ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜA ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ Διπλωματική Εργασία Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Δημητρίου Π. Βερώνη Α.Μ. : Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα : Έλεγχος κατευθυνόμενης ώσης τουρμπίνας Επιβλέπων: Καθηγητής Κούσουλας Νικόλαος Πάτρα, Ιούλιος 2018

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Έλεγχος κατευθυνόμενης ώσης τουρμπίνας Του φοιτητή τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Δημητρίου Π. Βερώνη Α.Μ.: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο επιβλέπων: Ο Διευθυντής Τομέα: Καθηγητής Επίκουρος Καθηγητής Κούσουλας Νικόλαος Καζάκος Δημοσθένης

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα : Έλεγχος κατευθυνόμενης ώσης τουρμπίνας

5 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο την κατασκευή και μελέτη συστημάτων κατεύθυνσης της ώσης ενός συστήματος προώθησης και την εξέταση των δυνατοτήτων χρησιμοποίησής νέων μορφών κατευθυντήριων συστημάτων. Συγκεκριμένα θεωρώντας ότι μέχρι σήμερα τα κύρια συστήματα κατεύθυνσης των Μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων ( Unmanned Aerial Vehicles) είναι τα πτερύγια στα αεροπλάνα και οι πολλαπλοί έλικες στα ελικόπτερα (πχ quadrotor), μελετάται η δυνατότητα χρήσης κατευθυντήριων συστημάτων, με σκοπό τον χειρισμό της κατεύθυνσης της ώθησης του κινητήριου συστήματος που έχει ως αποτέλεσμα τον έλεγχο της κατεύθυνσης και της γωνιακής ταχύτητας ενός ΜΕΕΑ. Ως τουρμπίνα χρησιμοποιήθηκε ένα ducted fan, το οποίο αποτελείται από έναν έλικα ενσωματωμένο σε έναν κύλινδρο ο οποίος τροφοδοτείται από μία πολυμερή μπαταρία λιθίου. Για να μπορέσουμε να κατευθύνουμε την ώση τοποθετήθηκε ένα είδος στομίου ακριβώς στο σημείο που αποβάλλεται ο αέρας από την τουρμπίνα το οποίο κατευθύναμε με την βοήθεια ενός Κινητήρα με Ρύθμιση Γωνίας (ΚμΡΓ). Κατά την εργασία μελετήθηκε η αγορά του κατάλληλου εξοπλισμού αλλά και η κατασκευή μίας προσέγγισης ενός ΜΕΕΑ με σκοπό να υπάρχει δυνατότητα μετρήσεων ακριβείας με τα κατάλληλα δυναμόμετρα σε ένα εργαστηριακό περιβάλλον. Κατόπιν πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για διαφορετικές γωνίες και διαφορετικών τιμών της ώθησης της τουρμπίνας.

6 Ευχαριστίες Το τελευταίο κομμάτι των προπτυχιακών μου σπουδών ολοκληρώνεται με την παρουσίαση αυτής της διπλωματικής. Μία διπλωματική η οποία με κράτησε απασχολημένο για 1.5 χρόνο και όπως είναι αντιληπτό πολλά ήταν τα άτομα που πρόσφεραν την βοήθειά τους είτε με τις γνώσεις τους είτε με την ψυχολογική τους βοήθεια. Θα ήταν ανούσιο να αναφερθώ για τον καθένα από αυτούς ξεχωριστά αλλά νιώθω την ηθική υποχρέωση να τους αναφέρω στην παρούσα διπλωματική έστω ονομαστικά. Από τον καθηγητή που με ενέπνευσε να ασχοληθώ με την παρούσα διπλωματική ή όπως συνηθίζεται να λέμε «τον καθηγητή μου» κ. Τζε, την οικογένειά μου( Παρασκευά, Μαργαρίτα, Χαριτωμένη και Χαριτωμένη/γιαγιά), τους μεταπτυχιακούς φίλους ( Νίκο, Γιάννη, Κωστή, Βασιλική, Ράνια, Άντη ), τους συμφοιτητές μου ( Άρτεμις, Χρήστο, Ανδρέα, Γιάννη, Χρήστο, Μανιός, Διονύσης, Νίκο, Αργύρη, Κώστας, Βασίλης ) τους παιδικούς μου φίλους (Γιώργο, Χρήστο, Βασίλη, Ηλία, Νίκη, Αλέκα, Στέλλα), τους πατρινούς μου φίλους (Αλεξία, Βασίλη, Χρήστο, Αφροδίτη, Αργυρώ, Χάρης,Γιάννης, Γιάννης, Άχμετ, Μιχάλης, Κατερίνα, Μιχάλης, Στράτος, Βαλίνα, Ελισάβετ) αλλά και τους υπόλοιπους φίλους (Αγγελική, Έλενα, Έλλη, Μαριλένα, Επαμεινώνδας, Απόστολος, Δημήτρης ). Όλοι τους με ακούγανε να γκρινιάζω σχεδόν σε όλη την διάρκεια της διπλωματικής και όλοι τους με τον τρόπο τους με βοήθησαν να την ολοκληρώσω. Χωρίς να διαμαρτυρηθούν άκουγαν επί ώρες την εξέλιξη της εργασίας (ακόμα και αν δεν είχαν ιδέα για ποιο πράγμα μιλούσα ) και όλοι τους με αντιμετώπιζαν με ένα μεγάλο χαμόγελό το οποίο υπήρξε καταλυτικός παράγοντας για την ψυχολογία μου. Νιώθω ιδιαίτερα τυχερός και ευγνώμων που λαμβάνω ανιδιοτελή αγάπη και χαρά από τα παραπάνω άτομα και θα ήθελα με όλη μου την ευγνωμοσύνη να τους αφιερώσω την δουλεία μου.

7 Περιεχόμενα 1.Εισαγωγή Μη επανδρωμένα αεροσκάφη Ιστορική αναδρομή Εξέλιξη στους Σύγχρονους Πολέμους Είδη ιπτάμενων οχημάτων Δομή της διπλωματικής Συστήματα προώθησης και κατεύθυνσης ΜΕΕΑ Συστήματα προώθησης Ηλεκτρικά συστήματα προώθησης Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος Κινητήρες συνεχούς ρεύματος τύπου Coreless Κινητήρες συνεχούς ρεύματος τύπου Brushless Brushless κινητήρες τύπου Outrunner Ηλεκτρικό κύκλωμα οδήγησης Brushless Η/Κ Μαθηματικό μοντέλο Brushless Η/Κ Εμπορικά διαθέσιμοι Brushless Η/Κ και ESC Έλικες Ducted fan Στροβιλοκινητήρες Συστήματα κατεύθυνσης Συστήματα κατεύθυνσης αεροπλάνων Συστήματα κατεύθυνσης ελικοπτέρων Συστήματα κατεύθυνσης quadrotor Συστήματα κατευθυνόμενης ώσης Κατασκευή συστήματος κατευθυνόμενης ώσης Εξαρτήματα κατασκευής Δημιουργία πειραματικής διάταξης κατευθυνόμενης ώσης Εύρεση κέντρου βάρους κατασκευής... 59

8 3.2.2 Κατασκευή βάσης πειραματικής διάταξης Σύνδεση και Προγραμματισμός Σύνδεση και προγραμματισμός ESC Σύνδεση LiPo Μπαταρίας Σύνδεση ΚμΡΓ και δυναμόμετρου Πειράματα και Μετρήσεις Μέτρηση δύναμης με σταθερό ρεύμα και γωνία ακροφύσιου Μέτρηση δύναμης με σταθερό αριθμό στροφών και μεταβαλλόμενη γωνία ακροφυσίου Μέτρηση δύναμης με σταθερή γωνία ακροφυσίου και μεταβαλλόμενο αριθμό στροφών Συμπεράσματα και Προτάσεις για Μελλοντική Έρευνα Βιβλιογραφία... 86

9 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1.1 Είδη Ιπτάμενων Οχημάτων Σχήμα 2.1 Διάταξη Coreless DC κινητήρα Σχήμα 2.2 Brushless Η/K Outrunner Σχήμα 2.3 Brushless Η/Κ τύπου Inrunner Σχήμα 2.4 Τιμές Brushless ηλεκτροκινητήρα ( αισθητήρες Hall, ΗΕΔ, ρεύματα στις 3 φάσεις, ροπή εξόδου) Σχήμα 2.5 Κατεύθυνση φασικών ρευμάτων σύμφωνα με το σχήμα Σχήμα 2.6 Επιμέρους στοιχεία ESC και η συνδεσμολογία τους Σχήμα 2.7 Brushless ESC εμπορίου εταιρείας YEP (Hobbyking) Πίνακας 1 Brushless H/K εμπορίου και τα βασικά τους χαρακτηριστικά Πίνακας 2 ESC εμπορίου και τα βασικά χαρακτηριστικά τους Σχήμα 2.8 Έλικες διαφόρων αριθμού πτερυγίων Σχήμα 2.9 Ducted Fan Σχήμα 2.10 Ducted Fan και τα επιμέρους του στοιχεία Σχήμα 2.11 Ροή αέρα σε Ducted Fan Σχήμα 2.12 Δυνατότητες Ducted Fan ΜΕΕΑ και Quad-rotor ΜΕΕΑ Σχήμα 2.13 Βασικά στοιχεία ενός στροβιλοκινητήρα Σχήμα 2.14 Άξονες κίνησης αεροσκάφους Σχήμα 2.15 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Aileron Σχήμα 2.16 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Elevator Σχήμα 2.17 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Rudder Σχήμα 2.18 Βασικό στροφείο και στροφείο ουράς Σχήμα 2.19 Περιστροφή και ροπή κάθε έλικας Σχήμα 2.20 Ανύψωση (αριστερά),ανθωρολογιακή περιστροφή (μέση) και ωρολογιακή περιστροφή Σχήμα 2.21 Πλάγια κίνηση ελικοπτέρου Σχήμα 2.22 Τεχνική Κατευθυνόμενης ώσης που εφαρμόζεται στο αεροσκάφος F Πίνακας 3 Είδη συστημάτων κατευθυνόμενης ώσης Σχήμα 2.23 Απλή γραφική αναπαράσταση 8 διαφορετικών συστημάτων κατευθυνόμενης ώσης Σχήμα 2.24 Απεικόνιση ροπής κατευθυνόμενης ώσης Σχήμα 3.1 Ducted Fan πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.2 ESC πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.3 Συνδεσμολογία μπαταρίας LiPo 6 στοιχείων Σχήμα 3.4 Μπαταρία τύπου LiPo πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.5 Φορτιστής LiPo μπαταρίας Σχήμα 3.6 Thrust Vectoring Στόμιο πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.7 ΚμΡΓ κινητήρας πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.8 Δυναμόμετρο Σχήμα 3.9 Ενσωμάτωση ακροφύσιου στον Η/Κ Σχήμα 3.10 Εξωτερικό περίβλημα... 59

10 Σχήμα 3.11 Κατασκευή με ενσωματωμένα ΚμΡΓ Σχήμα 3.12 Ακροφύσιο (αριστερά)και σώμα κατασκευής (δεξιά) σχεδιασμένα στο Solidworks Σχήμα 3.13 Συνολική κατασκευή σχεδιασμένη στο Solidworks Σχήμα 3.14 Υπολογισμός κέντρου βάρους κατασκευής Σχήμα 3.15 Κατασκευή πειραματικής διάταξης προσαρμοσμένη στη βάση όπως σχεδιάστηκε στο Solidworks Σχήμα 3.16 Κατασκευή πειραματικής διάταξης προσαρμοσμένη στη βάση Σχήμα 3.17 Ρουλεμάν κατασκευής πειραματικής διάταξης Σχήμα 3.18 Υπολογισμός θέσης δυναμόμετρου Σχήμα 4.1 Συνδεσμολογία ESC, H/K και μπαταρίας Σχήμα 4.2 XT60 θύρα Σχήμα 4.3 Διαιρέτης τάσης LiPo μπαταρίας Σχήμα 4.4 Διάταξη διαιρέτη τάσης Σχήμα 4.5 PhidgetAdvancedServo 8-Motor Σχήμα 4.6 PhidgetBridge συνδεδεμένο στο δυναμόμετρο Σχήμα 5.1 Ακροφύσιο Κατασκευής Σχήμα 5.2 Γράφημα Δύναμης Κατευθυνόμενης Ώσης Διάγραμμα Σχήμα 5.3 Πειραματική μεταβατική απόκριση πλάγιας ώσης για γωνία ESC 90 ο Σχήμα 5.4 Πειραματική μεταβατική απόκριση πλάγιας ώσης για γωνία ESC 110 ο Σχήμα 5.5 Πειραματική μεταβατική απόκριση πλάγιας ώσης για γωνία ESC 130 ο Σχήμα 5.6 Διάγραμμα πλάγιας ώσης για διαφορετικές γωνίες ακροφύσιου και ESC 110 ο Σχήμα 5.7 Διάγραμμα φορτίου για γωνίες σήματος ESC 90 ο, 120 ο, 80 ο και 150 ο και γωνία ακροφυσίου 22 ο Σχήμα 5.8 Διάγραμμα πλάγιας ώσης για γωνίες σήματος ESC από 40 ο έως 140 ο και γωνία ακροφυσίου 22 ο... 84

11 Ε ι σ α γ ω γ ή 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή

12 Ε ι σ α γ ω γ ή 12 1.Εισαγωγή 1.1 Μη επανδρωμένα αεροσκάφη Ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος (unmanned aerial vehicle -ΜΕΕΑ) ελέγχεται και οδηγείται είτε από ενσωματωμένα σε αυτό συστήματα ελέγχου και πλοήγησης, είτε από κάποιον επίγειο σταθμό. Τα δύο κύρια είδη μη επανδρωμένων αεροσκαφών είναι αυτά με σταθερές πτέρυγες, όπως τα αεροπλάνα, και με ελικοφόρα, όπως τα ελικόπτερα. Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη μέχρι πριν λίγα χρόνια είχαν χρησιμοποιηθεί μόνο για στρατιωτικές και πολεμικές εφαρμογές. Πλέον η χρήση τους είναι ευρεία και καθημερινή. Χρησιμοποιούνται επίσης για αποστολές επικίνδυνες για έναν άνθρωπο όπως η επιτήρηση εγκλημάτων, η παρακολούθηση μιας πυρκαγιάς που βρίσκεται σε εξέλιξη ή ακόμα και για την πυρόσβεση της. Στις μέρες μας τέτοια αεροσκάφη είναι και στη διάθεση του ευρύ κοινού για ψυχαγωγικούς σκοπούς όπως η εναέρια φωτογράφηση ή βιντεοσκόπηση μιας εκδήλωσης. 1.2 Ιστορική αναδρομή Από την αρχαιότητα ο άνθρωπος οραματίστηκε να γίνει βασιλιάς των αιθέρων. Μεταξύ άλλων, ο Δαίδαλος και ο Ίκαρος, ο Βελλεροφόντης πάνω στο φτερωτό του άλογο, είναι μερικοί από τους μύθους που πλάστηκαν για να εκφράσουν την επιθυμία αυτή. Το 1490 ο Leonardo Da Vinci δημιούργησε την ελικοειδή αεροβίδα. Οι Γάλλοι Αδερφοί Μονγκολφιέ κατασκεύασαν το πρώτο αερόστατο που μπορούσε να μεταφέρει ανθρώπους με την πρώτη ελεύθερη πτήση να γίνεται το Ο Ponton d'amécourt ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε την λέξη «ελικόπτερο» το Η λέξη προήλθε από δύο ελληνικές λέξεις, την Έλιξ και το Πτερόν, δηλαδή βίδα και φτερό. Οι αδελφοί Ράιτ, Όρβιλ και Γουίλμπουρ το 1903 κατασκεύασαν το πρώτο επιτυχημένο αεροπλάνο στον κόσμο, το δίπλανο Φλάιερ,εισάγοντας για πρώτη φορά τα πτερύγια κλίσης, με το οποίο κατάφεραν να πραγματοποιήσουν την πρώτη ελεγχόμενη, μηχανικά προωθούμενη και βαρύτερη από τον αέρα πτήση. Με το διπλάνο τους κατάφεραν να διασχίσουν μια απόσταση 260 μέτρων. Λίγα χρόνια αργότερα, ο Dr Cooper και ο Elmer Sperry εφηύραν έναν αυτόματο γυροσκοπικό σταθεροποιητή έτσι ώστε τα αεροσκάφη να πετάνε επίπεδα. Αυτό το γυροσκόπιο χρησιμοποιήθηκε και για το πρώτο τηλεκατευθυνόμενο αεροσκάφος. Το πρώτο μη επανδρωμένο όχημα ήταν ένα ατμοκίνητο μοντέλο το οποίο μπορούσε να πετάξει για λιγότερο από 20 δευτερόλεπτα μέχρι τα 12 μέτρα κατασκευασμένο από τον Forlanini το Η αστάθειά του όμως αλλά και η μη δυνατότητα πηδαλιούχησής του δεν έδωσαν συνέχεια στα όνειρά του. Όπως είναι γνωστό, η αιτία για πολλές τεχνολογικές ανακαλύψεις είναι οι πόλεμοι. Έτσι και με τα

