Как самому сделать самолет
Что нужно для успешной постройки легкого самолета
Полёт на собственном самолёте – удовольствие не из дешевых. Купить заводской легкомоторный самолёт за свои деньги могут позволить себе единицы желающих. Что касается подержанных заводских самолетов, то и они требуют ряд дополнительных вложений от своих новых владельцев: несмотря на предыдущие технические ревизии, новый владелец неизбежно сталкивается с чужими проблемами. К счастью, существует решение этой проблемы. Самолеты домашней постройки, имеющие сертификат ЕЭВС в экспериментальной категории, стали пользоваться повышенной популярностью на слетах любителей авиации.
Если не считать дополнительных временных затрат на постройку, самолеты любительской постройки RV, Sonexes, Velocity и многие другие получили заслуженные высокие отметки за низкую стоимость при отличных лётных качествах, не уступающих заводским собратьям.Но, как это часто бывает, существует обратная сторона домашнего изготовления: на каждый законченный любительский проект приходится несколько заброшенных. Так вот для того, чтобы проект стал успешным, необходимо делать правильные шаги, иметь определенные знания и уметь их применять.
Шаг 1. Выбор модели самолёта
Пожалуй, цель проекта, является основным фактором, влияющим на успех всего мероприятия, прежде чем строительству будет дан старт.
Начало проекта самолета можно поставить в один ряд по важности с предложением руки и сердца, заключения важной сделки и даже выбором домашнего животного. Как и во всех предыдущих случаях, здесь надо продумать все тонкости, прежде чем принять окончательное решение.
Большинство недошедших до финиша перегорают из-за пустяков. Изящество самолета Falco, воздушная акробатика на Pitts 12 и озорной полёт на Гластаре: всё может подогреть интерес будущего строителя на принятие решения исходя только из внешнего вида. Простота этого решения может быть обманчива. Суть правильного решения не во внешних атрибутах, а в цели строительства.
Для правильного решение требуется полностью честный и искренний самоанализа. Конечно, многие мечтают летать как Виктор Чмаль или Светлана Капанина, но так или это? У каждого человека своя индивидуальность и свой почерк пилотирования, и невозможно жить чужим опытом. Можно построить самолёт для воздушного туризма и длительных кросс-кантри полётов, но потом обнаружить, что вам ближе загородный пикник на зеленой лужайке с друзьями за 60 километров от аэроклуба. Важно разрешить все свои сомнения и искренне продумать мечту о «домашнем самолете». Ведь главное – улучшить свою жизнь и больше заниматься тем, что тебе действительно нравится.
После того, как вы определитесь со своей мечтой, выбрать самолет не составит труда. После выбора модели самолета наступит время для проведения экспертизы. Беглый взгляд на 15 летний выпуск журнала Моделист – Конструктор окажет немного отрезвляющее влияние – возможно потому большая часть предложенных там моделей самолетов уже вышла из моды. Мир домашних кокпитостроителей имеет свою нишу на рынке, но даже при сильной мотивации заниматься бизнесом на такой территории окажется непростым занятием с экономической стороны, ведь рынок очень индивидуализирован, а тенденции сменяют друг друга, как мода на купальники. Прежде чем начать строить, следует провести подготовительную работу: подробно проанализировать конструкцию самолета, обзвонить людей, которые уже занимались этим проектом и просмотреть список несчастных случаев. Начать работу над устаревшим проектом, в котором детали и узлы трудно достать в принципе, дорогое и затратное мероприятие.
Шаг 2. Планирование времени
Едва ли найдётся несколько человек, которые справлялись с проектом, требующим такого же внимания, усилий и времени, как строительство самолета с нуля. Это занятие не для дилетантов. Оно требует постоянных и размеренных усилий в течение длительного времени.
Для того чтобы задержек на этом пути было меньше, и прогресс над проектом не стоял на одном месте, можно разбить всю работу на много мелких задач. Работа над каждой задачей не покажется такой уж сложной, а успех придет постепенно по мере выполнения каждой задачи. В среднем строителю потребуется от 15 до 20 часов в неделю для того, чтобы закончить проект простого самолета за приемлемое время.
Для увлеченных строителей большинство авиационных проектов занимает по времени от двух до четырех лет. В среднем же строительство самолета может занять по времени пять и даже десять лет. Именно поэтому опытные авиационные строители никогда не станут назначать точную дату первого полёта, несмотря на постоянные вопрошающие взгляды друзей. В качестве отговорки можно сказать «дело не стоит» или «как только, так сразу».
