszkodzenia lub ubytku. Różne są szkoły. Jedni latają na szczerbatych śmigłach inni natychmiast je wymieniają. Prawda jest taka, że w przypadku mechanicznego uszkodzenia śmigła, nie badając go strukturalnie, nigdy nie jesteśmy w stanie określić czy nie nastąpiło uszkodzenie struktury śmigła. Dlatego też, jeśli jesteście niepewni, to po prostu dobrym nawykiem będzie wymiana śmigła. Wy nie będziecie się denerwować, a dzieki temu zabiegowi z pewnością zyska jakość Waszego lotu. 

 

Wspomnieliśmy uprzednio, że istnieją śmigła lewe i prawe. Przy okazji tematu momentu reakcyjnego śmigła dowiedzieliśmy się, że  aby uzyskać obrót wokół pionowej osi drona "musimy"  przyspieszać pracę albo lewych, albo prawych śmigieł .

Każde śmigło ma tylko jeden właściwy kierunek obrotów. Śmigła kręcące się w prawo (patrząc od góry) mają oznaczenie CW, czyli (ang. Clock Wise)- zgodnie z ruchem wskazówek zegara - w prawo. a śmigła kręcące się w lewo CCW, czyli czyli (ang. Counter Clock Wise)  - zgodnie z ruchem przeciwnym do ruchu wskazówek zegara - w lewo

 

 

Zasilanie

 

 

Jak wiemy już,  śmigła są niezbędne aby wykonywać loty dronem wielowirnikowym. Jednakże,  żeby to było możlwe, dron musi mieć jakieś zasilanie. Dlatego też, zanim przejdziemy do tematu silników i innych podzespołów, zatrzymamy się właśnie przy tym temacie i opowiemy o akumulatorach Litowo-Polimerowych w skrócie (LiPo). 

 

W samolotach i wielowirnikowcach bezzałogowych, głównym źródłem dostarczanej energii są wyżej wymienione akumulatory litowo-polimerowe. Dlaczego właśnie one, a nie inne rodzaje baterii? 

 

Akumulatory litowo-polimerowe cechują się bardzo wysoką gęstością energetyczną. Chodzi o to, że przy stosunkowo małej masie samej baterii, jest ona w stanie wytworzyć dużo interesującego nas prądu.  Można się domyśleć, że nas- operatorów BSP, nie interesuje dźwiganie baków ciężkiego paliwa czy też ważących kilogramy baterii.  Aby drony mogły zaistnieć na światowym niebie, musiała pojawić się bateria, która przy niskiej masie da dużo energii. Tu z pomocą przyszły właśnie ogniwa LiPo. Można powiedzieć, że gdyby ich nie było, to cywilne lotnictwo bezzałogowe wcale by się nie rozwinęło :) Podsumowując, baterie LiPo posiadają następujące cechy: 

 

1. Bardzo wysoka gęstość energetyczna (stosunek parametrów energetycznych akumulatora do jego masy) 

2. Duży prąd ładowania/ rozładowania (do tego wrócimy) 

3. Niski upływ energii w stanie spoczynku.

4. Wadą jest brak odporności na przekroczenie napięć minimalnych/maksymalnych zarówno podczas ładowania jak      i rozładowywania. 

5. Zauważalna tendencja do powstawania różnic napięć na poszczególnych celach do baterii po użyciu                          (rozładowaniu) akumulatora. 

 

TO MUSICIE ZAPAMIĘTAĆ! 

 

MAJĄC BEZPOŚREDNI KONTAKT Z AKUMULATORAMI POLIMEROWYMI, MUSIMY ZACHOWAĆ SZCZEGÓLNĄ OSTROŻNOŚĆ. USZKODZENIE MECHANICZNE LUB SPOWODOWANE PRZEZ ZWARCIA MOŻE DOPROWADZIĆ DO ZAPŁONU LUB NAWET WYBUCHU OGNIWA!!!

KAŻDY PILOT I OPERATOR BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO MUSI PRZESTRZEGAĆ SZCZEGÓLNIE OGRANICZEŃ MINIMALNYCH ORAZ MAKSYMALNYCH NAPIĘĆ, NIE TYLKO CAŁEGO PAKIETU, ALE RÓWNIEŻ POSZCZEGÓLNYCH CEL. 