13 Ε ι σ α γ ω γ ή 13 μη επανδρωμένα οχήματα, οι δύο Παγκόσμιοι Πόλεμοι ήταν ζωτικής σημασίας για την εξέλιξή τους. Οι πρώτες δοκιμές έγινες από τις ΗΠΑ κατά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, ωστόσο δεν χρησιμοποιήθηκαν ποτέ στις μάχες. Σε αντίθεση κατά την διάρκεια του Β Παγκοσμίου πολέμου η Γερμανία τα χρησιμοποίησε εκτενώς σε πολεμικές επιχειρήσεις και παράλληλα εξέλιξε τις δυνατότητες αυτών των αεροσκαφών. Ακόμα και μετά το πέρας του Β Παγκοσμίου Πολέμου, η κύρια αιτία να εξελιχθούν τεχνολογικά ως προς τον έλεγχο και την κατασκευή τους τα μη επανδρωμένα οχήματα, ήταν οι στρατιωτικές εφαρμογές. Μετέπειτα η τεχνολογική πρόοδος στον τομέα της ηλεκτρονικής αλλά και των ηλεκτρικών κινητήρων βοήθησε τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη να αξιοποιηθούν και σε μη στρατιωτικές εφαρμογές. Πλέον με ελάχιστες γνώσεις ο καθένας μπορεί να κατασκευάσει ένα μη επανδρωμένο όχημα με τη χρήση οικονομικών πλατφόρμων ανοιχτού κώδικα για τον έλεγχο ενός ΜΕΕΑ. 1.3 Εξέλιξη στους Σύγχρονους Πολέμους Όπως προαναφέρθηκε οι δύο Παγκόσμιοι Πόλεμοι ήταν καταλυτικοί στην εξέλιξη των μη επανδρωμένων οχημάτων. Όσων αφορά τις Η.Π.Α., τα μη επανδρωμένα οχήματα χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για την παρακολούθηση της ανάπτυξης βαλλιστικών πυραύλων από την Ε.Σ.Σ.Δ. Μεγάλη έμφαση δόθηκε επίσης στην κατασκευή μη επανδρωμένων οχημάτων μέσω του ερευνητικού προγράμματος Red Wagon με το μη επανδρωμένο όχημα The Model 136 ( ), το οποίο διέθετε μεγάλα ευθύγραμμα φτερά για πτήσεις μεγάλου υψομέτρου και έναν κινητήρα στο πίσω μέρος της ατράκτου με σκοπό να το καθιστά δύσκολα ανιχνεύσιμο από τα ραντάρ. Αιτία του προγράμματος αυτού ήταν η προγενέστερη κατάρριψη επανδρωμένων αναγνωριστικών αεροσκαφών. Η χρησιμότητα των αεροσκαφών ρομπότ για αναγνώριση παρουσιάστηκε στο Βιετνάμ. Εκείνη την περίοδο έγιναν τα πρώτα βήματα για τη χρήση των μη επανδρωμένων αεροσκαφών σε ενεργό πεδίο μάχης αλλά κάτι τέτοιο δεν έγινε μέχρι την δεκαετία του Αρχικά τα μη επανδρωμένα οχήματα εκτοξευόταν από αεροσκάφη και δεν διέθεταν σύστημα προσγείωσης και για αυτό τον λόγο προσγειωνόντουσαν με τη χρήση αλεξίπτωτων ή με την λεγόμενη προσγείωση ολίσθησης. Πλέον για τον στρατό των Η.Π.Α. τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη είναι ζωτικής σημασίας για πληροφορίες σημάτων αλλά και για τα συστήματα ηλεκτρονικών αντιμέτρων με τη σημαντική ικανότητα να μπορούν να ελέγχουν και να διαμοιράζονται δεδομένα σε συνδέσεις δεδομένων μεγάλου εύρους σε πραγματικό χρόνο.

14 Ε ι σ α γ ω γ ή Είδη ιπτάμενων οχημάτων Σχήμα 1.1 Είδη Ιπτάμενων Οχημάτων Όπως παρατηρούμε από το Σχήμα 1.1 ( τα ιπτάμενα οχήματα κατηγοριοποιούνται αρχικά βάση την αρχή πτήσης : Στα ελαφρύτερα από τον αέρα και, στα βαρύτερα από τον αέρα. Στη συνέχεια η κατηγοριοποίησή τους γίνεται βάση του συστήματος προώθησης οπότε κατηγοριοποιούνται σε Power driven και σε Non-powered-driven. Άλλη μια κατηγοριοποίηση αφορά τον τρόπο προσγείωσης και απογείωσης των αεροσκαφών. Έτσι, έχουμε τα αεροσκάφη καθέτου απογείωσης και προσγείωσης (VTOL) τα αεροσκάφη βραχείας απογείωσης και προσγείωσης κοκ. Από τις παραπάνω κατηγορίες διαπιστώνουμε την υπεροχή των οχημάτων με ικανότητα κάθετης απογείωσης και προσγείωσης αφού έχουν την ικανότητα της κάθετης και σταθερής πτήσης με χαμηλές βέβαια ταχύτητες.

15 Ε ι σ α γ ω γ ή Δομή της διπλωματικής Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάστηκε μία σύντομη ιστορική αναδρομή που αφορά τα μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα και την εξέλιξή τους. Στο 2 ο Κεφάλαιο περιγράφονται και εξετάζονται τα υπάρχοντα συστήματα προώθησης ΜΕΕΑ, δηλαδή οι dc-κινητήρες/έλικες, οι επιμέρους τύποι dc-κινητήρων/έλικων και οι δυνάμεις που παράγουν. Επίσης εξετάζονται και τα συστήματα κατεύθυνσης των ΜΕΕΑ και τέλος αναφέρονται όλες οι μέθοδοι κατευθυνόμενης ώσης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται αναλυτικά η κατασκευή ενός συστήματος με δυνατότητα κατευθυνόμενης ώσης καθώς και τα επιμέρους στοιχεία της. Στο 4 ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος σύνδεσης των επιμέρους στοιχείων της κατασκευής αλλά και ο προγραμματισμός του ηλεκτροκινητήρα με σκοπό την εξαγωγή των μετρήσεων. Στο 5 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα διαγράμματα απόκρισης της πλάγιας ώσης σε συνάρτηση με τη γωνία του ακροφύσιου αλλά και σε συνάρτηση με τις στροφές ανά λεπτό του ηλεκτροκινητήρα. Τέλος από όλα τα πειράματα που διεξήχθησαν προκύπτουν ενδιαφέροντα συμπεράσματα που παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 6.

16 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Συστήματα προώθησης και κατεύθυνσης ΜΕΕΑ

17 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α Συστήματα προώθησης και κατεύθυνσης ΜΕΕΑ 2.1 Συστήματα προώθησης Ηλεκτρικά συστήματα προώθησης Ανεξαρτήτου μεγέθους, όλα τα ιπτάμενα οχήματα φέρουν κατά κόρων 2 είδη κινητήρων: τους ηλεκτροκινητήρες και τους στροβιλοκινητήρες. Τα πολιτικά αεροσκάφη στις μέρες μας χρησιμοποιούν αποκλειστικά στροβιλοκινητήρες. Ο σημαντικότερος λόγος για τον οποίο οι ηλεκτροκινητήρες δεν έχουν χρησιμοποιηθεί στα πολιτικά αεροσκάφη είναι η χαμηλή πυκνότητα ισχύος των περισσότερων ηλεκτρικών μέσων προώθησης. Σύμφωνα με την τρέχουσα τεχνολογική πρόοδο των υπεραγώγιμων κινητήρων εκτιμάται ότι σύντομα η πυκνότητα ισχύος των ηλεκτροκινητήρων θα προσεγγίσει αυτή των στροβιλοκινητήρων και τελικά οι πρώτοι θα τους αντικαταστήσουν. Όσων αφορά τα ΜΕΕΑ αλλά και γενικότερα τα μικρά αεροσκάφη, οι ηλεκτροκινητήρες είναι το βασικό και πιο διαδεδομένο μέσω πρόωσης ακριβώς για τον λόγο του ότι διαθέτουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος, κάτι απαραίτητο για τέτοιου είδους οχήματα. Παρακάτω θα αναλυθούν οι πιο γνωστοί μέθοδοι ηλεκτροκινητήρων αλλά και ο τρόπος λειτουργίας τους Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος Στα ιπτάμενα οχήματα, οι ηλεκτροκινητήρες λαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια από μπαταρίες και την μετατρέπουν σε κινητική για να λειτουργήσει ως προωθητική δύναμη μέσω της οποιαδήποτε έλικας το όχημα διαθέτει. Στα μη επανδρωμένα οχήματα, από τη στιγμή που η πηγή ενέργειας τους είναι οι μπαταρίες, όλοι οι ηλεκτροκινητήρες είναι συνεχούς ρεύματος, αφού μόνο συνεχές ρεύμα μπορεί μία μπαταρία να δώσει. Ένας ηλεκτροκινητήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική με τη χρήση μαγνητών και αγωγών οι οποίοι αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Τα βασικά μέρη των ηλεκτροκινητήρων είναι ο δρομέας (rotor), o στάτορας (stator), οι ψήκτρες (brushes) και ο συλλέκτης (commutator). Μέσω των ψηκτρών, το ρεύμα παρέχεται στον συλλέκτη για να σχηματίσει ένα κύκλωμα μεταξύ της ηλεκτρικής πηγής και τον οπλισμό των περιελίξεων πηνίου του κινητήρα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ένας ηλεκτρομαγνήτης ο οποίος λειτουργεί ως ρότορας. Ο στάτορας είναι το κέλυφος του κινητήρα και είναι επενδυμένο με μόνιμους μαγνήτες αντίθετης πολικότητας. Ως αποτέλεσμα της έλξης και της άπωσης του ηλεκτρομαγνητικού πηνίου με τους μόνιμους μαγνήτες, ο οπλισμός περιστρέφεται. Καθώς ο οπλισμός περιστρέφεται, ο συλλέκτης αντιστρέφει την πολικότητα του ηλεκτρομαγνήτη και ο οπλισμός συνεχίζει να περιστρέφεται. Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος εφαρμόζονται κατά κύριο λόγο σε φθηνότερες κατασκευές και για να παρέχουν την απαραίτητη ροπή στον έλικα, χρησιμοποιούν κατάλληλα γρανάζια.

18 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 18 Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό όμως ενός συστήματος πρόωσης είναι ο λόγος Ισχύος (W) / Μονάδα Βάρους ( kg ). Στην περίπτωσή μας, οι ηλεκτροκινητήρες, είναι σημαντικό να έχουν την μικρότερη δυνατή μάζα με τη μεγαλύτερη δυνατή παραγόμενη ισχύ. Η προσπάθεια συνεχής βελτίωσης του παραπάνω λόγου έχει εξελίξει ιδιαίτερα τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος και αυτή η εξέλιξη μας έχει οδηγήσει σε DC κινητήρες νέας γενιάς όπου ο λόγος αυτός είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τα κλασσικά μοντέλα DC κινητήρων. Τέτοιοι κινητήρες είναι οι Brushless DC (BLDC) και οι Coreless DC (CLDC ) που θα μας απασχολήσουν και στην συγκεκριμένοι διπλωματική. Μοντελοποίηση DC κινητήρα Ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος περιγράφεται από το παρακάτω σύστημα εξισώσεων: L di dt = u R moti k e ω m (2.1) J m dω m dt = τ m τ d (2.2) Όπου η πρώτη εξίσωση αφορά τα ηλεκτρικά μεγέθη του κινητήρα και η δεύτερη τα μηχανικά. Στις παραπάνω εξισώσεις έχουμε : u i Rmot L ω m J m τ m τ d k e k m Τάση εισόδου κινητήρα Ρεύμα που διαρρέει τον κινητήρα Ωμική αντίσταση τυλιγμάτων Επαγωγική αντίσταση τυλιγμάτων Γωνιακή ταχύτητα κινητήρα Ροπή αδράνειας του δρομέα Ηλεκτρομαγνητική ροπή Ροπή φορτίου Σταθερά ταχύτητας κινητήρα Σταθερά ροπής κινητήρα Η ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγει ο κινητήρας είναι, ως γνωστόν, ανάλογη του ρεύματος και δίνεται από τον τύπο : τ m = k m i (2.3) Κάνοντας την παραδοχή ότι η επαγωγή του κινητήρα είναι μηδενική ή αμελητέα (σε μικρούς κινητήρες μπορεί να εφαρμοστεί) από τις παραπάνω εξισώσεις παίρνουμε: τ m = k m R mot u k ek m R mot ω m (2.4) Επίσης αν υποθέσουμε ότι k e =k m το οποίο προσεγγίζει αρκετά καλά μικρούς κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος, παίρνουμε τη σχέση: J m dω = k 2 m ω dt R m τ d + k m u (2.5) mot R mot

19 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 19 Στην περίπτωση μας το φορτίο του κινητήρα είναι η έλικας και σε αυτήν εφαρμόζεται η ροπή αντίστασης. Έτσι έχουμε : τ d = dω pr ηr (2.6) Όπου ωpr η ταχύτητα της έλικας η οποία διαφέρει από αυτή του έλικα καθώς συνήθως υπάρχει η παρεμβολή διαφόρων γραναζιών, και η ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, r ο λόγος μεταδόσεως και τέλος d ο συντελεστής αντίστασης που υπολογίζεται στη συνέχεια. Ο λόγος μετάδοσης των γραναζιών ορίζεται ως : Και αντικαθιστώντας παίρνουμε : r = ω m ω pr (2.7) τ d = d ηr 3 ω m 2 (2.8) Μέσω του λόγου μεταδόσεως η ροπή αδράνειας Jpr μετατρέπεται σε Jpr >m. Εναλλακτικά μπορούμε να πούμε ότι η Jpr >m είναι η ροπή αδράνειας της έλικας όπως αυτή φαίνεται από τον κινητήρα και καταλήγουμε στο : J pr ω 2 pr = η J pr m ω 2 (2.9) Πλέον μπορούμε να γράψουμε την ολική ροπή αδράνειας Jt : J t = J pr ηr 2 + J m (2.10) Και πλέον η εξίσωση ροπής αδράνειας του δρομέα (Jm) γράφεται (αντικαθιστώντας το Jm με Jt για να συμπεριλάβουμε και το φορτίο): + J ηr m) ω = k 2 m ω 2 R m d ω mot ηr 3 m 2 + k m u (2.11) R mot ( J pr Διαιρώντας τα δύο μέλη της εξίσωσης με Jt και θέτοντας 1 τ = k m 2 εξίσωση γίνεται : ω = 1 τ ω m d ω 2 ηr 3 J m + 1 u (2.12) t k m τ R mot J t η τελευταία H παραπάνω σχέση είναι μία μη-γραμμική εξίσωση που περιγράφει έναν κινητήρα ΣΡ αμελητέας επαγωγής L Κινητήρες συνεχούς ρεύματος τύπου Coreless Στην ουσία, οι Coreless κινητήρες είναι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη διαφορά ότι στον δρομέα δεν υπάρχει πυρήνας σιδήρου. Αυτό εξασφαλίζει στον κινητήρα μειωμένη ροπή αδράνειας στον δρομέα το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα την μεγαλύτερη επιτάχυνση του κινητήρα. Μέσω αυτής της διάταξης μπορούμε να πετύχουμε την κατασκευή κινητήρων πολύ μικρού μεγέθους της τάξης

20 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 20 των χιλιοστών. Η διάταξη ενός τέτοιου κινητήρα παρουσιάζεται αναλυτικά και στο Σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1 Διάταξη Coreless DC κινητήρα Κινητήρες συνεχούς ρεύματος τύπου Brushless Όπως προαναφέρθηκε, ο λόγος Ισχύος / Μονάδα Βάρους αποτελεί ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά ενός ηλεκτροκινητήρα. Η ανάγκη βελτίωσης του λόγου αυτού οδήγησε στην κατασκευή κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, οι οποίοι καλύπτουν όλες τις ανάγκες ενός συστήματος πρόωσης και ταυτόχρονα έχουν καλύτερο λόγο Ισχύος / Μονάδα Βάρους από τους συμβατικούς DC κινητήρες. Αυτοί οι κινητήρες ονομάστηκαν Brushless DC και όπως προδίδει και το όνομά τους, δεν διαθέτουν ψήκτρες. Επίσης αυτοί οι κινητήρες δεν χρησιμοποιούν γρανάζια αφού ελέγχονται από ανεξάρτητο ηλεκτρικό κύκλωμα που ονομάζεται ESC (electronic speed controller) το οποίο θα αναλυθεί παρακάτω. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι οι Brushless DC είναι σύγχρονοι τριφασικοί κινητήρες μόνιμου μαγνήτη. Για την ακρίβεια είναι μια αντιστροφή των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη. Στην περίπτωση των Brushless DC το μαγνητικό πεδίο παράγεται από τον δρομέα και ο στάτορας φέρει τα τυλίγματα. Επίσης αντί για ψήκτρες και συλλέκτη χρησιμοποιεί ένα ανεξάρτητο ηλεκτρικό κύκλωμα (ESC) το οποίο αναγνωρίζει τη συγκεκριμένη θέση του δρομέα και ρυθμίζει την παροχή ρεύματος στα τυλίγματα του στάτορα με αποτέλεσμα να δημιουργείται το επιθυμητό περιστρεφόμενο

