Dlouhé chvíle především v letních měsících trávíme s leteckými nadšenci a piloty na několika letištích v prostředí Českomoravské vrchoviny. Je jistě příjemné právě v takové komunitě techniků hledat nové možnosti využití digitálních technologií. I když se pohybujeme na úrovni modelářských aktivit, celá řada moderních jak mechanických, tak elektronických systémů je často převzata od svých „dospělých“ vzorů. Ať se již bavíme o využití moderních kompozitních materiálů na bázi uhlíkových tkanin, nebo o využití pokrokových gyroskopických stabilizačních systémů, je vždy základem vytvoření kvalitního a precizního konstrukčního řešení.

Díky precizní a stále chytřejší digitální elektronice mohou vzlétnout i stroje, které byly v dřívějších dobách pouze na stránkách vědecko-fantastických románů a součástí filmových trikových scén. Kudy se bude opravdu ubírat vývoj skutečných létajících strojů, není zatím zřejmé, ale již dnes si můžeme ověřit řadu odborných teorií a postupů na skutečných a funkčních modelech.

Konstrukce modulárního rámu z kompozitních materiálů na bázi uhlíkových tkanin

Multikoptéra jako komplexní projekt řešený pomocí digitálního prototypu

Právě jeden z takových projektů se stal cílem poměrně rozsáhlého studentského projektu, který byl řešen v rámci odborné výuky na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou Ondrou Hamanem. Od počátku se mi projekt velmi líbil. Spojení složité mechaniky opírající se o moderní materiály, aerodynamiku, výpočty a především vysokou úroveň elektronizace, dávalo od počátku naději, že se může jednat o ambiciózní řešení s velmi zajímavým výstupem nad rámec znalostí žáka průmyslové školy.

Cílem nebylo pouze postavit zcela nový létající model multikoptéry, ale analyzovat kritická místa jeho konstrukce a řešení stabilizačních a řídících modulů.

Výpočet posunutí uložení pohonu při maximálním tahu vrtule

Ondra Haman začal s prvními návrhy v loňském roce, kdy v našem letovém klubovém parku vedle desítek modelů letadel a vrtulníků scházelo něco originálního. Z počátku bylo nutné stanovit koncepci nového létajícího stroje. Ta vychází v případě multirotorového řešení z poměru statického tahu vrtulí s jistými rezervami na řídící diference vůči jeho vzletové hmotnosti.

Bylo nutné navrhnout takové řešení, aby bylo co možná nejvíce modulární a modifikovatelné z pohledu počtu hnacích jednotek, řešených pomocí střídavých elektromotorů řízených vysoce přesnou regulací. Jedině v tomto případě se stroj vznese a je samozřejmě řiditelný pomocí přímé regulace diference otáček jednotlivých rotorů.

Optimalizace uložení střídavého motoru a elektronické regulace

Koncepce a podstata schopnosti vzletu multikoptéry vychází z jednoduchého matematického předpokladu, který je dán vektorovým součtem aktuálního tahu na jednotlivých rotorech. Standardně se využívá čtyř až dvanácti hnaných rotorů. Existují i varianty tří- a dvourotorové, ale ty již vyžadují pro let jistou mechanickou modifikaci natáčení rotorových hlav, která je již konstrukčně složitější. Řízení směru letu je pak řešeno diferenciací rotace jednotlivých hnacích jednotek, za které považujeme samostatný střídavý elektromotor s pravo- nebo levoběžnou vrtulí pro kompenzaci rotačního momentu.

Konstrukce a analýzy pomocí modulů Autodesk Inventoru

Ondřej využil v rámci prvních návrhových konceptů digitální prototyp. Ten slibuje již na úrovni prvotních návrhů odhalení konstrukčních problémů a chyb. Na rozdíl od 2D konstrukce lze na úrovni digitálního prototypu také analyzovat některé z velmi důležitých mechanických a pevnostních výpočtů. V našem případě se jednalo především o analýzu pevnosti jednotlivých nosných ramen multikoptéry, která jsou tvořena složitou vylehčovanou konstrukcí z kompozitu plněného uhlíkovými vlákny. Hlavním problémem bylo u tohoto materiálu stanovit potřebné směrové mechanické vlastnosti, které bylo nutné nakonec ověřit v laboratoři na strojích pro destruktivní analýzu materiálů.

Řešení pozice těžiště, baterie a řídící elektroniky

Konstrukční návrhy multikoptéry byly realizovány pomocí Autodesk Inventoru. Aplikace disponuje vysokým množstvím intuitivních nástrojů, které je možné při tvorbě variantního digitálního prototypu využít. Strategií řešení byl návrh snadné modifikace ramen s ohledem na počet hnacích jednotek. Velmi důležitou roli pak hrálo rozmístění jednotlivých komponent tak, aby byla dodržena správná poloha těžiště. Právě v této oblasti je 3D model ideálním podkladem pro analýzy. Součástem sestavy lze jednoduše přiřadit na úrovni atributů jejich fyzikální a materiálové vlastnosti, což je výborným základem pro výpočty a stanovení limitních hodnot. Optimální polohu těžiště multikoptéry bylo možné i při variantních sestavách proto udržet v rámci několika milimetrů, což je pro model dané velikosti naprosto vyhovující.

Gyroskopická elektronika a stabilizační systémy

Samostatnou návrhovou etapu řešení vyžadovala vlastní řídící elektronika. Ta se skládá z odpovídajícího počtu regulátorů otáček pro střídavé elektromotory a z centrální programovatelné procesorové jednotky, která je pomyslným mozkem řízení multikoptéry. Elektronika je osazena v současné době již velmi přesnými tříosými gyroskopy a akcelerometry, bez kterých by byl stroj jen hromádkou neřiditelných součástek. Tak jak u létajících strojů s pevným křídlem operujeme při stanovení řiditelnosti především s aerodynamickými hodnotami, u multikoptéry je let především věcí přesné regulace otáček hnacích jednotek s vrtulemi, které na rozdíl od klasického vrtulníku mají pevnou geometrii listů.

FEM analýza deformačních posunů základní konstrukční desky

Velmi příjemným zjištěním v rámci celého návrhového procesu je, že řadu postupů a součástí lze aktuálně ověřit i formou přímého 3D tisku, který u takto malých modelů dovoluje vytvořit prakticky plně funkční komponenty pro možnosti testování před finální výrobou. V našem případě jsme využili FDM technologie společnosti Stratasys.

Konstrukce modelu multikoptéry realizovaná pomocí nástrojů PLM poukazuje na možnost komplexní realizace dlouhodobých projektů ve školství s využitím všech vzájemně provázaných oborů. Produkty z oblasti CAD/CAE/FEM jsou v této oblasti velmi dobře aplikovatelným nástrojem, který podporuje nejen kreativitu, ale také multioborovou součinnost v oblastech strojírenství, průmyslové automatizace a mechatroniky.