Идеалистам здесь не место
Не все строители осознают важность правильного планирования времени. Самолетостроение не является социальным мероприятием, и в действительности во время работы может быть чертовски одиноко. Общительные натуры могут найти это занятие более трудным, чем можно себе представить. Поэтому каждый, кто посвятил себя этому делу, должен находить удовольствие в работе в одиночку.
Следующий самолет, который будет построен без нестыковок в отверстиях, станет первым за все времена. Роберт Пирсинг в своем культовом романе «Дзен и искусство ухода за мотоциклом» рассказывает об ошибках при сверлении отверстий. Эти ошибки могут отбить у строителя стремление работать над проектом на долгое время. Подобные ошибки часто сопутствуют авиационным проектам и в том случае, если строитель не обладает личными качествами, которые бы подтолкнули его справиться с подобными трудностями, проект может быть закрыт.
Перфекционистам, которые стремятся к совершенству во всем, следует поискать другое занятие. Если бы все самолеты должны были идеально соответствовать законам аэродинамики, вряд ли бы кто-то осмелился взлететь. Перфекционизм часто ошибочно принимается за ремесло, но это крайне разные вещи. Не имеет значения, насколько хороша вещь: всегда можно что-то улучшить, сделать ярче и качественнее. Задача не в том, чтобы сделать лучший самолёт – задача в том, чтобы сделать практичный самолёт, чтобы строителю не было стыдно за него, и он не боялся на нем летать.
Шаг 3. Оборудование мастерской
Следующий важный момент – место строительства. Не все могут позволить себе иметь такую мастерскую, как ангары по производству Cessna. Размер, на самом деле, не играет в данном случае решающего значения.
Легкие самолеты строят в подвалах, трейлерах, морских контейнерах, деревенских сараях, а также в глинобитных хижинах. В большинстве случаев, гаража на две машины бывает достаточно. Одноместного гаража также может хватить, если у вас есть специальное помещение для хранения узлов в виде крыльев.
Большинство людей полагают, что лучшее место для постройки самолёта находится в ангаре городского аэропорта. В действительности ангары менее всего подходят для авиационных проектов. Чаще всего в ангарах гораздо теплее в летнее время года и холоднее в зимнее, чем на улице. Они повсеместно плохо освещены и редко когда находятся около вашего дома.
Не зависимо от того, где происходит сборка самолета, следует подумать об удобствах. Инвестиции в комфорт, в некоторое подобие климат-контроля, хорошее освещение и рабочий стол удобной высоты, резиновые коврики на бетонном полу – с лихвой себя окупят.
Вот как описывают свой опыт постройки RV-6 в гостиной комнате Мартин и Клаудия Саттер: «В Техасе, где всегда слишком сильные перепады температуры, система воздушного кондиционирования в ангаре обошлась бы нам дороже, чем постройка самого самолета. Мы думали работать в гараже, но как выяснилось, наши автомобили не могли долго переносить воздействия открытого солнца. Поэтому завтрак в баре, жильё в спальной, а постройка в гостиной – так была организована наша работа. Из удобств – бытовой кондиционер, отопление и большие раздвижные двери, которые позволяли выкатывать самолет наружу. Самым главным было то, что всё всегда было под рукой»
Шаг 4. Где взять деньги на самолёт?
Распределение расходов на проект начинается с определения задач, которые будет решать самолет. Современные производители воздушных судов готовы установить на свою продукцию всё, чего только можно пожелать. Домашние самолётостроители, в свою очередь, точно знают, чего они хотят. Если самолет не будет летать по приборам, то и необходимости ставить на него оборудование для полёта по приборам нет. Нет необходимости летать ночью – зачем ставить взлетно-посадочные огни за 1000$. Винт постоянного шага стоит в три раза меньше винта постоянной скорости, и в большинстве случаев не сильно проигрывает винту постоянной скорости в экономичности полёта.
Правильный вопрос – откуда взять деньги? Богатая тётушка Прасковья не оставит вовремя завещание для финансирования строительства, так что придется повременить с поездкой на юг, либо увеличить свои доходы.
Владелец сайта Van’s Air Force Даг Ривз предлагает первый подход. Его книга «десять шагов для получения самолета» включает в себя откладывание в долгий ящик покупки новой машины, отказ от кабельного телевидения, переход на легкую здоровую еду из овощей и фруктов, отказ от безлимитных телефонных тарифов в пользу экономичных планов. Вообщем Даг подсчитал, что принятие и следование этим шагам позволило ему сэкономить около 570$ каждый месяц. Он добросовестно откладывал эту сумму в копилку каждый месяц и теперь летает на RV-6.