21 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 21 μαγνητικό πεδίο. Στην ουσία το κύκλωμα αυτό μετατρέπει το συνεχές ρεύμα μιας μπαταρίας σε τριφασικό εναλλασσόμενο το οποίο οδηγείται στον ηλεκτροκινητήρα. Αυτός είναι και ο λόγος που αυτοί οι κινητήρες έχουν τρεις ακροδέκτες. Η απουσία ψηκτρών δίνει σημαντικά πλεονεκτήματα στους Brushless DC σε σχέση με τους συμβατικούς ηλεκτροκινητήρες. Κάποια από αυτά είναι τα εξής: Υψηλές ταχύτητες Υψηλή απόδοση Υψηλή δυναμική απόκριση Υψηλή πυκνότητα ισχύος Καλύτερη χαρακτηριστική ταχύτητας-ροπής Χαμηλότερα επίπεδα θορύβου Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Στα ιπτάμενα οχήματα το βάρος είναι ένας κρίσιμος παράγοντας, έτσι η υψηλή πυκνότητα ισχύος αλλά και ο υψηλός λόγος Ροπής / Μέγεθος Κινητήρα, κατέστησαν τους Brushless DC κινητήρες ιδανικούς στις εφαρμογές αυτές. Το παραπάνω είναι αποτέλεσμα του μικρού μεγέθους και βάρους των κινητήρων αυτών, την υψηλή πυκνότητα ροής που διαθέτουν αλλά και των υλικών από τα οποία αποτελείται ο μόνιμος μαγνήτης του ρότορα ( νεοδύμιο, σίδηρο, βόριο ). Τα κύρια μειονεκτήματα των Brushless DC κινητήρων είναι ότι η μετατροπή ισχύος εκτελείται σε ξεχωριστό κύκλωμα το οποίο για να χειριστεί απαιτούνται πολύπλοκες ηλεκτρονικές εντολές αλλά και το κόστος το οποίο αυξάνεται αφού σε αυτό περιλαμβάνεται και ο μετατροπέας. Οι Brushless ηλεκτροκινητήρες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Στους Outrunner στους οποίους ο δρομέας που φέρει τους μόνιμους μαγνήτες είναι το κέλυφος ενώ ο στάτης που φέρει τα τυλίγματα είναι σταθερά τοποθετημένος στο εσωτερικό του ηλεκτροκινητήρα (βλ. Σχήμα 2.2, ) και στους inrunner στους οποίους ο δρομέας που φέρει του μόνιμους μαγνήτες είναι στο εσωτερικό του ηλεκτροκινητήρα και ο στάτης που φέρει τα τυλίγματα είναι το κέλυφος του (βλ. Σχήμα 2.3, ).

22 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 22 Σχήμα 2.2 Brushless Η/K Outrunner Σχήμα 2.3 Brushless Η/Κ τύπου Inrunner Ακόμα μία διαφοροποίηση των Brushless ηλεκτροκινητήρων αφορά τη σύνδεση των περιελίξεων μεταξύ τους και με τα τυλίγματα. Έτσι προκύπτουν δυο διαφορετικοί τύποι Brushless κινητήρων. Ο πρώτος έχει τα τυλίγματά του τραπεζοειδώς κατανεμημένα στην περιφέρεια του στάτη και ο δεύτερος ημιτονοειδώς. Έτσι, η αντιηλεκτρεγερτική δύναμη έχει διαφορετική μορφή ανάλογα με την κατανομή των τυλιγμάτων. Στην περίπτωση των τραπεζοειδώς Brushless ηλεκτροκινητήρων το κόστος τους είναι χαμηλό και η απόδοσή τους υψηλή ενώ στους ημιτονοειδής η ακριβής θέση του δρομέα εντοπίζεται μόνο από αισθητήρες υψηλής ανάλυσης, κάτι που ανεβάζει το κόστος τους Brushless κινητήρες τύπου Outrunner Η περιστροφή του δρομέα απαιτεί το ηλεκτρικό ρεύμα να περνάει από τα τυλίγματα του στάτη με μία συγκεκριμένη σειρά. Σε κάθε μετάβαση του ρεύματος στο ένα τύλιγμα εισέρχεται το ρεύμα ενώ από το άλλο εξέρχεται και στο τρίτο το ρεύμα

23 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 23 είναι μηδενικό. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη αλληλοεπιδρά με τον δρομέα και σαν αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Συνεπώς, η ακριβής θέση του δρομέα κάθε χρονική στιγμή είναι πολύ σημαντική για τους Brushless κινητήρες, για να υπάρχει ρεύμα στο κατάλληλο τύλιγμα κάθε φορά. Για να πετύχουμε τον έλεγχο της θέσης του δρομέα, τον εξετάζουμε σε διακριτές θέσεις 60 μοιρών. Ανά 60 μοίρες (ηλεκτρικές) η ροή του ρεύματος σε κάθε τύλιγμα αλλάζει μέσω του ελεγκτή. Μετά από έξι τέτοιες μεταβάσεις έχει πραγματοποιηθεί ένας ηλεκτρικός κύκλος. Αυτός ο κύκλος δεν συμβαδίζει με τον μηχανικό αφού για κάθε ζεύγος πόλων έχουμε έναν ηλεκτρικό κύκλο. Για παράδειγμα αν έχουμε 6 πόλους, απαιτούνται 3 ηλεκτρικοί κύκλοι για να έχουμε μια περιστροφή του δρομέα. Ηλεκτρεγερτική δύναμη είναι το πηλίκο του έργου ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου κατά μήκος μιας κλειστής ηλεκτρικής διαδρομής (ηλεκτρικό κύκλωμα), το οποίο (έργο) χρειάζεται να αποδοθεί στη μονάδα του φορτίου ώστε αυτό (το μοναδιαίο φορτίο) να διατρέξει έναν πλήρη κύκλο στη διαδρομή αυτή. Στο Σχήμα 2.4 ( παρουσιάζονται οι τιμές των αισθητήρων, της ηλεκτρεγερτικής δύναμη (ΗΕΔ), τα φασικά ρεύματα και η ροπή εξόδου και στο σχήμα 2.5 οι μεταβάσεις των ρευμάτων μεταξύ των φάσεων. Σχήμα 2.4 Τιμές Brushless ηλεκτροκινητήρα ( αισθητήρες Hall, ΗΕΔ, ρεύματα στις 3 φάσεις, ροπή εξόδου)

24 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 24 Σχήμα 2.5 Κατεύθυνση φασικών ρευμάτων σύμφωνα με το σχήμα Ηλεκτρικό κύκλωμα οδήγησης Brushless Η/Κ Όπως προαναφέρθηκε, οι Brushless ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούν ένα ανεξάρτητο κύκλωμα για την οδήγηση του κινητήρα το οποίο ονομάζεται ESC (Electronic Speed Control). Το ESC είναι υπεύθυνο για την ταχύτητα και την κατεύθυνση του κινητήρα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν δυναμικό φρένο. Πιο συγκεκριμένα, έχουν ως είσοδο ένα συνεχές ρεύμα (συνήθως από μπαταρία) και βγάζουν στην έξοδό τους, η οποία αποτελείται από τρεις ακροδέκτες, εναλλασσόμενο ρεύμα τριών φάσεων με διαφορά φάσης 120º για κάθε φάση από τις τρεις. Σε αντίθεση με τους brushless κινητήρες, οι brushed μεταβάλλουν την ταχύτητά τους ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας τους. Ένα ESC πρέπει με κάποιο τρόπο να γνωρίζει τη θέση του δρομέα του κινητήρα έτσι ώστε να ελέγξει τα ρεύματα της κάθε φάσης και τις φορές τους και να πετύχει την περιστροφή του δρομέα με την επιθυμητή ταχύτητα. Τα ESC για να το πετύχουν αυτό, βασίζονται σε αισθητήρες Hall οι οποίοι βρίσκονται στους ηλεκτροκινητήρες. Αν ο

25 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 25 κινητήρας δεν διαθέτει αυτούς τους αισθητήρες, τότε τα ESC είναι τύπου sensorless και σε αυτήν την περίπτωση το ESC μετράει την αντιηλεκτρεγερτική δύναμή των τυλιγμάτων, και έτσι είναι σε θέση να γνωρίζει τη θέση του δρομέα. Συνήθως, στις περισσότερες εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται οι Brushless ηλεκτροκινητήρες, όπως ο μοντελισμός και τα ΜΕΕΑ, οι ηλεκτροκινητήρες δεν διαθέτουν αισθητήρες Hall και είναι sensorless. Για να δημιουργηθεί το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το ESC μεταβάλει την πολικότητα των φάσεων ανά ζεύγη. Αφού έχουμε 3 φάσης, οι συνδυασμοί για μια περιστροφή του μαγνητικού πεδίου είναι έξι (γίνεται αντιληπτό και από το Σχήμα 2.5) και για να πετύχουμε μια πλήρη μηχανική περιστροφή του δρομέα, το μαγνητικό πεδίο πρέπει να περιστραφεί τόσες φορές όσο και ο αριθμός των ζευγών των πόλων του δρομέα. Τα brushless ESC αποτελούνται από τα εξής στοιχεία : τα τρανζίστορ ισχύος (τύπου fet), το κύκλωμα οδήγησης των τρανζίστορ, έναν μικροεπεξεργαστή και το κύκλωμα το οποίο είναι υπεύθυνο για τον εντοπισμό της θέσης του δρομέα. Εκτός από την τάση τροφοδοσίας, ένα ESC έχει σαν είσοδο και έναν περιοδικό παλμό (PWM signal). Ανάλογα με την συχνότητα του σήματος αυτού, μεταβάλλεται η ταχύτητα του μαγνητικού πεδίου και συνεπώς η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα. Τελικά ένα ESC είναι υπεύθυνο για την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα αλλά δεν έχει την ικανότητα να δώσει πληροφορία για τον αριθμό των στροφών ανά λεπτό. Επίσης με την εναλλαγή δύο εκ των τριών φάσεων μπορούμε να αλλάξουμε την φορά περιστροφής του κινητήρα. Στο Σχήμα 2.6 ( blade-alloy-edf-1900kv-motor-1900watt-6s-counter-rotating.html ) παρουσιάζονται τα μέρη του ESC και η επιμέρους συνδεσμολογία αυτών. Σχήμα 2.6 Επιμέρους στοιχεία ESC και η συνδεσμολογία τους. Τα ESC για brushless ηλεκτροκινητήρες που βρίσκονται στο εμπόριο κατηγοριοποιούνται βάση της έντασης του ρεύματος που καλούνται να παρέχουν στους κινητήρες.

26 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 26 Σχήμα 2.7 Brushless ESC εμπορίου εταιρείας YEP (Hobbyking) Στο σχήμα 2.7 παρατηρούμε και τους ακροδέκτες που προαναφέραμε. Τα δύο καλώδια στα αριστερά του ESC (κόκκινο μαύρο ) είναι η τροφοδοσία του ESC συνήθως από μία μπαταρία. Το τρίτο καλώδιο στα αριστερά αποτελείται από 3 ακροδέκτες και μέσω αυτού το ESC δέχεται το σήμα περιοδικού παλμού και τέλος τα 3 κίτρινα καλώδια στα δεξιά είναι οι 3 φάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος που συνδέονται στον κινητήρα μας Μαθηματικό μοντέλο Brushless Η/Κ Η εύρεση ενός μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή ενός Brushless ηλεκτροκινητήρα ήταν μια αρκετά δύσκολη και περίπλοκη διαδικασία. Αυτό οφείλεται στο ότι η τροφοδοσία μας είναι τριφασική και στο ότι πρέπει να ληφθεί υπόψιν και το ηλεκτρονικό κύκλωμα ρύθμισης των στροφών (ESC), το οποίο εισάγει μια ανάδραση στο συνολικό μας σύστημα. Μία πολύ καλή προσέγγιση ενός συστήματος Brushless ηλεκτροκινητήρα περιγράφεται από το παρακάτω πρωτοβάθμιο σύστημα ω m ω ref = K τs+1 (2.13) Στην πράξη, αυτή η σχέση εκφράζει τη δυναμική απόκριση ενός συστήματος Brushless DC ηλεκτροκινητήρα Το ωref παρέχεται από τον μικροελεγκτή του συστήματος μέσω του περιοδικού παλμού στο ESC. Τα Κ και τ υπολογίζονται πειραματικά και διαφέρουν για κάθε κινητήρα Εμπορικά διαθέσιμοι Brushless Η/Κ και ESC Τα τελευταία χρόνια οι εφαρμογές των ΜΕΕΑ έχουν φέρει τους Brushless ηλεκτροκινητήρες πιο κοντά στο ευρύ κοινό. Οι πιο γνωστοί κατασκευαστές BLDC κινητήρων είναι οι ΑΧΙ, Scorpio, Hacker, T-motors. Ανάλογα τη χρήση που επιθυμεί ο αγοραστής, μπορεί πλέον να επιλέξει από μία τεράστια ποικιλία από BLDC

27 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 27 ηλεκτροκινητήρες και από ESC με ποικίλα χαρακτηριστικά. Στον Πίνακα 1 αναφέρονται κάποιοι BLDC κινητήρες της εταιρείας ATI και τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Πίνακας 1 Brushless H/K εμπορίου και τα βασικά τους χαρακτηριστικά

28 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 28 Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται αντίστοιχα ESC του εμπορίου από την εταιρεία Jeti και τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Το ρεύμα που μπορούν να παρέχουν στους ηλεκτροκινητήρες είναι από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά για ένα ESC καθώς από αυτό το χαρακτηριστικό εξαρτάται και η επιλογή του κινητήρα αλλά και της μπαταρίας για την τροφοδοσία του ESC. Πίνακας 2 ESC εμπορίου και τα βασικά χαρακτηριστικά τους Έλικες Μέσω των ελίκων, η ροπή που παράγουν οι κινητήρες μετατρέπεται σε μία ευθεία ώθηση που ονομάζουμε ώση. Οι έλικες αποτελούνται από πτερύγια τα οποία ποικίλουν στον αριθμό τους ανάλογα την εφαρμογή. Κάθε τμήμα ενός πτερυγίου της έλικας έχει μία εγκάρσια τομή μέσω της οποίας δημιουργείται μία ροή γύρω από την έλικα. Αυτή η ροή παράγει την ώθηση η οποία τείνει να μετακινήσει το όχημα προς την κατεύθυνση της κίνησης. Για να χαρακτηρίσουμε μία έλικα χρησιμοποιούμε δύο βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά της : την διάμετρο της έλικας και το βήμα της (pitch). Άρα έχουμε έναν χαρακτηρισμό της μορφής «διάμετρος βήμα» όπου στην βιβλιογραφία αναγράφονται σε ίντσες. Για παράδειγμα μία έλικα που είναι χαρακτηρισμένη ως «20 10», σημαίνει ότι αναφερόμαστε για μία έλικα που έχει διάμετρο 20 ίντσες και βήμα 10 ίντσες. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, όταν αναφερόμαστε στην διάμετρο εννοούμε την διάμετρο του κύκλου στην οποία η έλικα θα κινηθεί, ενώ με το βήμα αναφερόμαστε στο πόσο πολύ η έλικα θα κινηθεί προς τα εμπρός σε μία πλήρη περιστροφή της.

