آشنايی با هواپيمای مدل
آشنايی با هواپيمای مدل
سطح ۱
تهيه : کيوان انتظاری
پژوهشکده شهيد وزوايی (رضايی)
دانشگاه صنعتی شريف
بهار 95
پيشگفتار
جزوه آموزشی پيش رو، به منظور کسب اطلاعات پايه در زمينه طراحی، ساخت و پرواز هواپيماهای مدل به عنوان زيرشاخهی نمونههای بدونسرنشين آماده شده است. در اين راستا، سعی بر جمع آوری و ارائه نکات کليدی در هر مورد بوده و از ارائه مطالب سطح پيشرفته در اين مستند، خودداری شده است. لذا مطالعه اين جزوه برای افراد توصيه ميشود.
فهرست مطالب
فصل 1. 5
انواع هواپيمای مدل. 5
فصل 2. 10
شناخت نيروهای وارد بر هواپيما 10
فصل 3. 13
سيستم پيشران. 13
فصل 4. 23
سيستمهای الکترونيکی و ادوات مرتبط با هواپيمای مدل. 23
فهرست اشکال
شکل 1-نمونهای از يک هواپيمای آموزشی.. 6
شکل 2- نمونهای از يک هواپيمای اسپورت.. 7
شکل 3- نمونهای از يک هواپيمای آکروباتيک... 7
شکل 4- نمونهای از يک هواپيمای مقياسی.. 9
شکل 5-توليد نيروی برآ بر روی بال. 11
شکل 6-تعادل نيروها در پرواز 11
شکل 7- ماژول کنترل سدرعت گردش موتور (Speed Control) 14
شکل 8- استفاده از گيربکس به منظور افزايش قدرت موتور 15
شکل 9 - کاربری موتورهای الکتريکی با دور بالا در نمونههای داکت فن.. 15
شکل 10- استفاده از يک موتور الکتريکی در هواپيمای آکروبات.. 16
شکل 11 - نمونه موتور پيستونی الکلی دو زمانه. 17
شکل 12- نمونه موتور پيستونی الکلی چهار زمانه. 18
شکل 13- قسمتهای مختلف يک موتور الکلی.. 19
شکل 14- قسمتهای مختلف موتور بنزينی.. 20
شکل 15- قسمتهای مختلف يک موتور جت.. 21
شکل 16 - راديو کنترل با فرکانس 4/2 گيگاهرتز با آنتن کوتاه 24
شکل 17-راديو کنترل با فرکانس 72 مگاهرتز با آنتن تلسکوپی بلند ميله ای.. 24
شکل 18-اتصال سروو موتورها به يک گيرنده 25
شکل 19- گيرنده راديويی.. 26
شکل 20- فرآمين کنترلی استاندارد برای هواپيمای مدل. 26
شکل 21- سروو موتور مورد استفاده در هواپيما 27
شکل 22- چيدمان مناسب سرووموتورها با کمترين طول سيم کشی.. 28
شکل 23- انواع سرسرووهای معمول مورد استفاده در هواپيماهای مدل. 28
شکل 24- ماژول پايدارساز با استفاده از سنسورهای دمايی و نوری.. 29
شکل 25- نصب سنسور پايدارساز بر روی بدنه هواپيمای مدل. 30
فصل 1
انواع هواپيمای مدل
هواپيماهای مدل از آغاز تا کنون، با توجه به کيفيت پروازی و مشخصههای ابعادی خود، دارای تنوع بسياری بوده که باعث شکلگيری کلاسهای چندگانه زير برای آنها شده است. اين کلاسبندی بر حسب نوع موتور، شکل و پيکربندی هواپيما، قابليت مانور و ... بوده است. با احتساب فاکتورهای مختلف، ميتوان به کلاسبندیهای ديگری در اين زمينه دست يافت؛ کلاسهای متعارف زير برای نمونه هواپيماهای مدل مطرح است.
- هواپيماهای آموزشی (Training Plane)
- هواپيماهای اسپورت (Sport Plane)
- هواپيماهای آکروباتيک (Aerobatic Plane)
- هواپيماهای اسکيل (Scale Plane)
همانطور که در بالا نيز اشاره شد، ميتوان نمونه هواپيماهای مدل را بر حسب موتور آنها و مشخصات حجم و اندازه و توان سيستم پيشران، دستهبندی کرد. به نمونه ای از اين دستهبندی در زير اشاره شده است.