 

Po co te wszystkie krzyki i pisanie Caps Lockiem ? Problem z ogniwami typu LiPo jest taki, że próby gaszenia go wodą są bezskuteczne. Takie ogniwo najlepiej byłoby zasypać piachem, ale o to trudno, gdy rzecz dzieje się w domu lub jadącym samochodzie.  Kiedyś do przewożenia pakietów stosowało się sejfy pancerne. Teraz jednak mamy inteligentne ładowarki i inteligentne baterie, które jak wszystko dobrze pójdzie,  "przeszkodzą" nam w popełnieniu błędu, wynikającego z zastosowania nieodpowiednich napięć. Użytkownicy DJI, czyli znakomita większość światowego rynku, do swoich statków powietrznych otrzymują dedykowane ładowarki, które podają taki prąd, jaki jest potrzebny.  Należy jednak pamiętać, że bateria LiPo to nie wylany "paluszek" w pilocie od TV. Tu sprawy mają się inaczej, gdyż konsekwencje nieumiejętnego postępowania lub utylizowania takich baterii mogą być przykre lub nawet tragiczne.

 

Popatrzcie na filmik z YT  

 

 

W jakich stanach może występować bateria LiPo? 

 

3.0 V - to minimalne bezpieczne napięcie rozładowywania (chwilowe) 

 

3.7 V- to napięcie nominalne, bezpieczne napięcie rozładowywania (długotrwałe)  

 

4.2 V - to napięcie maksymalne 

 

CELA - to pojedyńczy i niepodzielny płaski akumulator z wprowadzonymi blaszkami, w folii aluminiowej. Pakiet ogniw jest ze sobą połączony wyprowadzonymi kablami i dodatkowo zabezpieczony folią. Grube przewody wychodzące z baterii to przewody + oraz - . Przewody cienkie, zebrane w końcówkę (tzw balanser), służą do podłączenia pakietu do ładowarki w ten sposób, aby ta mogła kontrolować poziom napięcia na poszczególnych celach i poziomy te pod koniec ładowania wyrównać. 

 

 

ŁADOWANIE - to czynność, bez której nie obejdziemy się. Jeśli chcemy latać, musimy ładować. Innego wyjścia na razie nie ma ;) 

Pamiętajcie, że do ładowania LiPo ZAWSZE stosujemy wyłącznie ładowarki mikroprocesorowe i dedykowane do danego typu akumulatora. Jeśli postanowicie kupić sobie jedną ładowarkę do wszystkiego, musicie bezwzględnie pamiętać o ustawieniu odpowiednich parametrów ładowania oraz o wyborze odpowiedniego TYPU baterii w menu ładowarki. 

 

 

 

TRYBY ŁADOWANIA/ROZŁADOWYWANIA 

 

1. Ładowanie (charge)

2. Szybkie ładowanie (fast charge)

3. Balansowanie (balance) 

4. Rozładowywanie (Discharge)

4. Przechowywanie (Storage) 

 

PAMIĘTAJMY, ŻE ŁADUJEMY BATERIE MAKSYMALNIE PRĄDEM 1C. 

 

Rodzi się więc pytanie: jak w takim razie szybko i w prosty sposób dowiedzieć się jakim prądem naładować LiPo o pojemności  np 1000 MaH 3S ?

 

1000 MaH - to pojemność Baterii 

3S - to liczba cel w baterii 

 

Najprostszym sposobem jest ucięcie 3 zer z pojemności 1000 (rys) i przemnożenie tego przez liczbę cel :) 

 

Podsumowując: baterię 1000 MaH 3S będziemy ładować prądem 3A 

 

 

 

 

Testlo

 

FlyFilms.pl

+48 500 590 532 

pawel@flyfilms.pl

SZKOLENIA UAVO, ZDJĘCIA LOTNICZE,  MONTAŻ 4K

ZDJĘCIA LOTNICZE

SZKOLENIA

UAVO

Józefosław, Grzybowa 61