Блогер, відомий на YouTube як Hoarder Sam, продовжує свою, мабуть, найбожевільнішу інженерну авантюру — самостійно зібраний дрон для DARPA Lift Challenge. Це змагання, у якому апарат вагою до 55 фунтів (близько 25 кг) повинен піднімати щонайменше 110 фунтів вантажу (50 кг) і пролетіти з ним 5 миль. На папері звучить майже спортивно, але диявол ховається в деталях: траса всього 300 метрів завдовжки, тож дрону доведеться злітати, летіти вперед, розвертатися і повторювати цей цикл близько 30 разів поспіль.
Найбільший апарат, який автор будував раніше, важив лише 5 фунтів. Тепер мова йде про машину масою понад 150 фунтів у зборі — це вже зовсім інша вагова категорія, і кожне інженерне рішення доводиться переосмислювати з нуля.
Новий каркас замість “конструктора”Попередня версія рами була зібрана з алюмінієвого профілю 2020 — по суті, металевого конструктора, зручного для прототипування, але доволі громіздкого. Ситуацію змінило те, що компанія Crown Kirk Industrial, побачивши попереднє відео проєкту, самостійно запропонувала вирізати деталі за CAD-кресленнями автора.
Так з’явилася повноцінна рама з верхньою і нижньою пластинами та центральним алюмінієвим профілем 3030, який тепер несе основне навантаження від двигуна і вантажу.
Поки що це алюмінієвий тестовий варіант — фінальна рама буде з карбону.
Відмова від “вух”: чому дрон більше не керується заслінкамиОдин із найпомітніших поворотів у проєкті — відмова від керування напрямком за допомогою відхиляючих потік повітря “вух” (веінів) на користь звичних квадрокоптерних електромоторів на довгих карбонових балках. Основну тягу, як і раніше, дає двоактний бензиновий двигун, а електромотори тепер відповідають лише за крен і тангаж. Вийшов свого роду гібрид.
Причина зміни — не тільки складність конструкції, а й безпека тестування. Автор пояснює це через теорію моноконтерів (monocopter), звертаючи увагу на поширену помилку:
Поширена помилка вважати, що літальний апарат буде стабільнішим, якщо основна вага розміщена внизу — так, ніби це маятник. Але у літальних апаратів немає фіксованої точки опори, тому ця логіка тут не працює.
Навпаки, для моноконтерної схеми вигідніше, коли центр ваги знаходиться максимально вгорі,
а керуючі поверхні — внизу: тоді “важіль” між ними довший, і апарат легше контролювати. У початковому макеті вага і керуючі площини були практично на одному рівні, тобто такий важіль був би зовсім коротким і малоефективним.
- Щоб виправити це через веіни, довелося б ставити дрон на “ходулі”, а це — додаткова вага
- Автор хоче, щоб 110 фунтів корисного вантажу самі слугували своєрідним посадковим шасі
- Тестування веінів вимагає працюючого двигуна, а розкручений 55-дюймовий гвинт на 3000 обертів — це вже серйозний ризик навіть на стенді
Битва з двигуном: 30 фунтів характеруСерце дрона — двоактний 190-кубовий двигун для параметрів (param motor), який, за заявами виробника, здатний видавати понад 200 фунтів тяги. Проблема в тому, що виробники таких моторів орієнтуються на досвідчених пілотів параметрів, а не на новачків, тож інструкція виявилась вкрай мізерною.
Автору довелося буквально по крихтах збирати інформацію: з’ясувати,
що кріпильний гвинт у дросельному тросі — американський, хоча сам двигун французький; що карбюратор може працювати у будь-якому положенні (важлива річ, оскільки на дроні двигун лежить “на спині”, а не в звичній для параметрів орієнтації); і що офіційний трос газу коштує копійки на сайті виробника, тоді як фірмові ручки для параметрів продаються за 200 доларів практично нізащо.
Окрема історія — запуск двигуна. Виявилося, що стартовий акумулятор просто не тягнув по напрузі: тримали 3S, а насправді потрібен був як мінімум 4S (близько 16 В), і лише після цього мотор завівся з першої спроби.
Електроніка “мозку” дронаОсновою польотного контролера став SpeedyBee F45 V3 — модель не найновіша, зате з гіроскопом BMI 270, який автор вважає стійкішим до вібрацій за нові чіпи ICM. У стеку електроніки також є 12S плата розподілу живлення, окремі class-старомодні регулятори швидкості з PWM, і приймач ExpressLRS, переналаштований на видачу додаткових сервоканалів.
Через ці канали керується все найважливіше: дросельний сервопривід, реле для стартера двигуна (потребує окремого силового ланцюга через високий струм пускового мотора)
і, що особливо важливо, вимикач запалювання. Останній замикає магнето на землю через реле, і за замовчуванням, якщо щось піде не так — акумулятор відлетить чи відключиться — реле автоматично закорочує ланцюг і глушить двигун.
Протитяга гвинта: розрахунок проти реальностіОскільки повноцінний редуктор для протинаправлених гвинтів довелося б розробляти окремим проєктом, автор залишився з одним пропелером — а значить, потрібен спосіб компенсувати реактивний момент. За попередніми розрахунками вийшло близько 12 фунтів анти-обертального зусилля на відстані одного метра від центру.
Для перевірки автор з братом Семом зібрав стенд із двох листів ДСП на кшталт “ліниво-сюзанного” шарніра, довгу штангу з ваговим динамометром на кінці і буквально ловили момент рукою на аналоговій вазі (цифрова відмовлялась працювати стабільно). Реальний результат — близько 7 фунтів, менше за розрахунок, але автор пояснює це неповною потужністю двигуна під час тесту і тертям у шарнірі стенда.
Цікавий інженерний трюк: подвоївши плече важеля з 1 до 2 метрів, потрібну силу тяги вдалося скоротити вдвічі — до 6 фунтів.
Для цього автор використовує окремий хвостовий електромотор і контролер RotorFlight — форк Betaflight, розроблений спеціально під керування хвостовими роторами радіокерованих гелікоптерів.
Паливо і те, що попередуПаливна система складається з двох еластичних бакiв для турбореактивних моделей, кожен приблизно на галон пального. На цьому автор зупиняє серію оновлень — до самого змагання часу лишається обмаль, і всі години йдуть на тонке налаштування дрона в польоті.
У фіналі відео Hoarder Sam коротко пройшовся конкурентами:
- Team Mammoth Drones будує великий коаксіальний гелікоптер із власноруч виготовленими карбоновими лопатями — рішення без проблем із протитягою, хоча команда нещодавно розбила апарат
- Університетська команда представила електричний квадрокоптер із корпусом-крилом і вже здійснила успішний зліт
- Team Optera виділяється найбільш “відполірованим” з інженерної точки зору дизайном
- Drone Power Concepts готують біккоптер із двома великими маршовими моторами замість чотирьох дрібних
- Команда MIT Team Samra розробляє щось справді нове — обертовий параплан, у якому два легких парасейл-крила крутяться навколо центральної осі, замінюючи традиційні жорсткі лопаті
Запис Аматор будує 55-кілограмовий дрон на бензиновому двигуні: інженер-одинак кидає виклик мільйонним командам спершу з'явиться на ProstoMob.