- هواپيماهای با موتور الکتريکی
- هواپيماهای با موتور سوختی الکلی و بنزينی
- هواپيماهای با موتور جت
در ادامه، به ارائه توضيحاتی در زمينه ردههای مختلف هواپيماها و شناخت مشخصات کلی کلاسبندی چهارگانه فوق پرداخته شده است.
هواپيماهای آموزشی (Training Plane)
اين دسته به منظور آموزش پرواز با هواپيمای مدل طراحی و ساخته ميشوند. به منظور حفظ بيشترين پايداری و نيز خوشدستی، دارای بالهای نصب شده بر روی بدنه بوده و پرواز با آنها بسيار سادهتر از ساير نمونهها است. سطح بال و نيز سطوح کنترل نسبی بالا در اين کلاس، امکان پرواز با سرعت کم و نيز فرمانپذيری مناسب را فراهم ميسازد. علاوه بر سطح بال، استفاده از مقاطع بال غيرمتقارن با قابليت بالا در توليد ضريب نيروی برآ، موجب کاهش سرعت واماندگی در اين هواپيماها و سهولت برخاست و نشست اين رده شده است. کاهش طول باند پرواز، از ديگر مزايای آنها مخصوصاً در فازهای آموزش خلبانی مدل بشمار ميآيد. استفاده از موتور در دماغه هواپيما به منظور کاستن از پيچيدگی ساخت و پرواز و نيز قرارگيری مرکز جرم در موقعيت مناسب، از تمهيداتی است که در اين رده استفاده ميشود. تصوير شماره 1، نمونه ای از اين هواپيماها را نشان ميدهد.
شکل 1-نمونهای از يک هواپيمای آموزشی
عموماً از يک راديو چهار کانال به منظور پرواز با اين دست از هواپيماها استفاده ميشود. به علت سادگی پيکربندی و نيز ادوات و زيرسيستمهای آنها، هزينههای تعمير و نگهداری اين کلاس کمتر از نمونههای ديگر ميباشد.
هواپيماهای اسپورت (Sport Plane)
نمونههای اسپورت به منظور انجام مانورهای هوايی مورد استفاده قرار ميگيرند. اين دسته از هواپيماها دارای بدنه کشيده با بال نصب شده در زير يا وسط بدنه بوده، به راحتی ميتوانند مانورهای هوايی پيچيده را انجام دهند. استفاده از مقاطع بال متقارن جهت اجرای مانورهای مختلف، از مشخصات ديگر اين نمونهها بشمار ميآيد. قرارگيری بال در زير بدنه، موجب سهولت نشست و برخاست اين رده از هواپيما ميشود. مجموع موارد ياد شده موجب بکارگيری اين نمونهها به منظور مصارف آموزشی شده است. اما نسبت به هواپیماهای دسته اول (آموزشی) در اولويت دوم اين کاربری قرار دارند. تصوير شماره 2، نمونه ای از اين هواپيماها را نشان ميدهد.
شکل 2- نمونهای از يک هواپيمای اسپورت
عموماً از يک راديو چهار کانال به منظور پرواز با اين دست از هواپيماها استفاده ميشود. در نمونه هواپيماهای اسپورت از موتورهای قویتر با دور بالا استفاده ميشود که با توجه به استفاده از مقاطع بال متقارن، امکان پرواز با سرعت بالا را فراهم ميسازد.
هواپيماهای آکروباتيک (Aerobatic Plane)
نمونه هواپيماهای آکروباتيک به منظور انجام مانورهای خاص و بسيار پيچيده طراحی و ساخته شدهاند. نصب بالها در وسط بدنه، استفاده از سطوح کنترل با مساحت و بازه حرکتی بسيار بيشتر نسبت به کلاسهای ديگر و تجهيز هواپيما با موتور ملخی با توان بسيار بالاتر از آنچه هواپيما برای يک پرواز معمول نياز دارد، از مشخصات اين دست از هواپيماها است. مقاطع بال متقارن در بالها، امکان اجرای مانورهای مختلف را برای آنها فراهم ميسازد. مانورهای ملقب به 3D يا پرواز ايستايی (Hovering) در اين دست از هواپيماها امکانپذير است. تصوير شماره 2، نمونه ای از اين هواپيماها را نشان ميدهد.