29 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 29 Μέχρι και πριν λίγα χρόνια οι πλειονότητα των ελίκων αποτελούνταν από 2, 3 ή 4 πτερύγια. Πλέον τα περισσότερα μη επανδρωμένα οχήματα χρησιμοποιούν περισσότερα πτερύγια (πχ 10 ή 11). Ο αριθμός αυτός καθορίζεται επίσης από τις αεροδυναμικές απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής. Μία ακόμη σημαντική παράμετρος για την επιλογή του αριθμού των σελίδων είναι και ο κινητήρας που πρόκειται να συνδεθεί στην έλικα καθώς και η ώση που θα μπορεί εκείνη να αποδώσει σε συγκεκριμένες στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Σχήμα 2.8 Έλικες διαφόρων αριθμού πτερυγίων Ο άνθρωπος έχει χρησιμοποιήσει πολλά και διάφορα υλικά για την κατασκευή των ελίκων. Με την εξέλιξή της τεχνολογίας ανακαλύφθηκαν συνθετικά υλικά με σκοπό να έχουν οι έλικες ακόμη καλύτερα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά αλλά και μεγαλύτερη αντοχή. Μέχρι να καθιερωθούν τα συνθετικά πλαστικά στην κατασκευή των ελίκων, το ξύλο ήταν η βασική πρώτη ύλη για την κατασκευή τους. Αν και παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα όπως του ότι το βάρος τους είναι μικρότερο, έχουν μικρότερη γυροσκοπική αντίδραση, είναι πιο εύκολο να τους ζυγίσεις και παρουσιάζουν λιγότερους κραδασμούς, υστερούν στο θέμα της αντοχής. Το κύριο υλικό που χρησιμοποιείται στις μέρες μας είναι ένα συνθετικό υλικό που αποτελείται

30 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 30 κυρίως από nylon στο οποίο έχουν προστεθεί μικρές ίνες υάλου σε ποσοστά 30-50%. Στις σύγχρονες εφαρμογές μη επανδρωμένων οχημάτων χρησιμοποιούνται έλικες από εποξική ρητίνη, επίσης με ίνες υάλου (fiberglass fiber ) ή άνθρακα (carbon fiber). Αυτά τα νήματα υάλου δεν έχουν εμπλουτιστεί σε μορφή ινών, όπως στην περίπτωση του nylon, αλλά μακριά νήματα που έχουν αναπτυχθεί με προσοχή μέσα στο καλούπι τυλιγμένα από άκρη σε άκρη. Οι εποξικές έλικες έχουν μεγαλύτερη αντοχή και μικρή παραμόρφωση από τις δυνάμεις που ασκούνται στα πτερύγια. Έτσι κατασκευάζονται με στενά και λεπτά φύλλα. Για να καταφέρουμε να αποδώσουμε ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο να περιγράφει την λειτουργία της έλικας εισάγουμε τις παρακάτω παραμέτρους. Συντελεστής ώσης cτ Συντελεστής ροπής cq Συντελεστής Ισχύος cp Οι τρεις αυτοί συντελεστές σχετίζονται με τις δυνάμεις και τις ροπές που εμφανίζονται πάνω στην έλικα κατά την διάρκεια της πτήσης και αφορούν τα χαρακτηριστικά της έλικας. Οι κατασκευαστικές εταιρείες δίνουν τους συντελεστές αυτούς μετά από μετρήσεις κατά την διάρκεια των πτήσεων. Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιούνται με έλικες διαφορετικών διαμετρών και βημάτων. Δυνάμεις και ροπές προώθησης Brushless DC- έλικας Ένα σύστημα Brushless DC-έλικας παράγει πολλές δυνάμεις και ροπές στην έλικα ενός ΜΕΕΑ. Μέσω αυτών των δυνάμεων επιτυγχάνουμε την αιώρηση και τους ελιγμούς ενός ΜΕΕΑ. Δύναμη Ώθησης Η κάθετη δύναμη που ασκείται στην επιφάνεια του έλικα με φορά προς τα πάνω ονομάζεται δύναμη αιώρησης ( thrust ). Είναι προφανές ότι αυτή η δύναμη αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα για να πετύχουμε την αιώρηση ενός μη επανδρωμένου οχήματος. Η τιμή της δίνεται από τον τύπο : Όπου : Τ = C T ρα(ωr rad ) 2 (2.14) C T = ( σ α 6 4 μ2 ) θ 0 (1 + μ 2 ) θ tw 1 λ (2.15) 8 4 σ ο λόγος στερεότητας (solidity ratio) μ ο λόγος προήγησης του ρότορα ( rotor advance ratio) α η κλίση άνωσης (lift slope ) λ ο λόγος εισερχόμενης ροής αέρα (inflow ratio) ρ η πυκνότητα του αέρα (air density) θ0 το βήμα επίπτωσης (pitch of incidence) θtw το βήμα συστροφής (twist pitch)

31 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 31 A το εμβαδόν που καλύπτει ο έλικας Ουσιαστικά ο συντελεστής c T επηρεάζεται από τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά της έλικας και του αέρα και είναι ένας ζωτικής σημασίας παράγοντας για την επιλογή της έλικας ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Συνεπώς, για ένα σύστημα Brushless DC-έλικα, η ώση που παράγεται είναι ένα αποτέλεσμα το οποίο εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της έλικας, την πυκνότητα του αέρα και τις στροφές που μπορεί να επιτύχει ο κινητήρας. Η παραπάνω εξίσωση γράφεται και στην παρακάτω μορφή : Όπου b: T = b Ω 2 (2.16) 2 b = C T ρ Α R rad (2.17) O συντελεστής b ονομάζεται συντελεστής ώθησης (thrust coefficient) και εκφράζει τη σχέση που συνδέει τις στροφές του κινητήρα με τη δύναμη (ώση) που προκαλούν οι έλικες που περιστρέφονται με την ταχύτητα αυτή. Δύναμη Hub Η δύναμη Hub ασκείται οριζόντια στον έλικα ( είναι κάθετη στη δύναμη Hub) και η εξίσωση που δίνει το μέτρο της είναι : H = C H ρ Α(ΩR rad ) 2 (2.18) C H = 1 μ C σ α 4α d + 1 λ μ (θ 4 0 θ tw ) (2.19) 2 Ροπή Αντίστασης (Drag Moment) H αντίσταση που ασκείται από τον αέρα λόγω της περιστροφής του έλικα, δημιουργεί την ροπή αντίστασης. Στην ουσία αυτή η ροπή αντισταθμίζει την ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγει ο κινητήρας. Όμοια, το μέτρο της δίνεται από τον τύπο: Q = C Q ρ Α (Ω R rad ) 2 R rad (2.20) C Q = 1 (1 + σ α 8α μ2 )C d + λ ( 1 θ θ 8 tw 1 λ) (2.21) 4 Η οποία για ευκολία γράφεται και ως : Ground Effect Q = d Ω 2 (2.22) 3 d = C Q ρ Α R rad (2.23) Όταν ένα μη επανδρωμένο όχημα κάθετης πτήσης πετάει σε χαμηλό ύψος (αναφερόμαστε σε ύψος ανάλογο της ακτίνας της έλικας του οχήματος ), παρατηρείται

32 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 32 μεγαλύτερο μέτρο της ώθησης που παρέχουν οι έλικες για συγκεκριμένο αριθμό στροφών. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως ground effect ( φαινόμενο εδάφους ) και σχετίζεται με τη μείωση της ταχύτητας του αέρα όταν οι έλικες βρίσκονται κοντά στο έδαφος. Ένα αρκετά απλοποιημένο μοντέλο περιγραφής του φαινόμενου αυτού βασίζεται στην μέθοδο της εικονικής έλικας και στην υπόθεση ότι η ισχύς που δίνουμε στον έλικα είναι σταθερή. Με αυτές τις παραδοχές παίρνουμε: Τu i = T IGE u i,ige (2.24) Όπου με u i,ige συμβολίζουμε την ταχύτητα του αέρα στον έλικα κατά το ground effect. Επίσης ισχύει ότι : u i,ige = u i δu i (2.25) Όπου δu i είναι η επαγόμενη ταχύτητα που δημιουργείται από έναν εικονικό έλικα και δίνεται από τον τύπο : δu i = Αu i = R 2 radu i 16πz 2 16z 2 (2.26) Και συνδυάζοντας τις τρεις τελευταίες σχέσεις καταλήγουμε σε μία σχέση που συνδέει την ώθηση όταν έχουμε ground effect και την ώθηση όταν δεν παρουσιάζεται ground effect. T IGE = 1 T 1 R 2 rad 16z 2 (2.27) Ducted fan Ένας ακόμη τύπος προώθησης ενός μη επανδρωμένου οχήματος, ο οποίος στο παρελθόν δεν είχε ευρεία εφαρμογή αλλά τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο είναι τα λεγόμενα ducted fans (βλ. Σχήμα 2.9, watt-6s-counter-rotating.html ). Το προωθητικό αυτό σύστημα αποτελείται από μία έλικα μικρής διαμέτρου η οποία είναι τοποθετημένη μέσα σε έναν κυλινδρικό αγωγό. Στα ducted fans η έλικα ονομάζεται φτερωτή ή impeller. H φτερωτή σε συνδυασμό με τον αγωγό που προαναφέραμε σαν ένα σύστημα ονομάζεται «φάνα». Η διάμετρος της φτερωτής είναι ελάχιστα μικρότερη από τη διάμετρο του αγωγού έτσι ώστε τα πτερύγιά της να μην ακουμπάνε για ελάχιστη απόσταση σε αυτόν. Με αυτό τον τρόπο έχουμε μείωση των στροβίλων στα ακροπτερύγια σαν να έχουμε δυσδιάστατη ροή. Για να πετύχουμε αύξηση της ικανότητας απορρόφησης της ενέργειας του κινητήρα, η φτερωτή έχει τα εξής χαρακτηριστικά : Μεγαλύτερη συχνότητα περιστροφής ( πάνω από στροφές ανά λεπτό) Πιο πλατιά πτερύγια Μεγαλύτερος αριθμός πτερυγίων (τις περισσότερες φορές πάνω από 10 )

33 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 33 Σχήμα 2.9 Ducted Fan H ροή που δημιουργεί η φτερωτή είναι πολύ ελικοειδής και για τον λόγο αυτό όπως παρατηρούμε (βλ. Σχ. 2.10) πίσω ακριβώς από την φτερωτή βρίσκεται ένας σταθερός στάτορας, δηλαδή 4 ακίνητα πτερύγια με συγκεκριμένη κλίση. Αυτά τα πτερύγια καταφέρνουν να μειώσουν αρκετά την περιστροφική κίνηση της ροής χωρίς όμως να μειώνουν την ενέργειά της. Σε αντίθεση με τις έλικες που εξετάσαμε προηγουμένως, η φτερωτή δεν συνδέεται με κάποιον κινητήρα αλλά είναι ενσωματωμένος σε αυτήν (βλ. Σχ. 2.10, πηγή: Ο κινητήρας αυτός είναι Brushless DC και όπως αναφέραμε οδηγείται από ένα ESC. Σχήμα 2.10 Ducted Fan και τα επιμέρους του στοιχεία

34 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 34 Σχήμα 2.11 Ροή αέρα σε Ducted Fan Η ροή που δημιουργείται ακριβώς πάνω και κάτω από την φτερωτή αλλά και από το ducted fan γίνεται αντιληπτή στο Σχήμα 2.11 (πηγή: ). Τα πλεονεκτήματα ενός τέτοιου συστήματος προώθησης σε σχέση με τις κλασσικές έλικες είναι τα παρακάτω : Η έλικα του μη επανδρωμένου οχήματος είναι καλυμμένη, επιτρέποντας ακριβέστερη πρόσβαση σε συγκεκριμένους στόχους και αποτρέπει τους τραυματισμούς σε σχέση με μία «ανοιχτή» έλικα Επειδή εμφανίζει μικρότερες απώλειες στα ακροπτερύγιά του, είναι πιο αποδοτικό στην παραγωγή ώσης από έναν συμβατικό έλικα ειδικά σε χαμηλές ταχύτητες και σε υψηλά επίπεδα στατικής ώσης Για να παραχθεί το ίδιο επίπεδο ώσης από ένα ducted fan και μία συμβατική έλικα, το μέγεθος που απαιτείται για μία εφαρμογή που χρησιμοποιεί ducted fan είναι πολύ λιγότερο με αποτέλεσμα ο κατασκευαστής και ο χρήστης να έχουν περισσότερη ελευθερία στον σχεδιασμό και στη χρήση τους Μέσω των ducted fans ένα μέρος της ώσης που παράγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κατευθυντική ώση με σκοπό την κατεύθυνση του οχήματος και στους τρεις άξονες (thrust vectoring), το οποίο είναι και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής.

35 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 35 Στο Σχήμα 2.12 ( ) παρουσιάζονται 2 μη επανδρωμένα οχήματα παρόμοιων χαρακτηριστικών αλλά με διαφορετικά συστήματα προώθησης. Το πρώτο οδηγείται από ένα ducted fan ενώ το δεύτερο από 4 συμβατικούς έλικες. Στο σχήμα φαίνεται πως το πρώτο υπερτερεί σε μέγεθος αλλά και σε φορτίο που μπορεί να μεταφέρει για σχεδόν ίδιο χρόνο πτήσης. Σχήμα 2.12 Δυνατότητες Ducted Fan ΜΕΕΑ και Quad-rotor ΜΕΕΑ Στροβιλοκινητήρες Οι στροβιλοκινητήρες (κινητήρες jet) στις μέρες μας είναι το κυρίαρχο μέσο των σύγχρονων αεροσκαφών κυρίως λόγω της μεγάλης πυκνότητας ισχύος που παρέχουν αλλά και της απόδοσής τους όσον αφορά τα καύσιμα που καταναλώνουν. Στα αεροπλάνα οι στροβιλοκινητήρες χρησιμοποιούνται ως προωθητικό μέσο το οποίο παράγει ώση ενώ στα ελικόπτερα χρησιμοποιείται για την παραγωγή μηχανικής ροπής σε άξονα που συνδέεται πάνω στον στρόβιλό του. Στη διεθνή βιβλιογραφία οι στροβιλοκινητήρες αναφέρονται και ως «τουρμπίνες». Σύμφωνα με τον ορισμό στρόβιλος ορίζεται ένας κινητήρας ο οποίος εξάγει ενέργεια μέσα από τη ροή ενός ρευστού και τη μετατρέπει σε ωφέλιμο έργο.

36 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 36 Στην περίπτωση που το ρευστό αυτό είναι αέριο τότε έχουμε έναν αεριοστρόβιλο ενώ στην περίπτωση που είναι ρευστό τότε λέγεται υδροστρόβιλος. Μέσω του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, ένας στροβιλοκινητήρας προκαλεί ώθηση σε ένα όχημα με την εκτόξευση αερίων τα οποία κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Κατά βάση οι στροβιλοκινητήρες είναι μηχανές εσωτερικής καύσης. Ανάλογα την κατασκευή και τον τρόπο λειτουργίας τους οι στροβιλοκινητήρες χωρίζονται σε κατηγορίες. Οι βασικότερες εξ αυτών είναι : Τurbojet ή στοβιλοαντιδραστήρες Τurbofan ή στοβιλοανεμιστήρες Turboprop ή στροβιλοελικοφόροι Οι στροβιλοκινητήρες αποτελούνται από ένα περιστρεφόμενο αεροσυμπιεστή που κινείται από τον στρόβιλο και η υπόλοιπη ισχύς παράγει έργο μέσω ενός ακροφυσίου. Η αρχή λειτουργίας των στροβιλοκινητήρων βασίζεται στη συμπύκνωση του εισερχόμενου αέρα, στον οποίο προστίθεται καύσιμο και στην ανάφλεξη αυτού του μίγματος. Μέρος των αερίων εκτονώνονται στο στρόβιλο και αυτός με τη σειρά του θέτει στο συμπυκνωτή σε κίνηση. Τα υπόλοιπα αέρια εκτονώνονται στην έξοδο. Έτσι και σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ορμής ασκείται η ωστική δύναμη. Συνοψίζοντας, ο εισερχόμενος αέρας συμπιέζεται και μέσω της καύσης του καυσίμου και της εκτόνωσης των καυσαερίων στην έξοδο, έχουμε την παραγωγή μηχανικού έργου. Στο σχήμα 2.13 ( Isostatic-Pressing-Expands-3D-Printing-into-Hot-Section-Jet- Parts.aspx)παρουσιάζεται ένας turbojet και η διαδικασία που περιγράψαμε παραπάνω. Σχήμα 2.13 Βασικά στοιχεία ενός στροβιλοκινητήρα. Βασικά δομικά μέρη στροβιλοκινητήρων Για όλα τα είδη στροβιλοκινητήρων που αναφέραμε τα βασικά επιμέρους μέρη και ο ρόλος τους στη λειτουργία του κινητήρα αναφέρονται παρακάτω:

