Проекты

Аэросани

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Машиностроение, транспорт» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1158
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В настоящее время активно разрабатываются новые виды транспорта, например, квадрокоптеры, конвертопланы и другие. В нашей полосе зимой выпадает много снега, и вопрос передвижения по снегу является очень актуальным. В связи с этим автор решил разработать прототип аэросаней, который сможет двигаться по льду и снегу с новым видом привода – реактивным. Основным заказчиком такой техники являются транспортные кампании, которые смогут доставлять продукты и вещи первой необходимости в труднодоступные регионы нашей страны. Аэросани заменят крайне дорогую и сложную доставку на вертолётах.

Цель

Создать модель аэросаней, которая приводится в действие двумя реактивными двигателями, расположенными по краям модели.

Задачи

  1. Создание прототипа аэросаней на радиоуправлении с использованием другой системы руления.
  2. Создание конструкции с использованием 3D-печати для облегчения веса.
  3. Изучение принципов работы реальных прототипов.
  4. Углублённое изучение программы системы трёхмерного твердотельного параметрического проектирования компании Autodesk Inventor.
  5. Изучение принципа управления тягой реактивного двигателя на примере самолёта, изучение принципа работы модельного двигателя импеллера в качестве замены реактивного двигателя.
  6. Изучение работы электронных датчиков положения – акселерометра, гироскопа. Механизмы управления тягой двигателей в зависимости от положения модели.
  7. Тестирование созданного прототипа в реальных условиях, изменение тактико-технических характеристик: максимальная скорость, манёвренность, управляемость.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Плата Arduino Nano
  • Набор деталей для электроники
  • Персональный компьютер с установленным ПО: Arduino IDE, Autodesk Inventor
  • 3D-принтер

Описание

Традиционно аэросани в качестве привода имеют один двигатель, который нагнетает воздух с помощью пропеллера. Механически с помощью руля положения поток воздуха отклоняется в нужную сторону. Этим достигается нужное направление движения аэросаней.

При таком методе управления сложно быстро реагировать на изменение положения аэросаней, особенно на льду. При увеличении скорости управляемость аэросаней усложняется. Все реальные прототипы достигают скорости не выше 60 км/ч.

Автор решил создать модель аэросаней, которая приводится в действие двумя реактивными двигателями, расположенными по краям модели. Направление при таком управлении легко менять, меняя скорость одного двигателя относительно другого.

Для модели прототипа принято решение использовать электрические импеллерные двигатели (как прототип реактивных). Такие двигатели более просты в управлении. Управление осуществляется с помощью блока управления датчиками регуляторов скорости. Питание модели осуществляется от аккумуляторов.

Для достижения высокой скорости движения необходима быстрая реакция на изменение положения аэросаней относительно курса движения. Для регистрирования данного изменения используются датчики акселерометр и гироскоп. Получая информацию этих датчиков, регуляторами скорости управляет микроконтроллер.

В модели используется приёмник радиоуправления. С пульта управления можно регулировать газ и направления движения (право/лево). Положение джойстика задаёт скорость вращения аэросаней в горизонтальной плоскости. Микроконтроллер, ориентируясь на гироскоп, управляет тягой каждого двигателя, заставляя сани поворачивать. Механизм управления очень похож на вращение квадрокоптера в горизонтальной плоскости. В центральном положении джойстика сани едут прямолинейно, любые возникающие отклонения от данного движения компенсируются изменением тяги нужного двигателя.

Вес модели – важная характеристика. Было принято решение использовать 3D-печать для создания прототипа. Модель разрабатывалась в среде Autodesk Inventor. Прототип модели имеет хорошие аэродинамические характеристики при движении по снегу и льду. Пластик является хорошо скользящим материалом.

Сани должны защищать электронику от воды и снега. Модель сделана герметично. Все элементы можно удобно установить в прототип модели.

При печати пришлось разбить модель на части: не влезала на столик принтера. Части были склеены и скреплены алюминиевым профилем.

Работа выполнена непосредственно автором, за исключением небольшой помощи в написании программы управления.

Результаты работы/выводы

Проведённая работа показала эффективность выбранного способа управления и его превосходство перед способом управления, применяемого в реальных моделях саней. Модель получилась успешной, и, что главное, почти выполняющей функции, планируемые изначально.  

Перспективы использования результатов работы

Модель ведёт себя при езде не совсем идеально и требует небольших доработок.

Мнение автора

«Проект «Инженерный класс в московской школе» открывает возможности развития каждого учащегося. Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» помогает освоить технологию представления и защиты проекта, позволяет познакомиться с новыми идеями, представленными в проектах участников конференции»