شکل 3- نمونهای از يک هواپيمای آکروباتيک
عموماً از يک راديو شش کانال با قابليت تطبيق الگوی حرکت سرووموتورهای مختلف با هم به منظور پرواز با اين دست از هواپيماها استفاده ميشود. استفاده از سرووموتورهای با سرعت و قدرت و دقت بالا در اين دست از هواپيماها به علت نيازمندی به کارايی بالا در حين انجام مانورهای پيچيده، از جمله موارد مهم در اين کلاس است. هزينههای تعمير و نگهداری در اين کلاس از هواپيماها به علت موارد ياد شده در بالا، بسيار بيشتر از ساير نمونهها است. با پيشرفت تکنولوژی، استفاده از موتورهای الکتريکی با توان بالا در اين کلاس از هواپيماها مقبوليت يافته است.
هواپيماهای اسکيل (Scale Plane)
نمونه هواپيماهای اسکيل يا مقياسی به دستهای اطلاق ميگردد که با حفظ نسبت مقياسی خاص، از نمونه يک هواپيمای سرنشيندار ساخته ميشوند. رفتار هواپيما و ديناميک حرکتی آن در حين پرواز، مشابهت بالايی به نمونه سرنشيندار خود داشته، لذا از اين دست در روند طراحی و ساخت و يا بهينهسازی برخی هواپيماها استفاده ميشود.
شکل 4- نمونهای از يک هواپيمای مقياسی
فصل 2
شناخت نيروهای وارد بر هواپيما
نیروی آیرودینامیك در اثر وزش باد بر روی یك جسم تولید می‌شود. این جسم می‌تواند تیر چراغ برق ، یك آسمان خراش ، پل ، هواپیما و یا كابل برق فشار قوی باشد. اما بازتاب نیروی آیرودینامیكی كه ایجاد می‌شود، بستگی به شكل این جسم خاص كه در معرض وزش باد قرار گرفته است، دارد. به طور مثال اگر جسم پهن و دارای زاویه تند باشد در برابر باد مقاومت می‌كند و در جهت وزش باد خم می‌شود. اما اگر دارای زوایای خمیده و یا نیم‌دایره باشد، مقاومت كمتری نسبت به سایر اجسام خواهند داشت. نیروهای آیرودینامیكی شامل دو نیروی اصلی برا و پسا در هواپيما می‌شود، كه در ادامه به آن پرداخته شده است.
نیروی برا (LIFT)
نیروی برآ ، نیرویی است كه باعث بالا رفتن هواپیما یا هلیكوپتر و اجسام پرنده شده و معمولاً توسط حرکت بال/تيغه ملخ در ميان يک سيال (هوا) ایجاد می‌شود. برای اینكه این نیرو ایجاد شود باید جسم مورد نظر شكل خاصی داشته باشد، مطلوب‌ترین شكل، مقاطع بال يا ايرفويلها بشمار ميآيند. به زبان ساده، وقتی كه مولكولهای هوا با لبه جلوی بال برخورد می‌كند، تعدادی به سمت بالا و تعدادی به سمت پایین بال متمایل می‌شوند. هر دو گروه مولكولها می‌بایستی در انتهای بال همزمان به یكدیگر برسند. چون بالای بال هواپیما انحنای بیشتری دارد و مسافت آن نسبت به زیر بال بیشتر اس، در نتیجه مولكولهایی كه از سطح بالایی عبور می‌كنند، می‌بایستی با سرعت بیشتری حركت كنند تا با مولكولهای سطح پایین همزمان به انتهای بال هواپیما برسند. بنا به قانون برنولی، این عمل باعث كاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پایین بال خواهد شد. حال كه فشار هوا در قسمت بالای بال كاهش می‌یابد و یك خلأ نسبی ایجاد می‌شود ، جسم را به طرف خود می‌كشد. این خلأ نسبی همان نیروی برآ می‌باشد كه باعث بالا رفتن هواپیما می‌شود. هر چقدر سرعت هواپیما بیشتر باشد مقدار خلا نسبی نیز بیشتر شده و نيروی بالابرنده بيشتری توليد ميشود. تصوير زير، اين مورد را نشان ميدهد.