Боб Коллинз, строитель RV, выбрал другую дорогу (не каждый, кто строит самолет – строит RV). Его работа в качестве редактора для общественного радио обеспечивала его и его семью, но этого не хватало для покупки самолёта. Вообщем, он стал «самым старейшим разносчиком газет». Семь дней в неделю, с двух до шести по полудню он разносил местную прессу. Это занятие в сочетании с его обычной работой, семейной жизнью и планами на самолёт не оставляло ему много времени на сон, но в конце концов он стал гордым обладателем RV-7A.
Шаг 5. Где набраться ума?
«Я никогда ничего не клепал, не варил, не красил, и вообще я не золотых рук мастер», — неопытный строитель может возразить. В состоянии ли я вообще построить что-нибудь настолько сложное, как самолёт?
В действительности, это не так уж и трудно. Самолёты домашней постройки – это обычные механические устройства. Механические узлы управления, простая и доступная для понимания электрика, почти нет гидравлики – всё можно изучить и собрать самому. Стандартный авиационный двигатель, например, состоит из четырех шлангов, трех кабелей и двух проводов. Ну, а если знаний недостаточно, можно всегда почерпнуть недостающие пробелы за учебниками и мануалами.
Техника самолётостроения простая и очевидная. Клепка может быть освоена за один день, сварочное дело потребует больше по времени, зато весело и почти даром. В повседневной жизни очень много вещей изготавливается из дерева, техника и инструменты обработки древесины доведены до совершенства, причем всё можно освоить через Интернет и Youtube.
Если при изучении новой информации вам лучше всего подходит структурированная подача материала, то можете взять уроки мастерства в самолётостроении. Подобные мероприятия проводят производители кит наборов и некоторые частные строители.
Всесторонняя поддержка необходима
Если мечта летать на своем самолете не покидает вас, а энтузиазм переполняет вас до самого верха, то ускорить работу над проектом поможет поддержка со стороны пилотов- единомышленников.
Советы, как ускорить работу над проектом – помощь профессионалов и КИТ наборы
Одна из причин роста числа домашних самолётостроителей – появление КИТ наборов. Большинство самолётов в прошлом были построены с нуля. Строители приобретали набор чертежей для самолёта на свой выбор (либо на свой страх и риск конструировали сами), а затем заказывали материалы для изготовления деталей и узлов.
Вот несколько советов для тех, кто решил пойти этим путём:
Если же вы не готовы делать самолёт с чистого листа, тогда есть смысл задуматься над покупкой КИТ – набора. Изготовитель КИТ — набора может предоставить точные и готовые к сборке детали самолёта при серьезной экономии ресурсов и материалов по сравнению со строительством с нуля. Сборочные инструкции, в отличие от инженерных чертежей, помогут сэкономить несчетные часы на рассуждения по поводу того, как детали сопрягаются друг с другом. Такая экономия времени приведет к тому, что в ваших силах будет собирать более сложные и высокотехнологичные самолёты. Сегодняшние КИТ наборы охватывают поразительно широкий спектр моделей, начиная от деревянных и тканевых, например Piper Cub, до композитных моделей по стоимости сравнимых с Citation.
Вот список производителей КИТ наборов, который авиастроители могут найти полезными:
КИТ – наборы Piper Cub PA-18 и его реплик
КИТ – наборы самолетов RV
КИТ – наборы самолётов C.C.C.P.
КИТ – наборы самолётов Ultra Pup
КИТ – наборы самолётов CH-701, а также Зенит, Зодиак и Bearhawk
Для того, чтобы узаконить полёты на самолете домашней постройки придется пройти процедуру получения сертификата единичного экземпляра воздушного судна (ЕЭВС, подробнее здесь).
Возможно строительство не для всех. Если вы любите работать руками и головой, знаете к кому обратиться за поддержкой, имеете достаточно средств для покупки грузового пикапа и у вас есть место для его хранения, вам должно быть под силу сделать свой самолёт. Конечно это занятие не для всех, но те, кто этим занимается, считают этот опыт одним из самых волнующих и радостных моментов в своей жизни.
Полезные ссылки
Сайты, посвященные строительству самолётов:
Как сделать самолет на радиоуправлении в домашних условиях
Как своими руками сделать самолет на радиоуправлении из недорогих и качественных материалов? Такое занятие подходит как для начинающих авиалюбителей, так и для профессионалов — сборка летательных аппаратов по праву считается одним из наиболее увлекательных и кропотливых занятий.