37 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 37 Διάταξη εισαγωγής αέρα (air inlet) : Η βασική προϋπόθεση αυτού του τμήματος του στροβιλοκινητήρα είναι ότι ο αέρας που εισέρχεται στο τμήμα της εισαγωγής πρέπει να έχει τον συγκεκριμένη μορφή ώστε να επιτυγχάνεται μια ομαλή ροή στον συμπιεστή που είναι και το επόμενο στάδιο που θα περάσει ο αέρας. Απαραίτητη προϋπόθεση του σταδίου αυτού είναι ο αέρας να μην περιέχει διάφορα σωματίδια αλλά και να διέπεται από ομοιόμορφης κατανομής σε ταχύτητα και πίεσης. Είναι ζωτικής σημασίας λοιπόν, ο αέρας να περάσει στον συμπιεστή όσον το δυνατόν πιο ομοιόμορφα αλλά ταυτόχρονα και με τις λιγότερες πιθανές τριβές. Συμπιεστής (compressor): Στον συμπιεστή επιτυγχάνεται τόσο η αύξηση της πίεσης του διερχόμενου αέρα αλλά και η αύξηση της θερμοκρασίας αυτού. Ουσιαστικά είναι ένα μηχανικό μέρος του στροβιλοκινητήρα με ταχέως περιστρεφόμενα πτερύγια. Μέσω του συμπιεστή, η καύση του καυσίμου γίνεται περισσότερο αποδοτική. Οι βασικότεροι τύποι συμπιεστών είναι οι φυγοκεντρικοί, οι παλινδρομικοί και οι αξονικοί. Οι φυγοκεντρικοί και οι αξονικοί λόγω κόστους και απόδοσης τυγχάνουν ευρείας χρήσης. Θάλαμος καύσης (combustion chamber) : Μετά το στάδιο του συμπιεστή υπάρχει ο θάλαμος καύσης όπου ο πεπιεσμένος αέρας οδηγείται. Αποτελείται από πυρίμαχα υλικά και σε αυτό το στάδιο το καύσιμο ψεκάζεται και αναφλέγεται εκλύοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας οι οποία προστίθενται στη ροή του αέρα. Για να έχουμε όσο το δυνατό μεγαλύτερη απόδοση αυτή η διαδικασία καύσης θα πρέπει να πραγματοποιηθεί σε πολύ μικρό χώρο. Ο αέρας εισέρχεται στο θάλαμο μέσω ενός αεραγωγού εφοδιασμένο με πτερύγια στροβιλισμού στις εξόδους του για να μειώνει την ταχύτητα του ρευστού. Καθώς μόνο ένα μικρό μέρος του αέρα που εισέρχεται από τον συμπιεστή στον θάλαμο είναι απαραίτητο για την καύση, ο υπόλοιπος αέρας εισέρχεται σε αγωγό ο οποίος περικλείει τον θάλαμο καύσης και με τον τρόπο αυτό χρησιμοποιείται σαν ψυκτικό μέσο. Αποτέλεσμα αυτής της ψύξης είναι τα καύσιμα σε αυτό το στάδιο να ψύχονται από τος 2000 C στους C. Το καύσιμο σε αυτό το στάδιο ψεκάζεται στο εσωτερικό του θαλάμου και έτσι επιτυγχάνεται η μέγιστή κάλυψη του διερχόμενου αέρα. Οι θάλαμοι καύσης παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλούς βαθμούς απόδοσης (90%-95%) και οι ελάχιστες απώλειες οφείλονται στις απώλειες πίεσης. Αποτέλεσμα του σταδίου αυτού είναι τα καυσαέρια υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας τα οποία μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Έτσι η ροή του αέρα που εισήχθη στον στροβιλοκινητήρα μας πλέον είναι ικανή να παράγει μηχανικό έργο. Στρόβιλος-φτερωτή (turbine): Η τουρμπίνα είναι το στάδιο όπου πραγματοποιείται απορρόφηση ενέργειας από το ρευστό. Ο ρόλος του στροβίλου είναι η μετατροπή της ενέργειας του ρευστού σε μηχανικό έργο μέσω της εκτόνωσης των καυσαερίων. Ο στρόβιλος με τον συμπιεστή συνδέονται με έναν κοινό άξονα. Η ισχύς των σύγχρονων στροβίλων ξεπερνά τους hp και το εντυπωσιακό αυτό μέγεθος πηγάζει από την ικανότητα των στροβίλων να εξάγουν μηχανικό έργο μέσα από την ενέργεια που περιέχουν τα θερμά ρευστά. Ο στρόβιλος αποτελεί το στάδιο εκείνο στο οποίο διαμορφώνονται τα όρια ισχύος που μπορεί να επιτύχει η μηχανή και για το λόγο αυτό αποτελείται από κράματα υψηλού κόστους και είναι εφοδιασμένος

38 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 38 με διάφορα ψυκτικά συστήματα. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα πτερύγιο στροβίλου μπορεί να αποδώσει ισχύς μεγαλύτερες από ότι ένα σύγχρονο αυτοκίνητο. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τα δυο αυτά στάδια ( συμπιεστήστροβίλου) μπορούμε να πούμε ότι ο συμπιεστής προσδίδει ενέργεια στον διερχόμενο αέρα μετατρέποντας το μηχανικό έργο σε πίεση, ενώ ο στρόβιλος απορροφά την ενέργεια του αέρα για να την μετατρέψει σε ισχύ στον άξονα (ροπή). Ο αέρας συμπιέζεται στον συμπιεστή και εκτονώνεται στον στρόβιλο με σκοπό την αύξηση της ταχύτητάς του και αυτό οφείλεται στη διαφορετική κλίση και μορφή που έχουν τα πτερύγιά τους. Για να πετύχουμε υψηλούς λόγους συμπίεσης στροβίλου χρησιμοποιούνται σύγχρονοι στροβιλοκινητήρες με πολυβάθμιους στροβίλους. Τέλος τα αέρια που παράγονται στο θάλαμο καύσης εκτονώνονται στο τελευταίο στάδιο (ακροφύσιο), όπου και εκτονώνονται απότομα και με αυτό τον τρόπο η πίεση και η θερμοκρασία του αέρα μειώνονται ενώ η ταχύτητά του αυξάνεται. Ακροφύσιο (nozzle ή exhaust): Ακριβώς μετά τον στρόβιλο, βρίσκεται το ακροφύσιο το οποίο ονομάζεται ακροφύσιο αντιδράσεως με αποστολή να μεγιστοποιήσει την ταχύτητα των καυσαερίων, όσο είναι αυτό δυνατόν. Η προωθητική δύναμη του κινητήρα οφείλεται στη διαφορά της ορμής εισόδου του αέρα και της ορμής εξόδου των καυσαερίων στον στροβιλοκινητήρα. Έτσι γίνεται αντιληπτό πόσο σημαντική είναι η μέγιστη ταχύτητα εξόδου αλλά και η ομαλή ροή των καυσαερίων. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ένας κώνος καυσαερίων στις εξόδους των περισσότερων στροβιλοκινητήρων. Μέσω αυτού του ακροφύσιου γίνεται η μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του αερίου σε κινητική. Όπως βλέπουμε και στο Σχήμα 2.13 όλα τα επιμέρους τμήματα του στροβιλοκινητήρα μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη θερμοκρασία του αέρα. Αρχικά το «κρύο» μέρος της μηχανής αποτελείται από τη διάταξη εισαγωγής αέρα και τον συμπιεστή ενώ το «ζεστό» μέρος της μηχανής αποτελείται από τον θάλαμο καύσης, τον στρόβιλο και το ακροφύσιο. Οι στροβιλοκινητήρες αυτοί στην ουσία αντικατέστησαν τους εμβολοκινητήρες οι οποίοι χρησιμοποιούνται και σήμερα στα αυτοκίνητα. Η αρχή λειτουργίας τους είναι παρόμοια αφού και οι δύο βασίζονται στην καύση ενός εύφλεκτου καυσίμου. Αν και ο κύκλος των δύο μηχανών είναι παρόμοιος, στον εμβολοφόρο κινητήρα τα στάδια της συμπίεσης και της εκτόνωσης πραγματοποιούνται διαδοχικά ενώ αντίθετα στον στροβιλοκινητήρα πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Τύπος παραγωγής ώσης Συμβολίζοντας ως m την μάζα του αέρα που παρέχεται στον κινητήρα, u a την ταχύτητα του οχήματος και u o την ταχύτητα εκτόνωσης των καυσαερίων στην έξοδο του στροβιλοκινητήρα και F την παραγόμενη ώση, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την F ως: F = m(u o u a ) (2.28)

39 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α Συστήματα κατεύθυνσης Συστήματα κατεύθυνσης αεροπλάνων Το αεροσκάφος (ή αεροπλάνο) δηλαδή μια πτητική συσκευή βαρύτερη από τον αέρα για να πετάξει χρησιμοποιεί την επιστημονική αρχή της πτήσης. Η ακίνητη πτέρυγα που δημιουργεί τη δύναμη άντωσης, κρατά το αεροπλάνο στον αέρα, ενώ η προς τα μπρος κίνηση επιτυγχάνεται με την προωθητική δύναμη του κινητήρα. Για αντικείμενα ελαφρύτερα από τον αέρα η πλευστότητα εξασφαλίζει την άντωση. Όμως για αεροπλάνα η άντωση εξασφαλίζεται από την κίνηση του αέρα γύρω από τα φτερά τους. Τα φτερά παράγουν μια δύναμη που ονομάζεται άντωση και υπερνικά το βάρος του αεροπλάνου. Τα περισσότερα φτερά έχουν συγκεκριμένο σχήμα και κινούνται μέσα στο αέρα με μικρή κλίση. Ο αέρας κινείται γρηγορότερα πάνω από το φτερό παρά από κάτω. Ο αέρας που κινείται γρήγορα ασκεί λιγότερη πίεση από τον αέρα που κινείται πιο αργά, κι έτσι η πίεση πάνω από το φτερό είναι μειωμένη. Αυτή η διαφορά πίεσης προκαλεί την άντωση. Ένα αεροπλάνο πετά μόνο αν η ανυψωτική δύναμη που δημιουργείται από τα φτερά είναι μεγαλύτερη από το βάρος του, που είναι η βαρυτική δύναμη που το έλκει προς τα κάτω Το αεροπλάνο για να κατευθυνθεί εκμεταλλεύεται δυνάμεις που δημιουργούνται από τον αέρα καθώς αυτός κινείται γύρω του. Ειδικά πτερύγια στα φτερά και την ουρά, ελέγχου και εκτρέπουν την ροπή του αέρα, επιτρέποντας στο αεροπλάνο να ανυψωθεί, να χαμηλώσει ή να αποκτήσει κλίση. Ένα αεροπλάνο κάθε φορά που αλλάζει στάση κατά την πτήση, κινείται γύρω από έναν ή περισσότερους από τους τρεις άξονες κίνησης, που σα νοητές γραμμές διέρχονται από το κέντρο βαρύτητας του αεροπλάνου. Στο σημείο που τέμνονται οι άξονες ο καθένας είναι πάντα σε γωνία 90º σε σχέση με τους άλλους δύο. Ο άξονας που περνά από το ρύγχος του αεροπλάνου και φτάνει στην ουρά του, λέγεται διαμήκης άξονας (longitudinal axis), o άξονας που περνά από την μία άκρη των πτερυγίων στην άλλη λέγεται εγκάρσιος άξονας (lateral axis) και ο άξονας που περνά από το κέντρο βάρους λέγεται κατακόρυφος άξονας (vertical axis). Οι κινήσεις του αεροπλάνου σε καθένα από τους άξονες λέγονται Rolling, Pitching και Yawing (βλ. Σχήμα 2.14, ). Για να επιτευχθούν αυτές οι κινήσεις χρειάζονται τα βασικά συστήματα ελέγχου Aileron, Elevator και Rudder.

40 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 40 Σχήμα 2.14 Άξονες κίνησης αεροσκάφους Aileron: Είναι μία αρθρωτή επιφάνεια με την οποία μπορούμε να ελέγξουμε την κίνηση του αεροπλάνου στον άξονα του roll. Η επιφάνεια αυτή βρίσκεται συνήθως στο πίσω μέρος κάθε πτέρυγας. Τα πτερύγια του aileron είναι έτσι συνδεδεμένα έτσι ώστε όταν το ένα ανεβαίνει, το άλλο στην άλλη πτέρυγα κατεβαίνει. Στη μία πτέρυγα λοιπόν θα έχουμε δημιουργία αρνητικής άντωσης και στην άλλη θετική. Αυτό που προκαλούν τελικά, είναι ότι εξαναγκάζουν τη μία πτέρυγα να ανέβει προς τα πάνω και ταυτόχρονα την άλλη προς τα κάτω. Έτσι έχουμε αλλαγή κλίσης του αεροπλάνου γύρω από το διαμήκη άξονα και τη στροφή του ανάλογα αριστερά ή δεξιά (βλ. Σχήμα 2.15, ) Σχήμα 2.15 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Aileron Elevator: Το Elevator είναι ένα σύστημα ελέγχου πτήσης με το οποίο ο πιλότος μπορεί να ελέγξει το αεροσκάφος στον εγκάρσιο άξονα δηλαδή για την άνοδο ή την κάθοδο. Τα πτερύγια αυτά βρίσκονται συνήθως στο πίσω μέρος των οριζόντιων σταθερών πτερύγων της ουράς του αεροπλάνου. Έχουν τη δυνατότητα κίνησης πάνω ή κάτω και είναι ελεγχόμενα από το πηδάλιο του χειριστή. Εδώ σε αντίθεση με το aileron, έχουμε την ταυτόχρονη κίνηση των δύο επιφανειών δημιουργώντας είτε θετική είτε αρνητική άντωση και εξαναγκάζοντας τα horizontal stabilizer να κινηθούν ανάλογα απάνω ή κάτω.

41 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 41 Έτσι έχουμε και την αλλαγή της θέσης του αεροσκάφους, θέτοντάς το σε άνοδο ή σε κάθοδο (βλ. Σχήμα 2.16, ). Σχήμα 2.16 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Elevator Rudder: Σε ένα αεροσκάφος το rudder είναι ένα κινητό πτερύγιο, συνδεδεμένο με αρθρώσεις στο πίσω μέρος της κάθετης ουραίας πτέρυγας. Χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση του αεροσκάφους στον άξονα του yaw. Ο πιλότος δηλαδή κινώντας το πηδάλιο του rudder, μπορεί να μετακινήσει το ρύγχος του αεροσκάφους δεξιά ή αριστερά. Παρόλα αυτά το πτερύγιο αυτό δε χρησιμοποιείται μόνο του για να στρέψουμε το αεροπλάνο. Πρακτικά για τη στροφή ενός αεροπλάνου, κάνουμε κοινή χρήση των πηδαλίων aileron και rudder. Ο συνδυασμός και των δύο πηδαλίων έχει ως αποτέλεσμα την εκτέλεση μιας συντονισμένης στροφής και την αποφυγή ολίσθησης υπερστροφής ή υποστροφής. Η χρήση μόνο του πηδαλίου rudder μπορεί να στρέψει το σκάφος δεξιά ή αριστερά αλλά με πολύ μικρότερο ρυθμό. Κάποιες φορές ο πιλότος μπορεί να λειτουργεί το πηδάλιο rudder και να θέτει το αεροπλάνο σκόπιμα σε πλάγια πορεία, αντισταθμίζοντας κατάλληλα το πηδάλιο aileron, στρέφοντας το προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι λόγοι που θα μπορούσε να το κάνει αυτό, είναι για να μπορέσει να ξεπεράσει την ύπαρξη πλάγιων ανέμων, σε μία προσπάθεια να μείνει ευθυγραμμισμένος με το διάδρομο κατά την προσγείωση, όπως επίσης για να αυξήσει την οπισθέλκουσα ώστε να μπορέσει να χάσει γρήγορα ύψος, χωρίς να αυξάνεται η ταχύτητα. Άλλη μία χρήση του rudder είναι σε αεροσκάφη με περισσότερους από έναν κινητήρες, για να κρατήσουμε σταθερή πορεία σε περίπτωση ασύμμετρης ώθησης, λόγω απώλειας ενός κινητήρα (βλ. Σχήμα 2.17, ).

42 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 42 Σχήμα 2.17 Σύστημα Ελέγχου πτήσης Rudder Συστήματα κατεύθυνσης ελικοπτέρων Είναι γεγονός, ότι το ελικόπτερο περιορίζεται σε ταχύτητα από αεροδυναμικά φαινόμενα στα στροφεία του, χρειάζεται σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ από ένα αντίστοιχο αεροπλάνο, έχει πολύ μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, και επίσης κόστος απόκτησης, χρήσης και συντήρησης. Το βασικό πτητικό εξάρτημα του ελικοπτέρου είναι το στροφείο ή ρότορας. Το στροφείο αποτελείται από 2-5 συνήθως μακρόστενες λεπίδες (blades), οι οποίες έχουν σχήμα πτέρυγας και είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να ελαχιστοποιούν τους στροβιλισμούς (vortex) στην άκρη τους όπου η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη. Οι λεπίδες μπορούν να συγκριθούν με τις πτέρυγες ενός ανεμόπτερου. Κατασκευάζονται από συνθετικό αλουμίνιο με πρόσμιξη τιτανίου και σιδήρου. Το στροφείο παράγει άντωση και ώση και είναι υπεύθυνο για τους πιο πολλούς χειρισμούς του ελικοπτέρου. Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια του swashplate το οποίο είναι ένας δίσκος στο κάτω μέρος του στροφείου και μεταβάλει θετικά το βήμα, δηλαδή την γωνία προσβολής του στροφείου συνολικά αλλά και κάθε λεπίδα ξεχωριστά. Έτσι λοιπόν ανυψώνει το ελικόπτερο αλλά ελέγχει και την πρόνευση (pitch) και την περιστροφή περί εγκάρσιου άξονα (roll) του σκάφους. Το swashplate παίρνει υδραυλικά συνήθως εντολές από το cyclic και από το collective για ανύψωση. Πιο εξελιγμένα ελικόπτερα επιτυγχάνουν την κίνηση τους με την μετατόπιση πρακτικά του