شکل 5-توليد نيروی برآ بر روی بال
نیروی پسا (DRAG)
طبق قانون نیوتن هر عملی یك عكس‌العمل در جهت مخالف خواهد داشت به دلیل اینكه نیروی رانش باعث جلو رفتن هواپیما می‌شود، افزایش این نیرو باعث افزایش نیروی پسا خواهد شد. وجود نیروی پسا یك امر اجتناب ناپذیر است ولی كارشناسان ، طراحان و سازندگان هواپیما سعی می‌كنند در حین پرواز از مقدار نیروی پسا كاسته شود. اين نيرو حاصل از برخورد ذرات هوا با قسمتهای مختلف هواپيما و ايجاد اصطکاک است. با افزوده شدن سرعت هواپیما ، سرعت جریان هوا نیز افزایش یافته و نیروی برا افزایش می‌یابد تا بر وزن هواپیما غلبه كند. با افزایش نیروی برا و رانش بر میدان نیروی پسا نیز افزوده خواهد شد. اما زمانی كه هواپیما در مسیر پرواز قرار می‌گیرد كلیه نیروها به حالت تعادل در آمده و هواپیما با سرعت ثابتی به پرواز خود ادامه می‌دهد.
نیروی وزن (WEIGHT)
نيروی وزن به عنوان شناخته شدهترين نيرو برای هر جسم در عالم هستی است. به هر جسم پرنده، نيروی وزن به سمت مرکز زمين وارد شده و در طول پرواز مستقيمالخط هواپيما، در تعادل با نيروی بالابرنده است.
نیروی رانش (THRUST)
به نيروی توليدی موتور هواپيما و سيستم پيشران، نيروی رانش يا (Thrust) اطلاق ميشود.
فصل ۳
سيستم پيشران
انواع موتورهای هواپيمای مدل
موتور به عنوان يک بخش اصلی هواپيما و هر وسيله پروازی ديگر مطرح است. نمونههای موتورهای هواپيماهای مدل، دارای نسبت توان به وزن بسيار بالاتر از ساير نمونهها بوده و از آلياژهای آلومينيوم و چدن به منظور ساخت آنها استفاده ميشود. در يک دستهبندی کلان، ميتوان موتورهای هواپيماهای مدل را در دو کلاس موتورهای احتراق داخلی و الکتريکی، دستهبندی کرد. موتورهای احتراق داخلی، خود دارای انواع پيستونی و جت بوده و به نسبت ملزومات مورد نظر برای نمونه هواپيما، موارد استفاده آنها تعيين ميشود. نمودار شماره 1، اين دستهبندی را نشان ميدهد.
نمودار 1- دستهبندی موتورهای هواپيماهای مدل
در ادامه، به ارائه توضيحاتی در رابطه با هر يک از نمونههای موتورهای فوق پرداخته شده است. نوع کاربری، ملزومات و نيازمنديهای استفاده از آنها جزو مواردی است که در مطالب آتی به آنها اشاره شده است.
موتورهای الکتريکی
موتورهای الکتريکی، نسل نوين سيستمهای پيشران در هواپيماهای مدل ميباشند. مهمترين مشخصه اين دست از موتورها قدرت توليد نسبت توان توليدی به وزن بسيار بالا در آنها ميباشد. به منظور استفاده از موتورهای الکتريکی، نيازمندی به يک دستگاه کنترل کننده سرعت گردش (Speed Control) وجود دارد. ماژول ياد شده در مسير بين باطری، گيرنده راديو کنترل و موتور قرار گرفته، وظيفهی کنترل دور موتور بر حسب موقعيت دسته گاز را بر عهده دارد. جريان الکتريکی در واحد آمپر، به عنوان يک پارامتر مهم در کاربری اين ماژول مطرح است. به طوری که کاربر بر حسب توان مصرفی موتور نصب شده در هواپيما، به انتخاب ماژول کنترل سرعت ميپردازد. تصوير شماره 5، نمونهای از يک کيت کنترل کننده سرعت گردش موتور را نشان ميدهد.