Самостоятельно собрать модели самолётов может любой желающий, но для этого необходимо понимать весь процесс создания конструкции и точно рассчитать свои возможности. Как самостоятельно создать мини-самолет в домашних условиях, все тонкости и особенности — подробная информация изложена в данном материале.
Проектирование радиоуправляемого самолета
Радиоуправляемая модель самолета должна быть правильно спроектирована. То есть, необходимо учесть все размеры и параметры летательного аппарата, продумать его функциональность и применение.
На что необходимо обратить внимание перед началом проектирования радиоуправляемых самолётов:
В конструкции хвоста предусматривают параметры:
Фюзеляж рассчитывается практически в произвольной форме. Здесь важно предусмотреть прочные крепления относительно центра тяжести самолета, в остальном существенных ограничений нет.
Важно! При большом количестве электронной начинки нужна плоская рама, которая выдерживает большие нагрузки.
Чертежи
Все расчеты оформляют при помощи чертежей, здесь необходимо учесть все тонкости, а именно соответствие размеров, веса, питания, подключение электроники и многое другое.
Радиоуправляемый самолет собирают по схемам и чертежам, где детально спроектирован каждый элемент конструкции.
Рама для РС
Одна из наиболее важных деталей аппарата — рама, удерживающая всю плоскость самолета.
Важно выбрать материал для изготовления, и он должен быть прочным и практичным.
Из чего обычно делают раму:
На заметку! Самым прочным материалом для рамы, имеющим самые долгие эксплуатационные характеристики, является углеродное волокно.
Хвост самолёта
Важная деталь летательного аппарата, которая обеспечивает управляемый и стабильный полет — придает устойчивость и правильное направление.
Обычно используют две разновидности хвостов:
V-образный хвост более предпочтителен, поскольку именно такая конструкция обеспечивает стабильность в управлении конструкцией.
Контроллер и передатчик
Подразумевается наличие радиопередатчика, который обязателен для подобных конструкций — это главный элемент управления полетом и контроля над самолетом. Устройство должно быть качественным и иметь минимум 2 канала.
Сервоприводы
Данная деталь является двигателем, который осуществляет контроль за рулями, закрылками и дроссельными заслонками. Сервоприводы представлены в широком ассортименте, есть разновидности для электроприводных самолётов и работающих на бензине.
Пульт управления
Важный момент — совместимость приемника и пульта.
В остальном устройство выбирают в зависимости от функциональности, при этом стоит учитывать саму модель самолёта и электронную комплектацию.
Источник питания
Применяют две разновидности двигателей — электроприводные и бензиновые. Бензиновые более шумные, в остальном — это дело вкуса.
Моторы и двигатели для РС
Главное — выбрать качественный агрегат из всех предлагаемых на рынке. Двигателей достаточно много — внутреннего сгорания, электрические и другие. Моторы для РС используются коллекторные и бесколлекторные.
Сборка радиоуправляемого самолета
Пошаговая инструкция по сборке радиоуправляемого самолета выглядит следующим образом:
Совет! При наличии шасси самолётом легче управлять в ветреную погоду.
Тестирование
Желательно использовать тесты, позволяющие испытать надежность аппарата перед началом эксплуатации.
Например, можно использовать такой способ, позволяющий оценить сбалансированность и устойчивость самолета:
Радиоуправляемые самолеты — это достаточно сложные инженерные конструкции,которые доступны практически каждому желающему.
Описание сборки предоставляет все этапы создания, при том, что все материалы доступны. Фюзеляж из потолочной плитки или простые батарейки для электроприводного мотора — все элементы устройства можно купить.
При соблюдении всех правил проектирования и сборки можно создать свой уникальный летательный аппарат.
Как построить свой самолет со своим двигателем на сверхпроводниках и жидким азотом
Подсказка: сделать все маленьким.
Вступление
Всем привет. По образованию я инженер по эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей, но в данной статье я опишу как сделал небольшой электродвигатель на сверх проводниках, и поэтому мое вступление прошу принять как оправдание тому, что в разработке и изготовлении электродвигателей, я не обладаю достаточной компетенцией и опытом, но все-же я его сделал. А посему, уважаемые эксперты, специалисты, профессионалы и аналитики прошу сделайте поблажки для дилетанта, а всю критику и доказательства вашей правоты прошу предоставить в виде решений, изготовленных собственными руками.
Начало
Так получилось, что весной 2019 я начал работать инженером в компании СуперОкс. Я принимал участие в разработке электродвигателя на сверхпроводниках (Фото). Работа по началу была интересная и иногда пыльная в перемешку со стружкой из различных материалов. Столько проблем удалось решить :). Спустя полгода я понял, что путь до полноценного самолета с двигателем на сверхпроводниках будет долгим и сложным. Тогда родилась идея сделать свой двигатель, поставить его на маленький беспилотник или радиоуправляемый самолет и совершить хотя бы один полет.