43 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 43 κέντρου βάρους δίνοντας κλίση (όχι πρόνευση) σε όλο το στροφείο (δίσκος). Έτσι λοιπόν όταν ο πιλότος θέλει να απογειωθεί σηκώνει το collective δίνοντας στις πτέρυγες την απαραίτητη γωνία προσβολής για να παράγουν άνωση (lift). Αφού ανυψωθεί, αποκτά ταχύτητα σπρώχνοντας το cyclic μπροστά. Αμέσως, η λεπίδα που εκείνη την στιγμή κατά την περιστροφή περνάει από το πίσω μέρος του ελικόπτερου, αποκτά πιο μεγάλη γωνία προσβολής δίνοντας κλίση στο σκάφος. Έτσι λοιπόν δημιουργείται μια τέτοια συνισταμένη δύναμη από την άνωση που ωθεί το σκάφος προς τα μπρος. Όπως σε όλα τα περιστρεφόμενα αντικείμενα στην φύση έτσι και στο στροφείο ισχύει η αρχή διατήρησης στροφορμής. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι όταν το στροφείο περιστρέφεται, το σκάφος αποκτά την τάση να περιστραφεί και αυτό προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό αποτέλεσε πρόβλημα στα πρώτα ελικόπτερα, όμως το πρόβλημα λύθηκε τοποθετώντας ένα μικρότερο στροφείο στην ουρά (tail rotor) το οποίο εξισορροπεί την στροφορμή αλλά δίνει και τον έλεγχο του εγκάρσιου άξονα (yaw ) στον χειριστή μέσω των ποδοστηρίων (βλ. Σχήμα 2.18). Όλα τα παραπάνω συστήματα που περιγράψαμε παίρνουν κίνηση από τον κινητήρα του ελικοπτέρου που μπορεί να είναι εμβολοφόρος (piston engine) ή στροβιλοκινητήρας (helicopter turboshaft). Όμως, δεν συνδέονται κατευθείαν πάνω στον κινητήρα αφού κάτι τέτοιο δεν θα ήταν καθόλου ασφαλές, γι αυτό υπάρχει το κιβώτιο ταχυτήτων (gearbox) το οποίο εμπλέκεται με τα κινούμενα μέρη μέσω ενός φυγοκεντρικού συμπλέκτη (clutch). Αυτό γίνεται είτε από τον χειριστή είτε αυτόματα. Σχήμα 2.18 Βασικό στροφείο και στροφείο ουράς

44 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α Συστήματα κατεύθυνσης quadrotor Το quadrotor είναι ένας τύπος ελικοπτέρου που χρησιμοποιεί τέσσερις, ίσης διαμέτρου, έλικες για την ανύψωση και για την προώθησή του. Οι τέσσερις έλικες τοποθετούνται συμμετρικά πάνω σε έναν σκελετό σχήματος σταυρού, ενώ στο κέντρο του σκελετού αυτού βρίσκεται το ωφέλιμο φορτίο. Οι έλικες του ελικοπτέρου περιστρέφονται ανά δύο αντίστροφα έτσι ώστε η συνολική ροπή που εφαρμόζεται στο κέντρο του να είναι μηδενική(βλ. Σχήμα 2.19). Με αυτόν τον τρόπο δεν χρειάζεται βοηθητικός έλικας όπως στα συμβατικά ελικόπτερα. Σχήμα 2.19 Περιστροφή και ροπή κάθε έλικας Η κίνηση του ελικοπτέρου quadrotor ελέγχεται αποκλειστικά από τις γωνιακές ταχύτητες των τεσσάρων ελίκων του. Όταν οι τέσσερις έλικες κινούνται με την ίδια ακριβώς γωνιακή ταχύτητα, τότε το ελικόπτερο ανυψώνεται. Συγχρόνως η κλίση του διατηρείται σταθερή ενώ δεν περιστρέφεται γύρω από το κέντρο μάζας του επειδή είναι εντελώς συμμετρικό. Αυτή η περίπτωση φαίνεται στο Σχήμα 2.20(αριστερά). Για να επιτευχθεί η περιστροφή του ελικοπτέρου γύρω από το κέντρο μάζας του χρειάζεται να αυξομειωθεί η ταχύτητα δύο ομοίως περιστρεφόμενων κινητήρων. Όταν αλλάξει η ταχύτητα ενός κινητήρα τότε αλλάζει και η ροπή του σύμφωνα με τη χαρακτηριστική ροπής-ταχύτητας του κινητήρα-φορτίου (φορτίο θεωρείται ο έλικας του κινητήρα). Επειδή όμως λόγω του τρίτου νόμου του Νεύτωνα η ροπή του ρότορα του κινητήρα ισούται κάθε χρονική τιμή με τη ροπή του στάτη, η μείωση ή αύξηση της ροπής του κινητήρα ισοδυναμεί με μείωση ή αύξηση της ροπής που δέχεται η βάση από τον κινητήρα. Επομένως η βάση τείνει να περιστραφεί γύρω από τον κάθετο άξονά της, όταν οι ροπές των τεσσάρων κινητήρων δεν είναι εξισορροπημένες. Οι ροπές αυτές, επειδή οφείλονται στην αντίσταση του αέρα (αυτή καθορίζει την προσφερόμενη ροπή του κινητήρα) αναφέρονται και ως ροπές αντίστασης - drag moments. Στο σχήμα 2.20 φαίνεται πώς επιτυγχάνεται η περιστροφή του ελικοπτέρου γύρω από τον κάθετο άξονά του όταν μεταβάλλονται οι ταχύτητες των κινητήρων που περιστρέφονται με την

45 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 45 ίδια φορά. Στο Σχήμα 2.20 (μέση) το ελικόπτερο περιστρέφεται με ανθωρολογιακή φορά και με ωρολογιακή φορά (δεξιά). Σχήμα 2.20 Ανύψωση (αριστερά),ανθωρολογιακή περιστροφή (μέση) και ωρολογιακή περιστροφή Η παράλληλη προς το έδαφος κίνηση του ελικοπτέρου επιτυγχάνεται όταν αυτό αποκτήσει κάποια κλίση ως προς το έδαφος. Αυτό συμβαίνει όταν ένας κινητήρας έχει μικρότερη ταχύτητα από τον απέναντί του, όπως φαίνεται και στο Σχήμα Τότε η ώθηση του ελικοπτέρου, που αναπαρίσταται από μια δύναμη κάθετη στους έλικες, θα αναλύεται σε δύο συνιστώσες, μία οριζόντια και μια κάθετη προς το έδαφος. Η οριζόντια συνιστώσα είναι αυτή που προκαλεί και την παράλληλη προς το έδαφος κίνηση του ελικοπτέρου ενώ η κάθετη αυτή που εξισορροπεί το βάρος. Συγχρόνως, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.21, οι άλλοι δύο έλικες (έλικες 1 και 3) κινούνται με χαμηλότερη ταχύτητα ώστε η ολική ροπή γύρω από το κέντρο του ελικοπτέρου να διατηρείται στο μηδέν και έτσι αυτό να μην περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του. Σχήμα 2.21 Πλάγια κίνηση ελικοπτέρου Συστήματα κατευθυνόμενης ώσης. Με τον όρο κατευθυνόμενη ώση (thrust vectoring) εννοούμε την ικανότητα ενός αεροσκάφους ή άλλου είδους οχήματος να ελέγχει την κατεύθυνση της ώσης, ή μέρος αυτής, από τον κινητήρα του με σκοπό να ελέγχεται η κατεύθυνση ή η γωνιακή ταχύτητα του οχήματος. Στα διαστημικά οχήματα ή πυραύλους τα οποία κινούνται εκτός ατμόσφαιρας, η αεροδυναμική δεν δύναται να κατευθύνει τα οχήματα οπότε η κατευθυνόμενη ώση είναι το βασικό μέσο κατεύθυνσης. Η συνηθέστερη μέθοδος κατευθυνόμενης ώσης είναι αυτή που χρησιμοποιεί ένα ακροφύσιο στην έξοδο του κινητήρα το οποίο έχει τη δυνατότητα να κινείται στον έναν ή και στους δύο άξονες που είναι κάθετοι στον άξονα της ώσης του κινητήρα. Όταν το ακροφύσιο στρέφεται με κατεύθυνση διαφορετική από αυτή του άξονα της ώσης, αλλάζει και η κατεύθυνση της ώσης. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται ευρέως σε

46 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 46 μαχητικά αεροσκάφη με σκοπό να γίνονται περισσότερο ευέλικτα στον χειρισμό αλλά και για να έχουν τη δυνατότητα να απογειώνονται και να προσγειώνονται κάθετα η σε πολύ μικρότερο διάδρομο σε σχέση με τα συμβατικά αεροσκάφη που χρησιμοποιούν μόνο αεροδυναμικά μέσα για την κατεύθυνσή τους. Φυσικά κάθε τέτοιο ακροφύσιο είναι κατασκευασμένο για την κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της με σκοπό να μπορούν να αντέχουν συγκεκριμένα μεγέθη πίεσης και δύναμης. Ένα τέτοιο παράδειγμα μηχανικής κατεύθυνσης ώσης αποτελούν τα μαχητικά αεροσκάφη των H.Π.Α. F-35 και F-22 (βλ. Σχήμα 2.22, ). Σχήμα 2.22 Τεχνική Κατευθυνόμενης ώσης που εφαρμόζεται στο αεροσκάφος F-35 Το παραπάνω παράδειγμα είναι ένα σύστημα κατευθυνόμενης ώσης μόνο σε έναν άξονα. Ερευνητές απασχολήθηκαν στο να εφοδιάσουν κινητήρες με συστήματα κατευθυνόμενης ώσης που επιδρούν σε πολλαπλούς άξονες. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3, ) αναφέρονται τα είδη κατευθυνόμενης ώσης με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους καθώς και μία απλή γραφική αναπαράσταση της κάθε μίας (Σχήμα 2.23).

47 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 47 Πίνακας 3 Είδη συστημάτων κατευθυνόμενης ώσης

48 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 48 Σχήμα 2.23 Απλή γραφική αναπαράσταση 8 διαφορετικών συστημάτων κατευθυνόμενης ώσης.

49 Σ υ σ τ ή μ α τ α π ρ ο ώ θ η σ η ς κ α ι κ α τ ε ύ θ υ ν σ η ς Μ Ε Ε Α 49 Τύπος υπολογισμού ροπής κατευθυνόμενης ώσης Αν συμβολίσουμε με F τη δύναμη της ώσης από τον κινητήρα, L την απόσταση από το κέντρο μάζας μέχρι το ακροφύσιο και θ την γωνία εκτροπής του ακροφύσιου από εκείνη του άξονα της ώσης, τότε η ροπή που παράγεται και τείνει να αλλάξει την κατεύθυνση του οχήματος είναι : M = F L sinθ (2.29) Σχήμα 2.24 Απεικόνιση ροπής κατευθυνόμενης ώσης

50 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Κατασκευή συστήματος κατευθυνόμενης ώσης

51 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς Κατασκευή συστήματος κατευθυνόμενης ώσης Το πρώτο στάδιο για την κατασκευή ενός μοντέλου ήταν η έρευνα αγοράς και η επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων με βάση τις δυνατότητες τους αλλά και τη μεταξύ τους συμβατότητα. Για προωθητικό σύστημα χρησιμοποιήθηκε ένα ducted fan εφοδιασμένο με έναν Brushless DC κινητήρα. Όπως αναφέρθηκε για να οδηγηθεί ένας Brushless DC κινητήρας απαιτείται η χρήση ενός Electronic Speed Controller (ESC) το οποίο είναι υπεύθυνο για τις στροφές του προωθητικού συστήματος.για την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα επιλέχθηκε μία LiPo μπαταρία καθώς τέτοιου είδους μπαταρίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές ΜΕΕΑ. Αξίζει να σημειωθεί ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα τροφοδοτικό για την εφαρμογή αυτή αλλά έτσι θα αποκλίναμε από τις πραγματικές συνθήκες κάτω από τις οποίες λειτουργεί ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος. Για την επαναφόρτιση τέτοιου είδος μπαταριών απαιτούνται συγκεκριμένοι φορτιστές με χαρακτηριστικά τα οποία πρέπει να συμβαδίζουν με αυτά της μπαταρίας (είδος μπαταρίας, μέγιστη παρεχόμενη ισχύς κ.α.). Επιπροσθέτως ένα ειδικά σχεδιασμένο ακροφύσιο με δυνατότητα κίνησης στους δύο κάθετους,με τον άξονα της ώσης, χρησιμοποιήθηκε στην εφαρμογή. Τα παραπάνω εξαρτήματα αποτέλεσαν την αρχική έρευνα της εργασίας αυτής για να ακολουθήσουν τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά εξαρτήματα τα οποία θα ήλεγχαν το σύνολο της κατασκευής. 3.1 Εξαρτήματα κατασκευής Ducted Fan Ως προωθητικό μέσο της κατασκευής μας χρησιμοποιήθηκε το Dr. Mad Thrust 70mm 11-Blade Alloy EDF της Hobbyking (βλ. Σχήμα 3.1). Σχήμα 3.1 Ducted Fan πειραματικής διάταξης

52 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 52 Το συγκεκριμένο μοντέλο περιλαμβάνει μία έλικα 11 πτερύγων με άνοιγμα 70 χιλιοστά διάμετρο. Στο κέντρο του βρίσκεται ένας Brushless DC ηλεκτροκινητήρας 1900kV το οποίο σημαίνει ότι για κάθε volt που εφαρμόζουμε στον ηλεκτροκινητήρα έχουμε 1900 στροφές ανά λεπτό, όταν σε αυτόν δεν έχουμε εφαρμόσει φορτίο. Ο μέγιστος αριθμός στροφών είναι στροφές ανά λεπτό το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να διαρρέει τον ηλεκτροκινητήρα είναι 74 Α και η μέγιστη τάση που μπορούμε να εφαρμόσουμε σε αυτόν 22.2V. Τέλος, η μέγιστη ώθηση ( max Thrust) του προωθητικού μας συστήματος σύμφωνα με τον κατασκευαστή είναι 2.1 kg. Electronic Speed Controller (ESC) Για να ελέγξουμε την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα μας, χρειαστήκαμε ένα ESC το οποίο θα έπρεπε να πληροί κάποιες προϋποθέσεις. Η κύρια παράμετρος που έπρεπε να αναλογιστούμε ήταν το μέγεθος του ρεύματος, και πιο συγκεκριμένα το μέγεθος του μέγιστου ρεύματος, που θα διέρρεε το κύκλωμά μας, για αυτό άλλωστε τα ESC του εμπορίου κατηγοριοποιούνται με βάση τη τιμή του ρεύματος. Όπως προαναφέρθηκε, το μέγιστο ρεύμα για τον ηλεκτροκινητήρα είναι τα 74 Α. Έτσι για λόγους ασφάλειας και απόδοσης έπρεπε να επιλέξουμε ένα ESC το οποίο να μπορεί να τροφοδοτήσει τον ηλεκτροκινητήρα μας με το ρεύμα που εκείνος απαιτεί. Άλλο ένα χαρακτηριστικό που μας ενδιαφέρει στην επιλογή ενός ESC είναι το εύρος της τάσης που δέχεται ως είσοδο. Σύμφωνα με τα παραπάνω, επιλέχθηκε το YEP 100A (2~6S) SBEC Brushless Speed Controller (βλ. Σχήμα 3.2, store=en_us ) το οποίο καλύπτει τις ανάγκες της συγκεκριμένης εργασίας. Σχήμα 3.2 ESC πειραματικής διάταξης

53 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 53 LiPo Battery Για την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα μας θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα τροφοδοτικό, από τη στιγμή που η κατασκευή μας θα ήταν στατική, όμως για να προσεγγίσουμε όσο γίνεται περισσότερο πραγματικές συνθήκες επιλέξαμε τις μπαταρίες LiPo. Οι μπαταρίες τύπου LiPo χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές μη επανδρωμένων οχημάτων και συγκριτικά με το βάρος τους έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας αφού το λίθιο είναι το πιο ελαφρύ μέταλλο. Βασικό χαρακτηριστικό των μπαταριών αυτών είναι ο αριθμός των στοιχείων από τα οποία αποτελείται η μπαταρία. Κάθε στοιχείο είναι σαν μία ξεχωριστή μπαταρία με ονομαστική τάση τα 3.7 Volt. Η πρακτική περιοχή τάσης είναι από 4.2 Volts όταν τα στοιχεία είναι φορτισμένα, έως 3 Volts όταν εκφορτιστούν. Η συνδεσμολογία των στοιχείων που απαρτίζουν ην μπαταρία φαίνεται στο Σχήμα 3.3 για μια μπαταρία 6 στοιχείων (6S). Σχήμα 3.3 Συνδεσμολογία μπαταρίας LiPo 6 στοιχείων Η εξωτερική διαφορά από τα στοιχεία Li-Ion είναι ότι περικλείονται σε μαλακό περίβλημα που λέγεται "φάκελος". Αυτό το γεγονός τα κάνει να είναι πολύ ελαφριά συγκριτικά με όλα τα άλλα στοιχεία, και αποκλείει τον κίνδυνο έκρηξης, αφού δεν μπορεί να αναπτυχθεί μεγάλη πίεση στο εσωτερικό του στοιχείου, όχι όμως και τον κίνδυνο ανάφλεξης. Οι μπαταρίες τέτοιου τύπου έχουν δύο διαφορετικές θύρες. Η πρώτη είναι αυτή που συνδέεται στο ESC και η δεύτερη (balance port) χρησιμοποιείται για την ομοιόμορφη φόρτιση και εκφόρτιση των στοιχείων της μπαταρίας. Οταν φεύγουν από το εργοστάσιο κατασκευής τους, οι Li-Po έχουν περίπου το 50% του φορτίου τους. Τα στοιχεία Li-Po απαιτούν ειδικές παραμέτρους φόρτισης, που μόνο φορτιστές κατασκευασμένοι για Lipo μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η μέγιστη τάση