شکل 7- ماژول کنترل سدرعت گردش موتور (Speed Control)
موتورهای الکتريکی با توجه به پيشرفتهای چشمگير در سالهای اخير، مشکل مصرف بالای باطری را همواره به دوش ميکشند. اين مورد، به عنوان محدوديت اصلی کاربری آنها در برخی هواپيماها شده است. با توجه به مشخصات سيمپيچی و ابعاد و اندازههای اين دست از موتورها، دو کلاس موتورهای گيربکسی و شفت مستقيم برای آنها متصور است. در نمونههای گيربکسی، موتور دارای دور بسيار بالا (مثلاً 30000 دور در دقيقه) بوده و به منظور استفاده از آنها، از يک گيربکس کاهنده سرعت و افزاينده قدرت استفاده ميشود. تصوير شماره 6 يک نمونه از اين دست را نشان ميدهد.از اين موتورها به شکل اتصال مستقيم شفت به يک فن با قطر کم در نمونه موتورهای داکت فن نيز استفاده ميشود. تصوير شماره 9 نمايی از اين کاربری را نشان ميدهد.
شکل 8- استفاده از گيربکس به منظور افزايش قدرت موتور
شکل 9 - کاربری موتورهای الکتريکی با دور بالا در نمونههای داکت فن
در نمونههای موتورهای الکتريکی قويتر، امکان اتصال مستقيم شفت به ملخ وجود دارد. از اين دست از موتورها برای تمامی کلاسهای هواپيماها ميتوان استفاده کرد. تصوير شماره 10، نمونهای از اين کاربری را نشان ميدهد. اين دسته که به نمونههای (Out-Runner) معروفند، پوسته خارجی موتور به همراه شفت شروع به گردش ميکند و باعث گردش ملخ ميشود. مطرف باطری در اين نمونهها در عين تئليد قدرت و سرعت بالا، کمتر شده است.
شکل 10- استفاده از يک موتور الکتريکی در هواپيمای آکروبات
موتورهای احتراق داخلی
موتورهای الکلی
موتورهای احتراق داخلی يکی ديگر از نمونههای موتورهای مورد استفاده در صنعت مدل است. اين دستهبندی بر حسب اشتعال و احتراق سوخت در موتور، انجام شده است. همانطور که در نمودار شماره 1 مشخص شده است، نمونههای پيستونی و جت در اين زمينه مطرح است. نمونههای پيستونی دوزمانه را ميتوان قديميترين نمونه اين کلاس عنوان کرد. پايه سوخت اين دست از موتورها که بر اساس سيکل موتورهای ديزل کار ميکنند، ترکيب متانول به عنوان سوخت و روغن کرچک خوراکی تصفيه شده به عنوان ماده روانکاری است. نسبت ترکيب اين مواد به شکل 80 به 20 درصد حجمی است. به عبارت ديگر، به منظور تهيه 1 ليتر سوخت، 800 سی سی متانول با 20 سی سی روغن کرچک ترکيب ميشود. به علت استفاده از متانول در ترکيب سوخت اين رده از موتورها، نام تجاری موتورهای الکلی برای آنها انتخاب شده است. نمونههای پيستونی نوين با استفاده از سوپاپهای باز و بسته کردن مجاری سوخت و هوا، تحت عنوان موتورهای چهار زمانه مطرح هستند. در اين دست از موتورها، کارايی بالای موتور در قبال کاهش مصرف سوخت، يکی از موارد مهم در زمينه کاربری آنها ميباشد. استفاده از تعداد بيشتر قطعات متحرک و پيچيدگی موتور، منجر به افزايش هزينههای کلی خريد و نيز تعمير و نگهداری اين دست از موتورها شده است. تصاوير شماره 11 و 12، نمايی از يک موتور پيستونی دو زمانه و چهار زمانه را نشان ميدهد.