Для справки. Когда я только узнал об этой компании, то я знал что такое сверхпроводник, но не предполагал, что производство такого продукта существует в РФ. Реально было приятно, что такие производства существуют и развиваются.
В процессе работы и общения с коллегами узнавал всякие тонкости и особенности применения сверхпроводников. По мере приобретения знаний менялась и адаптировалась конструкция двигателя.
Где-то в январе 2021 года появилось чувство, что если ничего не начать делать, то момент может быть упущен навсегда (пока семь раз отмеришь, другие уже давно отрежут). На этот момент я считал, что накопил достаточное количество знаний для реализации всего проекта и начал параллельно с основной работой заниматься своим двигателем.
Изначально идея была разработать двигатель на базе какого-либо доступного бесколлекторного электродвигателя для радиомоделей, с внешним ротором на постоянных магнитах (аутранер).
Пример бесколлекторного двигателя, который можно найти во многих радиоуправляемых моделях.
Но на этом пути были такие явные сложности как:
статорное железо (магнитопровод) будет в жидком азоте. На его охлаждение требуется потратить дополнительный объем азота. Также статорное железо при работе электродвигателя будет греться и поэтому азот будет испаряться интенсивнее;
сложность вывода вала воздушного винта. Нужно обеспечить теплоизоляцию между ротором и криостатором. Так же необходимо защитить полость ротора от намерзания льда и конденсации кислорода;
сложность при коммутации обмоток. Лента проводника тонкая и гнется с некоторыми ограничениями, паять 24 контакта, пытаясь уложить в малый объем, должно быть сложно.
Схема электродвигателя вертикальной компоновки и внешним ротором.
Было непонятно как изолировать термостат, как избежать намерзания влаги на выходной вал и подшипники, и как выводить вал воздушного винта.
Схема электродвигателя вертикальной компоновки с внутренним ротором
У этой конструкции плюсов было больше чем у предыдущего решения. Однако наличие магнитопровода статора также грозило существенным увеличением трудоемкости. Самый простой выход из этой ситуации это избавиться от магнитопровода. Так пришла идея сделать двигатель без магнитопровода статора (статорного железа).
Но ещё оставался вопрос как увеличить взаимодействие магнитного потока между катушками статора и постоянными магнитами ротора. Магнитопровод нужен для того чтобы передавать магнитный поток, но если катушку поднести максимально близко к магниту (ещё лучше чтобы магнит находился внутри катушки), то возможно, это позволит компенсировать отсутствие магнитопровода.
И тогда постепенно выкристализовалась идея конструкции с шестью распределенными катушками через один полюс и ротором с двумя полюсами.
План «А»
На виде сверху это выглядело так:
Схема электродвигателя с шестью катушками и двухполюсным ротором.
Далее я начал прорисовку идеи в 3d-cad T-Flex. К этому времени удалось раздобыть несколько постоянных магнитов, геометрия которых определила габариты ротора и, как следствие габариты всего двигателя в последующем.
Так появилась примерно такая конструкция:
Первый разработанный вариант магнитной системы с катушками из сверхпроводника.
Пришлось потратить кучу времени на разработку рамки для катушки. Основная проблема заключалась в том, лента ВТСП фактически гнется только в одной плоскости, но допускает некоторое кручение. Сочетание этих двух факторов ограничивают траекторию по которой эта лента может быть уложена. Но в конце концов удалось начертить и напечатать на 3д принтере первый прототип рамки, на который удалось успешно закрепить ленту сверхпроводника.
Первая напечатанная рамка для намотки ленты из сверхпроводника
Помимо рамки также был напечатан корпус ротора, для размещения магнитов, опоры и цилиндр внутренней трубы. Добыты подшипники и ось ротора.
Для отладки двигателя, на рамки вместо ленты ВТСП была намотана обмоточная медная проволока. На каждую рамку уместилось 4 витка (по рекомендации человека, который занимался расчетами двигателя, необходимо было 5 витков).
Медный аналог двигателя для проверки работоспособности двигателя.
Все было собрано, спаяно и подключено к регулятору скорости ESC Castle Talon 90.