54 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 54 φόρτισης ανά στοιχείο (σε σειρά) είναι 4,235V. Στην πράξη η τάση φόρτισης ορίζεται στα 4.2V ή στα 4.15V για περισσότερη ασφάλεια. Όσον αφορά την εκφόρτιση των μπαταριών αυτών, διάφοροι κατασκευαστές ορίζουν διαφορετικές τιμές κατώτατης ασφαλούς τάσης για κάθε στοιχείο. Διάφορες εταιρείες ορίζουν ότι η τάση ενός εκφορτισμένου στοιχείου Li-Po, δεν πρέπει να πέσει πιο κάτω από 3.0V σε ηρεμία, ή από 2.5 V υπό φορτίο. Αν η τάση πέσει σε χαμηλότερες τιμές από αυτές που ορίζει η εταιρεία του στοιχείου, το στοιχείο θα χαλάσει. Η πρώτη γενιά Li-Po περιόριζε το ρεύμα εκφόρτισης στα 2-3C, και η δεύτερη γενιά στα 5-6C. Σήμερα υπάρχουν στοιχεία που επιτρέπουν εκφόρτιση με 8-40C. Σύμφωνα με τα παραπάνω και βάση των χαρακτηριστικών του ηλεκτροκινητήρα και του ESC που είχαμε επιλέξει, η μπαταρία που χρησιμοποιήθηκε για την συγκεκριμένη διπλωματική είναι η LiPo 6s1p 22,2V 5.000mAh 30C KRYPTONIUM XT60 (βλ. Σχήμα 3.4, models.gr/battery-li-po-li-ion-gp-nimh-nicd-ni-mh-ni-cd-lipo-pb/li-po volts-6-cells/ ). Σχήμα 3.4 Μπαταρία τύπου LiPo πειραματικής διάταξης Φορτιστής LiPo μπαταρίας Για την φορτιση, εκφόρτιση αλλά και την αποθήκευση μπαταριών τύπου LiPo απαιτούνται ειδικοί φορτιστές ( και όχι ένα απλό τροφοδοτικό ) καθώς τα

55 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 55 στοιχεία της μπαταρίας πρέπει να έχουν την ίδια τάση και ταυτόχρονα να βρίσκονται πάντα στην περιοχή τάσης 3.0 V 4.2 V. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των συσκευών είναι η μέγιστη ισχύς που μπορούν να παρέχουν στην μπαταρία κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Για την παρούσα εργασία επιλέχθηκε ο IMAX B6AC V2 Professional Balance Charger/Discharger (βλ. Σχήμα 3.5, ) με μέγιστη ισχύ τα 50 W. Πρακτικά, αυτό ερμηνεύεται ως εξής: η μπαταρία μας είναι 6S άρα 22.2 V, άρα ο φορτιστής μας μπορεί να παρέχει στην μπαταρία ρεύμα έντασης μέχρι 2.25 Α. Σχήμα 3.5 Φορτιστής LiPo μπαταρίας Ακροφύσιο Κατευθυνόμενης Ώσης ( Thrust Vectoring Kit) Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, μία από τις πιο διαδεδομένες εφαρμογές κατευθυνόμενης ώσης είναι η τοποθέτηση ενός κατευθυνόμενου ακροφύσιου στην πίσω πλευρά του κινητήρα των αεροσκαφών, με σκοπό τη δημιουργία μιας πλάγιας, ως προς τον άξονα του κινητήρα, δύναμης. Τέτοια στόμια υπάρχουν στο εμπόριο από κατασκευαστές μη επανδρωμένων αεροσκαφών σε τυποποιημένες διαστάσεις για να εφαρμόζουν με ακρίβεια στους ηλεκτροκινητήρες. Συγκρίνοντας λοιπόν τις διαστάσεις του ηλεκτροκινητήρα μας (ducted fan ), επιλέχθηκε το H-King Alloy Vector Thrust Conversion Kit for 70mm EDF Jets (βλ. Σχήμα 3.6) το οποίο έχει

56 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 56 εσωτερική διάμετρο 70 χιλιοστά στην είσοδό του αέρα και 64 χιλιοστά στην έξοδο αυτού. Σχήμα 3.6 Thrust Vectoring Στόμιο πειραματικής διάταξης Κινητήρας με Ρύθμιση Γωνίας (ΚμΡΓ) Για τον άμεσο και ακριβή έλεγχο του ακροφύσιου χρησιμοποιήθηκε ένας Κινητήρας με Ρύθμιση Γωνίας. Οι κινητήρες ΚμΡΓ είναι μικρές συσκευές που έχουν έναν εξωτερικό άξονα. Αυτός ο άξονας μπορεί να μετακινηθεί σε διάφορες θέσεις αν αποσταλεί στον ΚμΡΓ ένα κωδικοποιημένο σήμα. Όσο υπάρχει αυτό το σήμα στην γραμμή εισόδου του ΚμΡΓ τόσο αυτός θα διατηρεί τον άξονα του σε μια συγκεκριμένη θέση. Όταν αλλάζει το σήμα προκαλεί στον ΚμΡΓ να μεταβάλει την γωνία του άξονα. Σε πρακτικές εφαρμογές οι ΚμΡΓ χρησιμοποιούνται σε τηλεχειριζόμενα αεροπλάνα, αυτοκίνητα και στην ρομποτική. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιήθηκε ο Hitec HS- 645MG (βλ. Σχήμα 3.7). Σχήμα 3.7 ΚμΡΓ κινητήρας πειραματικής διάταξης

57 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 57 Δυναμόμετρο (Button Load Cell) Με σκοπό να πάρουμε ακριβείς μετρήσεις της πλάγιας δύναμης και να εξάγουμε τα συμπεράσματά μας χρησιμοποιήθηκε ένα δυναμόμετρο ακριβείας. Τέτοια δυναμόμετρα ονομάζονται «κυψέλη φορτίου» και στην ουσία είναι μία μονάδα ανίχνευσης δυνάμεων η οποία αποτελείται από μικρά στοιχεία γνωστά ως «μετρητές τάσης» τοποθετημένοι σε συγκεκριμένες θέσεις. Είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να μετρούν μια συγκεκριμένη δύναμη και να αγνοούν άλλες δυνάμεις που εφαρμόζονται σε αυτά. Το δυναμόμετρο που χρησιμοποιήθηκε στη, εργασία είναι το Button Load Cell (0-50kg) - CZL204E της Phidget (βλ. Σχήμα 3.8). Σχήμα 3.8 Δυναμόμετρο Το κάτω μέρος του δυναμόμετρου είναι βιδωμένο και η δύναμη προς μέτρηση εφαρμόζεται στο κουμπί στην κορυφή. Με τη φόρτωση μόνο του κουμπιού, το οποίο είναι ελαφρώς στρογγυλεμένο, δυναμόμετρο είναι λιγότερο ευαίσθητο στα σφάλματα που προκύπτουν από το φορτίο που δεν σπρώχνεται προς τα κάτω ακριβώς πάνω στο κελί φορτίου.

58 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς Δημιουργία πειραματικής διάταξης κατευθυνόμενης ώσης Πρώτο μέλημα για την κατασκευή ήταν να ενσωματωθεί το ακροφύσιο (thrust vectoring kit) στον ηλεκτροκινητήρα. Για να γίνει αυτό σχεδιάστηκε ένα πλαστικό εξάρτημα το οποίο θα ενώνει τον ηλεκτροκινητήρα με το ακροφύσιο, σύμφωνα με τις διαστάσεις τους, και το σχέδιο υλοποιήθηκε στο Μηχανουργείο του Πανεπιστημίου Πατρών με το αποτέλεσμα να φαίνεται στο Σχήμα 3.9. Σχήμα 3.9 Ενσωμάτωση ακροφύσιου στον Η/Κ Όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα, το ακροφύσιο διαθέτει όμοια εξωτερική διάμετρο με αυτή του έλικα του ηλεκτροκινητήρα και η απόστασή του από το εξάρτημα που τα συνδέει του επιτρέπει να ελίσσεται με τη μέγιστη δυνατή γωνία. Επόμενο βήμα ήταν να ενσωματώσουμε τους ΚμΡΓ στην κατασκευή μας (ηλεκτροκινητήρας, ακροφύσιο) με σκοπό αυτά να κινούν το ακροφύσιο στην επιθυμητή θέση. Επιπροσθέτως έπρεπε να κατασκευάσουμε ένα πλαίσιο το οποίο θα «τυλίγει» τον ηλεκτροκινητήρα με σκοπό να μετατραπεί η επιφάνειά του σε επίπεδη, έτσι ώστε να εφαρμόζει κάθετα με το δυναμόμετρο. Το πλαίσιο αυτό σχεδιάστηκε με το λογισμικό solidworks το οποίο είναι ένα CAD (computer-aided design) λογισμικό και στη συνέχεια εκτυπώθηκε από τον 3D printer του εργαστηρίου (MakerBot 3D Replicator 2x). Το τελικό σχέδιο του εξωτερικού περιβλήματος του ηλεκτροκινητήρα φαίνεται στο Σχήμα 3.10.

59 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 59 Σχήμα 3.10 Εξωτερικό περίβλημα Έτσι μετά την ενσωμάτωση των ΚμΡΓ και του εξωτερικού περιβλήματος του ηλεκτροκινητήρα στην κατασκευή μας το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 3.11 Κατασκευή με ενσωματωμένα ΚμΡΓ Εύρεση κέντρου βάρους κατασκευής Για να τοποθετήσουμε το δυναμόμετρο, έπρεπε πρώτα να υπολογιστεί με ακρίβεια το κέντρο βάρους της κατασκευής μας. Για τον υπολογισμό αυτόν χρησιμοποιήσαμε και πάλι το λογισμικό solidworks αφού το λογισμικό αυτό έχει τη δυνατότητα υπολογισμού του κέντρου βάρους οποιασδήποτε κατασκευής εφόσον κάθε εξάρτημα έχει περαστεί σε αυτό με τις σωστές διαστάσεις και τα σωστά βάρη. Αρχικά ζυγίσαμε το κάθε εξάρτημα με ζυγαριά ακριβείας και στη συνέχεια υπολογίσαμε τις διαστάσεις του κάθε εξαρτήματος με τη χρήση διαστασιόμετρου. Το κάθε εξάρτημα σχεδιάστηκε σε ξεχωριστό αρχείο (Part Document, βλ. Σχήμα 3.12) και στη συνέχεια όλα μαζί «ενώθηκαν» σε ένα αρχείο συναρμολόγησης ( Assembly Document, βλ. Σχήμα 3.13).

60 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 60 Σχήμα 3.12 Ακροφύσιο (αριστερά)και σώμα κατασκευής (δεξιά) σχεδιασμένα στο Solidworks Σχήμα 3.13 Συνολική κατασκευή σχεδιασμένη στο Solidworks Αφού πλέον έχουμε στο λογισμικό ολόκληρη τη διάταξη, ο υπολογισμός του κέντρο βάρους είναι πολύ απλός και βρίσκεται μέσω μιας εντολής. Πιο συγκεκριμένα μας ενδιαφέρει η απόσταση του κέντρου βάρους από το σημείο που ασκείται η πλάγια δύναμη κατευθυνόμενης ώσης στην κατασκευή μας, δηλαδή το σημείο που εφαρμόζει το ακροφύσιο στην κατασκευή (βλ. Σχήμα 3.14) Σχήμα 3.14 Υπολογισμός κέντρου βάρους κατασκευής

61 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς Κατασκευή βάσης πειραματικής διάταξης Για να καταφέρουμε να μετρήσουμε, με τη βοήθεια του δυναμόμετρου, τη δύναμη της πλάγιας ώσης έπρεπε να κατασκευαστεί μία βάση για την κατασκευή μας η οποία να της επιτρέπει να περιστρέφεται ως προς τον άξονα που είναι κάθετος στην ώση του ηλεκτροκινητήρα και διέρχεται από το κέντρο βάρους της κατασκευής μας. Την περιστροφή της κατασκευής την πετύχαμε με τη χρήση 2 ρουλεμάν από τα οποία πέρασαν 2 βίδες διαμέτρου όμοιας με αυτής των ρουλεμάν και βιδώθηκαν στο «σώμα» της κατασκευής στο ύψος του κέντρου βάρους όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.16 και Σχήμα 3.15 Κατασκευή πειραματικής διάταξης προσαρμοσμένη στη βάση όπως σχεδιάστηκε στο Solidworks

62 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 62 Σχήμα 3.16 Κατασκευή πειραματικής διάταξης προσαρμοσμένη στη βάση. Σχήμα 3.17 Ρουλεμάν κατασκευής πειραματικής διάταξης

63 Κ α τ α σ κ ε υ ή σ υ σ τ ή μ α τ ο ς κ α τ ε υ θ υ ν ό μ ε ν η ς ώ σ η ς 63 Σε αυτό το σημείο της κατασκευής τοποθετήθηκε το δυναμόμετρο (Button Cell ). Για να είναι ορθή η μέτρησή μας, θα έπρεπε να τοποθετηθεί σε ίση απόσταση από το κέντρο μάζας με αυτή που έχει το σημείο αυτό με το σημείο που εφαρμόζεται το ακροφύσιο στην κατασκευή μας. Σε αντίθετη περίπτωση η δύναμη που θα μετρούσαμε δεν θα ήταν ακριβώς κάθετη στο δυναμόμετρο, κάτι που θα είχε ως αποτέλεσμα λανθασμένη μέτρηση αλλά και καταπόνηση του δυναμόμετρου το οποίο υπολογίζει τις κάθετες ως προς τη βάση του δυνάμεις. Σχήμα 3.18 Υπολογισμός θέσης δυναμόμετρου

64 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Συνδεσμολογία και Προγραμματισμός

65 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς Σύνδεση και Προγραμματισμός 4.1 Σύνδεση και προγραμματισμός ESC Έχοντας ολοκληρώσει την κατασκευή μας, επόμενο βήμα ήταν η σύνδεση των στοιχείων μεταξύ τους και με τον τελικό αποδέκτη τον Η/Υ. Όπως προαναφέρθηκε, τα ηλεκτρικά επιμέρους στοιχεία της κατασκευής αποτελούν εξοπλισμό μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Στην περίπτωσή μας όμως θέλουμε να ελέγξουμε τη δύναμη πλάγιας ώσης και να λάβουμε μετρήσεις. Για αυτό τον λόγο η κατασκευή μας είναι στατική και ο έλεγχος του ηλεκτροκινητήρα θα πραγματοποιείται μέσω του Η/Υ. Αυτό ακριβώς το γεγονός επέβαλε να γίνουν μερικές τροποποιήσεις στις συνδέσεις των στοιχείων μας ( ESC, LiPo Battery κ.α. ). Αρχικά συνδέσαμε τους 3 ακροδέκτες (φάσεις) του ηλεκτροκινητήρα (Brushless Ducted Fan) με το Electronic Speed Controller (ESC). Ένα τυπικό ESC, όπως αναφέραμε προηγουμένως, έχει 3 ακροδέκτες που συνδέονται με τον ηλεκτροκινητήρα που θέλουμε να ελέγξουμε, άλλους 2 ακροδέκτες που συνδέονται σε μία πηγή τάσης (στην προκειμένη περίπτωση την LiPo μπαταρία ) και ένα ακόμα pin 3 ακροδεκτών το οποίο στις εφαρμογές των ΜΕΕΑ συνδέεται στον δέκτη σήματος ο οποίος συνήθως επικοινωνεί με ένα τηλεχειριστήριο. Στην δική μας περίπτωση θέλαμε το ESC να ελέγχεται από τον Η/Υ. Έτσι, συνδέσαμε τους δύο από τους 3 ακροδέκτες σε έναν Arduino Mega το οποίο επικοινωνεί με τον Η/Υ μέσω θύρας usb. Πιο αναλυτικά, οι 3 αυτοί ακροδέκτες είναι: 1. Τάση τροφοδοσίας δέκτη (5V) 2. Σήμα εισόδου (Παλμός του οποίου η συχνότητα καθορίζει την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα μας) 3. Γείωση Από τη στιγμή που στην περίπτωσή μας ο δέκτης είναι ένα Arduino ( το οποίο έχει ξεχωριστή δική του τροφοδοσία μέσω τροφοδοτικού ) ο πρώτος ακροδέκτης παραμένει ανοιχτοκυκλωμένος και δεν χρησιμοποιείται. Όλα τα παραπάνω συνοψίζονται στο Σχήμα 4.1.

