Проекты

Самолёт-квадрокоптер

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Машиностроение, транспорт» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Моделирование, Конструирование
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1515
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Мы решили спроектировать аппарат, который бы объединял достоинства как самолёта, так и вертолёта, т. е. мог быть способен зависать в воздухе и садиться на любую ровную площадку, но при этом и летать как самолёт, опираясь на крылья, и иметь большую скорость и длину полёта, в некоторых случаях просто планировать. Таких аппаратов в большой авиации в настоящее время нет.

Цель

Спроектировать с использованием современной 3D-графики и математически рассчитать основные лётные параметры летающей модели самолёта-квадрокоптера, а затем изготовить его путём распечатки на современном 3D-принтере отдельных комплектующих частей.

Дополнительная цель проекта состоит в освоении современной программируемой электроники, используемой в моделях квадрокоптеров, и оснащении ею летающей модели для придания ей всех необходимых лётных качеств.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Программа трёхмерного проектирования Solidworks 2015
  • 3D-принтер Tevo Tornado c большой областью печати 300x300x400 мм
  • PLA пластик
  • Ардуиноподобный микроконтроллер с WiFi – NodeMCU ESP8266
  • Среда для программирования Arduino IDE
  • Среда для программирования Delphi XE8
  • Бесколлекторные моторы EMAX2216
  • 3 аккумулятора Sony 3,7В, 3000ma, 30А max

Описание

Для осуществления цели и задач авторы изучили основы вертикального полёта вертолётного типа в режиме зависания и основы горизонтального полёта самолёта, опирающегося на подъёмную силу крыла. На основе школьного курса физики, а также опираясь на дополнительные сведения, почерпнутые в литературе и интернете, авторы вывели формулы мощности, необходимой для вертикального подъёма самолёта-квадрокоптера, а также формулы расчёта горизонтального полёта в режиме опоры на подъёмную силу крыла. Из расчётов авторы сделали вывод, что есть все основания создать новый тип летательного аппарата, сочетающего преимущества самолёта малой мощности в горизонтальном полёте, и квадрокоптера с возможностью зависания, взлёта и посадки в любом месте.

С помощью современной программы 3D-графики SolidWorks авторы спроектировали две модели – большую и малую – с учётом особенностей аэродинамики крыла и напечатали их на 3D-принтере. 

Непосредственно авторами выполнено проектирование моделей по частям в среде SolidWorks, создана виртуальная сборка в этой среде, а после печати на 3D-принтере из напечатанных деталей собраны модели. 

Также непосредственно авторами сделана программа управления моделью в программной среде Arduino IDE.

Результаты работы/выводы

Изготовлено две модели: большая и малая.

  • Малая модель весит порядка 130 граммов и поднимается в воздух четырьмя моторами суммарной мощностью 28 Ватт. Пятый мотор предназначен для горизонтального полёта. Управляется модель посредством http-протокола по локальной сети-WiFi c помощью микросхемы ESP8266, которая принимает get-запросы, посылаемые с компьютера или смартфона, и приводит в действие моторы с помощью ШИМ-модуляции на МОП-транзисторах.

 

  • Большая модель на бесколлекторных двигателях и мощных аккумуляторах весит 930 граммов и поднимается вверх четырьмя бесколлекторными моторами мощностью 100 Ватт каждый. Управляется аналогично  малой модели с поправкой на особенности управления  регуляторами бесколлекторных двигателей.
     

Перспективы использования результатов работы

На основе разработанных моделей могут быть созданы геодезические самолёты для точной картографии (ближайшая перспектива). Также могут быть созданы боевые управляемые дроны с целью предотвращения полётов БПЛА противника.

В будущем летательные аппараты, подобные спроектированным нами, могут быть использованы для малой авиации в транспортных и пассажирских целях в местностях, где нет специализированных аэродромов при перелётах на большие расстояния, превышающие таковые для вертолётов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИЦ «Курчатовский институт»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели – 2020» – победитель

Мнение автора

«Мы считаем свою работу чрезвычайно актуальной для возрождения малой российской авиации, которая в настоящий момент находится не в лучшем состоянии. Подобные аппараты позволят связать территории нашей огромной страны.

Проект «Инженерный класс в московской школе» является необходимым этапом подготовки школьников к будущей учёбе в институте и работе в высокотехнологическом комплексе нашей страны с целью восстановления научно-промышленного потенциала и импортозамещения.

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего», по мнению авторов, является чрезвычайно представительным форумом с тщательным предварительным (заочным) отбором проектов, где школьники старших классов могут сами продемонстрировать свои достижения в техническом творчестве и поучиться многому у других участников конференции.

Мы желаем, чтобы конференция проходила в следующие годы и собирала как можно больше участников со всей страны»