Но после принудительной раскрутки ротора двигатель запустился. И начал вращаться так лихо, что у меня возникло опасение, что напечатанный ротор разлетится на сегменты и магниты как шрапнель полетят в стороны. Тогда удалось намерять 14 тыс.об./мин и замечена ещё одна особенность: на больших оборотах момент был больше чем на малых. В следующем эксперименте я поднял входное напряжение с 12 В до 24 В и тогда двигатель начал самостоятельно запускаться.
Этот предварительный успех окрылил меня. Полагая, что при больших токах и оборотах порядка 10 тыс. об/мин, мощности двигателя будет достаточно для вращения воздушного винта небольшого диаметра и малого шага, я решил сделать двигатель горизонтальной компоновки, с прямым приводом на воздушный винт.
Но предстоял ещё один неприятный момент. Дело в том, что в вертикальной компоновке катушки должны были быть в термозащитном контейнере (термокружка из икеи? :)), а в центре должен находится тонкостенный цилиндр из пластика. Сверху должна быть крышка которая направляет испаряющийся азот в цилиндрическую полость ротора откуда выбрасывается в атмосферу. Этот газообразный азот, при своем истечении, не дает проникать в полость ротора атмосферному воздуху. Решение этой проблемы нашлось довольно изящное на мой взгляд. В верхней части сосуда где размещается азот была спроектирована трубка с отверстиями. Эта трубка отводила испарения азота вниз, вдоль передней стенки двигателя (двигатель с толкающим винтом) и выходила в районе передней опоры. Далее газообразный азот проходил через передний подшипник, в зазор между ротором и статором и выходил через задний подшипник.
Разрез двигателя в вертикальной плоскости. Стрелками показано направление движения газообразного азота. (Термоизоляция корпуса не показана)
Итоговый рецепт получился такой: корпус статора представлял собой емкость с центральной трубой для размещения ротора с опорами. Вокруг центральной трубы были размещены шесть катушек. Катушки у задней стенки коммутировались между собой и тремя токовыводами, к которым подсоединялись клеммы медных проводов. Там же на задней стенке крепилась горловина заправки азотом с крышкой. Для удобства заливки жидкого азота крышка заливной горловины заменялась на воронку.
Ротор состоял из вала 8 мм из нержавеющей стали (вал от сломанного струйного принтера), на который был напрессован пластиковый корпус ротора, напечатанный на 3Д-принтере, с запрессованными в него магнитами. На конце вала крепилась цапфа воздушного винта.
Передняя опора ротора была напечатана из PLA-пластика на 3д принтере и в неё вставлялся керамический подшипник. Задняя опора также напечатана 3Д принтере и также с подшипником.
Комплект рамок с намотаным сверхпроводником и латунные токовыводы токарно-ручной работы.
Все было напечатано, склеено на суперклей, спаяно, собрано, замотано в криогель, красивый блестящий скотч и размещено на стенд.
Двигатель в сборе и готовый к первым испытаниям с заморозками
Первые запуски показали несовершенство конструкции. В принципе двигатель начинал вращаться, но из-за температурных деформаций клинили подшипники и ротор останавливался. А учитывая низкий крутящий момент двигателя, запустить его спустя 5 минут после заливки азотом не представлялось возможным. В какой-то момент показалось что двигатель все же начал крутиться, но вал оставался неподвижным. Как оказалось, из-за низкой температуры сжался пластиковый корпус ротора и, как следствие он развалился в тонких местах.
Корпус ротора в развале 🙁
Корпус ротора был напечатан заново. После установки корпуса ротора на вал и запрессовки магнитов, корпус был обклеен стеклонитью на циакрине.
Далее была борьба с опорами и подшипниками, чтобы они не клинили сразу (это ещё половина недели исследований, доработок и испытаний). В итоге, с новым корпусом ротора и новыми опорами, двигатель начал стабильно запускаться и мог продолжительное время выдавать тягу достаточную для полета самолета массой примерно 3 кг (время непрерывной работы около 1 мин).
Было решено ставить на самолет и лететь.
На тот момент у меня был пустой планер китайского самолета Hunter с размахом крыла 1.8 м. Я его немного адаптировал для установки двигателя. В частности задняя часть фюзеляжа была обрезана до точек крепления крыла для того чтобы сместить двигатель вперед и тем самым легче сбалансировать самолет.
Ещё решил не заморачиваться с автопилотом, а ставить радиоуправление. Итоговый вес самолета оказался в районе 3,6 кг.
У меня уже был опыт использования аппарата такой массы и на обычном бесколлекторном электрическом двигателе с резиновой катапультой этот самолет взлетал и летал продолжительное время и поэтому я решил что полет возможен (https://youtu.be/XcgAAbhTyxM).
Договорился с пилотом, выехал в поле и в итоге полет не получился.