66 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 66 Σχήμα 4.1 Συνδεσμολογία ESC, H/K και μπαταρίας Έχοντας συνδέσει το ESC με το Arduino Mega και στη συνέχεια με τον ηλεκτροκινητήρα, έπρεπε χειριστούμε το ESC με το λογισμικό του Arduino. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της Arduino Servo Library δίνοντας τιμές στο αντίστοιχο pin του Arduino από 0 μέχρι 180. Αυτό συμβαίνει διότι μέσω της συγκεκριμένης βιβλιοθήκης, το Arduino αντιλαμβάνεται το ESC σαν έναν σερβοκινητήρα. Πριν όμως από αυτό, έπρεπε να θέσουμε στο ESC μια αρχική τιμή σήματος (περιοδικός παλμός ) με την οποία αυτό θα ξεκινάει να λειτουργεί, ενώ για τιμές μικρότερες από αυτήν το ESC παραμένει ανενεργό. Αυτή η παράμετρος αλλά κι παράμετροι όπως η έναρξη, ο τερματισμός του ESC αλλά και ο τύπος και αριθμός κελιών της μπαταρίας προγραμματίστηκαν μέσω της ESC Programming Card της Hobbyking πριν την πρώτη φορά λειτουργίας της κατασκευής μας. Με αυτό τον τρόπο και αφού συνδέσαμε και την μπαταρία στο ESC, θέσαμε ως αρχική τιμή για λόγους ασφαλείας την γωνία 40 και για μέγιστη τιμή (max throttle ) την γωνία των 160. Η επικοινωνία ESC Η/Υ επιτυγχάνεται μέσω του λογισμικού του Arduino και της σειριακής θύρας του ελεγκτή. Έτσι καταφέρνουμε να δίνουμε reatime τιμές στο «γκάζι» του ηλεκτροκινητήρα μας. Ο κώδικας που υλοποιεί τα παραπάνω είναι ο εξής: #include <Servo.h> // This is our motor. Servo mymotor; String incomingstring; void setup() { mymotor.attach(9);

67 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 67 Serial.begin(9600); Serial.println("initializing"); } void loop() { if(serial.available() > 0) { char ch = Serial.read(); if (ch!= 10){ Serial.print("I have received: "); Serial.print(ch, DEC); Serial.print('\n'); incomingstring += ch; } else { Serial.println("I am printing the entire string"); Serial.println(incomingString); int val = incomingstring.toint(); Serial.println("Printing the value: "); Serial.println(val); /* * We only want to write an integer between * 0 and 180 to the motor.

68 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 68 */ if (val > -1 && val < 181) { // Print confirmation that the // value is between 0 and 180 Serial.println("Value is between 0 and 180"); // Write to Servo mymotor.write(val); } // The value is not between 0 and 180. else { Serial.println("Value is NOT between 0 and 180"); Serial.println("Error with the input"); } } // Reset the value of the incomingstring incomingstring = ""; } } 4.2 Σύνδεση LiPo Μπαταρίας Όπως αναφέραμε προηγουμένως, οι μπαταρίες τύπου LiPo είναι ευαίσθητες ως προς τη χρήση τους, όσον αφορά την φόρτιση, την εκφόρτιση αλλά και την αποθήκευσή τους. Σε περίπτωση που η μπαταρία δεν χρησιμοποιηθεί για περισσότερο από μία εβδομάδα, θα πρέπει μέσω του ειδικού φορτιστή της να τεθεί σε storage mode, δηλαδή κάθε στοιχείο (στην προκειμένη περίπτωση 6) να έχει τάση περίπου 3.80 Volts και συνολική τάση 6*3.80 V = 22.8 Volts. Όταν η μπαταρία ήταν πλήρως φορτισμένη, τα στοιχεία της βρισκόντουσαν σε τάση 4.2 Volts και συνολικά όλα τα στοιχεία 6*4.2V=25.2 Volts. Καθώς ο ηλεκτροκινητήρας βρισκόταν σε λειτουργία, η μπαταρία

69 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 69 εκφορτίζεται. Γνωρίζοντας ότι σε περίπτωση που η τάση της πηγής μας δεν πρέπει να πέσει κάτω από 6*3.2V =19.2 Volts, αφού σε αυτή την περίπτωση θα καταστρέφαμε την μπαταρία, έπρεπε να είμαστε ενήμεροι για την τάση της μπαταρίας κάθε χρονική στιγμή που ο ηλεκτροκινητήρας βρισκόταν σε λειτουργία. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα δεύτερο Arduino (Uno) ως βολτόμετρο το οποίο θα κατέγραφε σε μορφή txt στον Η/Υ την τάση της μπαταρίας κάθε χρονική στιγμή. Η μπαταρία συνδέεται στο ESC μέσω ενός XT60 αντάπτορα ( Σχήμα 4.2 ) και κατά τη διάρκεια λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα η τάση της μπαταρίας καταγράφεται στον Η/Υ μέσω του Arduino και της balance port που διαθέτει η μπαταρία. Σχήμα 4.2 XT60 θύρα Από τη στιγμή που ένα Arduino δεν μπορεί να διαβάσει τάσεις άνω των 5 Volts και η περιοχή λειτουργίας τάσης της μπαταρίας κατά τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα είναι από 19.2 Volts έως και 25.2 Volts χρησιμοποιήσαμε έναν διαιρέτη τάσης (βλ. Σχήμα 4.3 ) με R1 =1.8 kω και R2 = 22kΩ. Σχήμα 4.3 Διαιρέτης τάσης LiPo μπαταρίας Έτσι, καταφέραμε να περιορίσουμε το εύρος τιμών που θα διαβάζει ο Arduino από { } σε { } το οποίο υπολογίζεται με τον γνωστό τύπο του διαιρέτη τάσης V 1 = R 2 (R 1 +R 2 ) V LIPO (4.1)

70 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 70 Σχήμα 4.4 Διάταξη διαιρέτη τάσης Ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε για το συγκεκριμένο βολτόμετρο / διαιρέτη τάσης γράφτηκε σε περιβάλλον Arduino και είναι ο εξής : #define NUM_SAMPLES 10 int sum = 0; unsigned char sample_count = 0; float voltage = 0.0; void setup() { } Serial.begin(9600); void loop() { } while (sample_count < NUM_SAMPLES) { sum += analogread(a2); sample_count++; delay(100);

71 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 71 voltage = ((float)sum / (float)num_samples * 5.0) / ; Serial.print(voltage * 13.16); Serial.println (" "); sample_count = 0; sum = 0; } 4.3 Σύνδεση ΚμΡΓ και δυναμόμετρου Στο προηγούμενο κεφάλαιο αναφερθήκαμε στον εξοπλισμό της κατασκευής. Ίσως τα σημαντικότερα εξαρτήματα της κατασκευής αυτής να είναι ο ΚμΡΓ που συνδέεται (μέσω σύρματος ) στο ακροφύσιο του ηλεκτροκινητήρα αλλά και το δυναμόμετρο που μετράει την δύναμη της κατευθυνόμενης ώσης. Και τα δύο αυτά μέρη έπρεπε να επικοινωνούν με τον Η/Υ και για αυτό τον λόγο χρησιμοποιήθηκαν δύο έτοιμες διατάξεις πλακέτες που βρίσκονται στο εμπόριο από την εταιρεία Phidget. Αρχικά για τον ΚμΡΓ που ανάλογα με τη θέση του καθορίζεται και η θέση του ακροφύσιου του ηλεκτροκινητήρα μας, χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής PhidgetAdvancedServo 8-Motor (βλ. Σχήμα 4.5) ο οποίος έχει τη δυνατότητα να ελέγχει μέχρι 8 σερβοκινητήρες ταυτόχρονα και μπορεί να προγραμματιστεί με τα περισσότερα ευρέως διαδεδομένα λογισμικά και γλώσσες προγραμματισμού (Python, C, C++, MATLAB, LabVIEW, Java κ.α.) όπως επίσης και με ένα εύχρηστο πρόγραμμα της εταιρείας. Σχήμα 4.5 PhidgetAdvancedServo 8-Motor

72 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 72 Ο ελεγκτής αυτός συνδέεται με τους σερβοκινητήρες μέσω ενός 3-pin καλωδίου του οποίου οι επαφές είναι: 1. Γραμμή σήματος 2. Τάση τροφοδοσίας (5 Volt) 3. Γείωση Όσο το σήμα παραμένει σταθερό, ο άξονας του σερβοκινητήρα δεν μεταβάλλεται ενώ όταν μεταβάλλουμε τη συχνότητά του, ο άξονας μετατοπίζεται με αποτέλεσμα να μεταβληθεί η γωνία μεταβολής της ώσης ως αποτέλεσμα μετατόπισης του ακροφύσιου. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε ότι αναλόγως την κάθε μέτρηση που εκτελούσαμε στο εργαστήριο (για διαφορετικές γωνίες, για διαφορετικές στροφές ανά λεπτό (σ.α.λ.) του ηλεκτροκινητήρα κ.α.) χρησιμοποιήθηκε ξεχωριστός για κάθε περίπτωση κώδικας σε περιβάλλον MATLAB. Τέλος, για τον ελεγκτή αυτό χρησιμοποιήθηκε τροφοδοτικό 12 Volt. Όσον αφορά το δυναμόμετρο για την μέτρηση της δύναμης κατευθυνόμενης ώσης, χρησιμοποιήθηκε επίσης ελεγκτής της Phidget και πιο συγκεκριμένα ο PhidgetBridge 4-Input (βλ. Σχήμα 4.6) ο οποίος έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει τις τιμές της δύναμης για κάθε χρονική στιγμή στον Η/Υ μέσω usb καλωδίου. Σχήμα 4.6 PhidgetBridge συνδεδεμένο στο δυναμόμετρο Το δυναμόμετρο παράγει μία πολύ μικρή διαφορά δυναμικού (της τάξης των mv) και αυτή η διαφορά δυναμικού αναγνωρίζεται από το PhidgetBridge το οποίο στην ουσία είναι ένας analog-to-digital μετατροπέας. Για να μετατραπεί η αυτή η διαφορά δυναμικού σε μία μέτρηση βάρους το δυναμόμετρο θα έπρεπε να βαθμονομηθεί (calibration). Αυτό γίνεται με δύο βήματα με τη βοήθεια του λογισμικού της Phidget. Αρχικά και με μηδενικό φορτίο στο δυναμόμετρο «θέτεις» στο λογισμικό μηδενική τιμή και στη συνέχεια με ένα αντικείμενο γνωστού βάρους ( εδώ χρησιμοποιήθηκε ένα βαρίδι 0.5 kg. Αφού ζυγίστηκε σε ζυγαριά ακριβείας) θέτεις την

73 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 73 γνωστή τιμή του βάρους. Το αποτέλεσμα αυτής της βαθμονόμησης είναι μία συνάρτησης της μορφής y=a*x+b. Όπου x η διαφορά δυναμικού που διαβάζει ο ελεγκτής από το δυναμόμετρο και y η μετάφραση του δυναμικού αυτού σε βάρος (δύναμη). Όπως εύκολα διαπιστώνουμε, το b υπολογίζεται κατά την βαθμονόμηση όταν θέτουμε το 0 με κανένα βάρος στο δυναμόμετρο και το a όταν τοποθετήσουμε στο δυναμόμετρο φορτίο γνωστού σε εμάς βάρους. H βαθμονόμηση που εκτελέστηκε στο εργαστήριο είχε ως αποτέλεσμα τη συνάρτηση y= *x + ( ). O κώδικας ο οποίος αποθήκευε κάθε χρονική στιγμή των μετρήσεων τις τιμές από το δυναμόμετρο βασιζόμενος στην παραπάνω συνάρτηση είναι ο εξής: #include <stdio.h> #include <phidget21.h> FILE *f_pt; int CCONV AttachHandler(CPhidgetHandle phid, void *userptr) { CPhidgetBridgeHandle bridge = (CPhidgetBridgeHandle)phid; CPhidgetBridge_setEnabled(bridge, 0, PTRUE); CPhidgetBridge_setEnabled(bridge, 1, PFALSE); CPhidgetBridge_setEnabled(bridge, 2, PFALSE); CPhidgetBridge_setEnabled(bridge, 3, PFALSE); CPhidgetBridge_setGain(bridge, 0, PHIDGET_BRIDGE_GAIN_128); CPhidgetBridge_setGain(bridge, 1, PHIDGET_BRIDGE_GAIN_16); CPhidgetBridge_setGain(bridge, 2, PHIDGET_BRIDGE_GAIN_32); CPhidgetBridge_setGain(bridge, 3, PHIDGET_BRIDGE_GAIN_64); CPhidgetBridge_setDataRate(bridge, 1000); } printf("attach handler ran!\n"); return 0; int CCONV DetachHandler(CPhidgetHandle phid, void *userptr) { printf("detach handler ran!\n"); return 0; } int CCONV ErrorHandler(CPhidgetHandle phid, void *userptr, int ErrorCode, const char *errorstr) { printf("error event: %s\n", errorstr); return 0; } #define FREQS_SIZE 20 double bridges[freqs_size] = { 0 }; int CCONV data(cphidgetbridgehandle phid, void *userptr, int index, double val) { CPhidgetBridgeHandle bridge = (CPhidgetBridgeHandle)phid; double f, ms, calibval, k, offset;

74 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 74 k = ; offset = ; calibval = k*val + offset; val:in mv/v, calibval:in N //Gain value // Force at no-load condition // Actual force measurement, printf("data Event (%d) %lf\n", index, calibval); //Save Data in File fprintf(f_pt, "%lf\n", calibval); } return 0; void display_generic_properties(cphidgethandle phid) { int sernum, version; const char *deviceptr; CPhidget_getDeviceType(phid, &deviceptr); CPhidget_getSerialNumber(phid, &sernum); CPhidget_getDeviceVersion(phid, &version); } printf("%s\n", deviceptr); printf("version: %8d SerialNumber: %10d\n", version, sernum); return; void test() { const char *err; int result; CPhidgetBridgeHandle bridge; //CPhidget_enableLogging(PHIDGET_LOG_VERBOSE, NULL); CPhidgetBridge_create(&bridge); NULL); NULL); NULL); CPhidget_set_OnAttach_Handler((CPhidgetHandle)bridge, AttachHandler, CPhidget_set_OnDetach_Handler((CPhidgetHandle)bridge, DetachHandler, CPhidget_set_OnError_Handler((CPhidgetHandle)bridge, ErrorHandler, CPhidgetBridge_set_OnBridgeData_Handler(bridge, data, NULL); CPhidget_open((CPhidgetHandle)bridge, -1); //Wait for 10 seconds, otherwise exit if (result = CPhidget_waitForAttachment((CPhidgetHandle)bridge, 10000)) { } CPhidget_getErrorDESCription(result, &err); printf("problem waiting for attachment: %s\n", err); return; display_generic_properties((cphidgethandle)bridge); //Wait for enter

75 Σ υ ν δ ε σ μ ο λ ο γ ί α κ α ι π ρ ο γ ρ α μ μ α τ ι σ μ ό ς 75 getchar(); printf("closing...\n"); CPhidget_close((CPhidgetHandle)bridge); CPhidget_delete((CPhidgetHandle)bridge); } return; int main(int argc, char* argv[]) { f_pt = fopen("c://metrhseis/recorddata.txt", "w"); test(); fclose(f_pt); return 0; }

76 Π ε ι ρ ά μ α τ α κ α ι Μ ε τ ρ ή σ ε ι ς 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πειράματα και Μετρήσεις

77 Π ε ι ρ ά μ α τ α κ α ι Μ ε τ ρ ή σ ε ι ς Πειράματα και Μετρήσεις Όσα προαναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, τόσο το θεωρητικό υπόβαθρο όσο και η έρευνα αγοράς, η αγορά και κατανόηση των επιμέρους στοιχείων αλλά και η δημιουργία ενός μοντέλου πραγματοποιήθηκαν με σκοπό την μέτρηση της δύναμης κατευθυνόμενης ώσης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, η δύναμη αυτή δημιουργείται λόγω της ύπαρξης ενός ακροφυσίου στην απόληξη του έλικα του ηλεκτροκινητήρα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διαγράμματα για διαφορετικές γωνίες του ακροφύσιου αλλά και για διαφορετικές τιμές των στροφών ανά λεπτό του ηλεκτροκινητήρα που χρησιμοποιήθηκε. 5.1 Μέτρηση δύναμης με σταθερό ρεύμα και γωνία ακροφύσιου. Κατά τις αρχικές μας μετρήσεις αρχικό μέλημα ήταν να δούμε ότι τα επιμέρους στοιχεία της κατασκευής λειτουργούν σύμφωνα με τις προδιαγραφές τους και σύμφωνα με τις επιλογές του χρήστη. Αξίζει να αναφερθεί ότι τα μεγέθη των ρευμάτων από την μπαταρία μέχρι τον ηλεκτροκινητήρα διαμέσου του ESC ήταν μεγάλα ( άνω των 100 Α ), και για τον λόγο αυτόν έπρεπε να είμαστε αρκετά προσεκτικοί με τη χρονική διάρκεια των πειραμάτων ειδικά όταν ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργούσε σε μεγάλο αριθμό στροφών (max RPM : 46000). Πρώτη μέτρηση προς παρουσίαση (βλ. Σχήμα 5.2) είναι αυτή της σταθερής γωνίας ακροφύσιου. Σε αυτήν την περίπτωση επιλέχθηκε η μέγιστη γωνία που μπορεί το ακροφύσιο να αποκτήσει και αυτή μετρήθηκε στις 22 Σχήμα 5.1 Ακροφύσιο Κατασκευής