شکل 11 - نمونه موتور پيستونی الکلی دو زمانه
شکل 12- نمونه موتور پيستونی الکلی چهار زمانه
از اين دست از موتورها در انواع هواپيماها ميتوان استفاده کرد. موتورهای الکلی، دارای بخشهای اصلی زير است.
- شمع
- بدنه و سرسيلند
- کاربراتور
تصوير شماره 13، نمايی از قسمتهای مختلف اين موتورها را نشان ميدهد.
شکل 13- قسمتهای مختلف يک موتور الکلی
به منظور استارت اين موتورها، از داغ شدن شمع و گردش موتور استفاده ميشود. در اين حالت، از يک باطری سر شمع به منظور داغ کردن شمع موتور استفاده ميشود. سپس با گرداندن محور موتور (با استفاده از دست يا استارتر)، حرکت اوليه به منظور روشن شدن موتور به آن اعمال ميشود. در صورت تنظيم بودن ساير قسمتها و ترکيب مناسب سوخت، عموماً موتورها بعد از تعدادی محدودی گردش اوليه روشن ميشوند و کاربر ميتواند باطری سر شمع را از موتور جدا نمايد. با توجه به اينکه اساس کار اين موتورها، سيکلهای ديزلی ميباشند، لذا ادامه کار موتور به شکل خودکفا انجام ميشود.
موتورهای بنزينی
نمونه موتورهای بنزينی، به منظور کارکرد خود، نيازمند به اعمال جرقه در قسمت شمع موتور هستند. در اين راستا، تأمين برق از طريق يک ماژول تحت عنوان (ECU) موتور و پک باطری انجام ميپذيرد. به علت نيازمندی به سنجش موقعيت پيستون و اعمال زمان مناسب برق رسانی به شمع، اين موتورها دارای يک سنسور (عموماً مغناطيسی) به منظور سنجش دور موتور هستند. تصوير شماره 14، قسمتهای مختلف يک موتور بنزينی را نشان ميدهد.
شکل 14- قسمتهای مختلف موتور بنزينی
از ترکيب بنزين سوپر با روغن دو زمانه به منظور سوخت اين دست از موتورها استفاده ميشود. در اين کاربری، ميزان 3% حجمی روغن به بنزين اضافه ميشود. موتورهای بنزينی، با استفاده از گردش ملخ توسط تکانه اوليه دست، روشن ميشوند و معمولاً نيازی به استفاده از استارتر نيست.
موتورهای جت
موتورهای جت از انواع موتورهای درونسوز بوده، دارای توان توليدی بالايی هستند. از اين نمونهها در هواپيماهای جت اسکيل با سرعت پروازی بالا استفاده ميشود. به علت استفاده از تکنولوژی بالا در ساخت قطعات آنها، از قيمت بالاتری نسبت به ساير انواع موتورها برخوردارند. اين در حالی است که روند استفاده از آنها نيز نيازمند دانش بيشتر از علم پرواز و سيستمهای پيشران خواهد بود. از نفت سفيد تصفيه شده در اين موتورها به منظور سوخت استفاده ميشود. مشابه موتورهای پيستونی بنزينی، اين موتورها نيز دارای يک ماژول (ECU) به منظور کنترل فرآيندهای مختلف موتور ميباشند. غالباً يک موتور الکتريکی با دور بالا، به منظور گرش اوليه موتور استفاده ميشود که مديريت آن، با بخش ECU موتور خواهد بود. به علت حساسيت بالا در اين موتورها، زيرسيستمهایي به منظور برقرسانی، سوخت رسانی (پمپ سوخت) و ... مورد استفاده قرار ميگيرد. تصوير شماره 13 نمونه يک موتور جت با متعلقات آن را نشان ميدهد.
شکل 15- قسمتهای مختلف يک موتور جت
با توجه به حساسيت اين دست از موتورها، محل نصب موتور از موارد مهم در رده کاربری يک موتور جت بشمار ميآيد. اين اهميت با توجه به دبی بالای هوای وردی به دهانه موتور در دور بالای گردشی، توجيه پذير است. مصرف سوخت بالای اين موتورها يکی از موارد محدود کننده زمان پروازی هواپيماهای مدل است.