Этому провалу сопутствовало несколько факторов:
Большой вес самолета при низкой мощности двигателя. Резино-катапульта разогнала самолет до начальной скорости, но низкая мощность двигателя и резкий набор высоты сразу после взлета привел к снижению скорости и, как следствие к сваливанию и падению самолета.
Некачественная аэродинамика. Стандартный фюзеляж планера был весьма «пухлый». Также аэродинамичности не прибавляет торчащий кусок силового шпангоута, к которому крепился двигатель, и две вертикальные плоскости в задней части фюзеляжа образованные срезом фюзеляжа и задней стенкой двигателя.
Есть ещё один фактор который по своему мог влиять на работу двигателя. Дело в том, что с наружи двигатель был покрыт алюминиевой лентой на самоклеящейся основе. А учитывая небольшое расстояние между ротором и стенкой переменные магнитные поля при вращении ротора создают противо ЭДС в тонком слое фольги. И при увеличении оборотов этот эффект только усиливается (демонстрация данного эффекта на примере колебания постоянного магнита над алюминиевой плитой).
Решения были следующие:
Чтобы снизить массу самолета, все детали были взвешены, измерены и создана весовая модель самолета. В итоге было решено переставить двигатель ещё ближе к передней части самолета. Убрать две АКБ общей массой 1000 г. Вместо неё будет установлена одна батарея массой примерно 300 г. Для соблюдения балансировки батарею должна быть выдвинута ещё вперед на 150 мм и для этого требовался новый фюзеляж.
Весовая модель самолета. Сверху старая модель, снизу модель с новым фюзеляжем и новой АКБ
Новый фюзеляж также должен улучшить аэродинамику самолета.
Потратив ещё несколько дней. Фюзеляж был спроектирован, вырезан на станке ЧПУ. Обклеен стеклотканью и покрашен.
Изготовление нового планера на фрезерном станке с ЧПУ Примерка нового фюзеляжа.
Предварительная сборка самолета
Алюминиевый скотч с поверхности двигателя был удален.
Помимо фюзеляжа были вырезаны силовые шпангоуты для усиления и подставка под самолет с новым фюзеляжем.
Подставка под самолет
Все было собрано и снова готово к полету.
В поле, перед самым взлетом произошел отказ двигателя. После нескольких попыток запустить двигатель я прозвонил обмотки двигателя и выявил обрыв одной фазы.
После разбора двигателя выяснилось, что во внутренней трубе напечатанной из пластика появилась трещина. В результате уровень азота был намного ниже необходимого и верхние проводники не охлаждались. Как результат, при подаче большого тока, самый верхний проводник, идущий к токовыводу, перегорел.
Но самое важно что корпус из напечатанного пластика уже не подлежал восстановлению.
На этот момент доступа к 3Д принтеру у меня не было, но был фрезерный станок ЧПУ. И так настала очередь плана Б.
План «Б»
Было решено сделать корпус двигателя из пеноплекса на фрезерном станке с ЧПУ. В двигателе, напечатанном на 3Д принтере, пластик выступал как прочная оболочка, обеспечивающая прочность и герметичность емкости, а поверхность теплоизолировалась криогелем толщиной 5 мм.
В новой конструкции внешний корпус статора изготовлен из пеноплекса. Он же должен обеспечивать герметичность,теплоизоляцию и частичную прочность (прямо-таки ТРИЗ). Для повышения прочности корпуса, снаружи пеноплекс обклеивался стеклотканью на эпоксидной смоле. В передней части двигателя также крепился силовой шпангоут из 2 мм стеклотекстолита. Внутри проходила труба для ротора и в верхней части емкости трубка для отвода газообразного азота. Обе трубки изготовлены из стеклоткани на эпоксидной смоле ЭТАЛ-Карбон Light.
Также заливная горловина была перенесена на боковую поверхность, так как при расположении на задней стенке, воронка для заливки мешала вращению воздушного винта и после заливки, перед запуском, приходилось её снимать. Это не принципиально при полетах, но при отработке и испытаниях постоянно менять воронку на крышку и обратно неудобно.
Разрез двигателя с корпусом из пеноплекса
Переднюю опору пришлось доработать, так как в новой конструкции она вставлялась со стороны винта.
Криостат с корпусом из пеноплекса в процессе изготовления.
Полученная конструкция была собрана и готова к проверке.
В этот раз я решил сделать предварительное опробование на стенде без выезда в поле. И в процессе проверок двигатель сгорел опять.
Катушка перегорела полностью.
Спустя два дня, моря разочарования, литра пива и 4 литров отборного чая решил предпринять последнюю попытку создать двигатель на сверх проводниках. Настала очередь плана В.
План «В»
Доработанная конструкция двигателя
У меня оставался второй комплект катушек намотанный на рамки. Также было ещё несколько рамок, из которых восстановил медный аналог.
За неделю восстановлен медный аналог для предварительной проверки, отработки и настроек контроллера.
Двигатель ВТСП, который я до этого собирал и испытывал, обозначен как №1. Он был разобран на отдельные элементы. Перегоревшие две катушки были заменены. Обмотки были заново скоммутированы. Была внедрена новая конструкция токовыводов.
Статоры в процессе изготовления. По порядку слева медный аналог, по центру новые катушки статора для двигателя №2, справа восстановленные катушки для двигателя №1 Готовый статор для двигателя №2. Немного видная конструкция токовыводов.
Для медного аналога были выпилены стенки спереди и сзади, чтобы двигатель можно было крепить аналогично криогенному. Два криогенных двигателя собирались параллельно с таким расчетом, чтобы большую часть настроек и испытаний сделать на №1, а окончательную настройку и полет выполнить на №2.
Обклеивание криостатов стеклотканью с эпоксидной смолой
Ротор для всех трех двигателей был один.
Готовые статоры всех двигателей и единый ротор для них.
Также на станке ЧПУ сделал простой стенд для измерения тяги и проверил его работу на обычном бесколлекторном электродвигателе.
Стенд для проверки двигателя и отработки параметров электронного контроллера управления частотой вращения двигателя.
После склейки и сборки ещё два дня занимался настройкой различных контроллеров. Довольно неплохо подходил контроллер Marcus SL110, но после нескольких испытаний все же он сгорел. Есть особенность таких контроллеров. При запуске двигателя они могут давать длительные серии импульсов. При запуске обычного медного бесколлекторного двигателя, ток ограничен сопротивлением подводящих проводов и обмоток, но в случает с двигателем ВТСП, ток ограничивается сопротивлением одних подводящих проводов. По этой причине предположительно и сгорел данный контроллер.
В итоге трех дней настроек удалось получить рабочую схему из батареи литий-полимерных аккумуляторов напряжением 24 В и ёмкостью 3.5 А*ч, контроллера Castle Fenix Edge Lite, и двигателя на сверхпроводниках №2.
Все было проверено на стенде со штатной батарей и приемником радиоуправления, установлено на самолет и проверено ещё раз в сборе.
Испарения азота истекающие из-под задней опоры двигателя.
2 мая я с готовым самолетом, жидким азотом и другой сопутствующей «хурмой» выехал на летное поле. Сам я рулить радиоуправляемым самолетом умею плохо, поэтому пришлось уговаривать местных пилотов. На мои просьбы отозвался Василий, хотя и предупредил, что возможно самолет разобьется. Но по сути, разбить самолет у меня было намного больше шансов.
Самолет с электродвигателем на сверхпроводниках готовый к полетам.
И первый полет закончился аварийной посадкой.
Быстрый осмотр показал, что внешне все целое и было принято решение сделать вторую попытку, но на меньшей мощности.
Перед второй попыткой мы провели небольшую проверку как работает двигатель на некоторых режимах и после определения решили взлетать.
На это раз полет оказался успешным.
На волне этого успеха хотели совершить ещё один полет, но видать подшипники снова начали подклинивать и двигатель не выдавал необходимой мощности, а в некоторые моменты он останавливался. И так мы решили, что одного полета хватит и можно заканчивать эту эпопею.
Самолет взлетел, совершил короткий полет и пусть он был недолгим, но тем не менее я считаю его можно рассматривать как первый полет летательного аппарата с тягой от силовой установки на сверхпроводниках.
Для этого проекта продолжения не будет. Основная задача была сделать хотя бы один полет (см. начало статьи) и эта задача выполнена.
П.С. Хочу выразить благодарность сотрудникам компании «СуперОкс» за помощь, консультации и поддержку, а также за то что не пытались ограничить моё творческое безумие. Успехов Вам, и хорошего финансирования, на вашем долгом пути внедрения ВТСП в повседневную жизнь. Отдельная благодарность компании «SuperCam» г.Ижевск за предоставленный планер. Также спасибо компании «ЭНПЦ Эпитал» за консультации по эпоксидной смоле для жидкого азота.
И главная благодарность пилоту Василию, за то что не побоялся взять на себя ответственность за первый полет летательного аппарата с моим электрическим двигателем на сверхпроводниках и жидким азотом.