Реферат на тему «Дрон из бумаги»

Введение

Словами «дрон из бумаги» обычно называют небольшой летающий аппарат, у которого корпус, или рама, сделан из бумаги или картона, а моторы, винты, аккумулятор и электроника взяты от обычного маленького квадрокоптера. Иногда так называют и бумажные планеры с крошечным электромотором, которые летают, как самолёт. Сама идея кажется несерьёзной: бумагу мы привыкли считать хрупким материалом, который рвётся, мнётся и боится воды. Однако бумага лёгкая, дешёвая и легко обрабатывается, а при правильной форме удивительно жёсткая, и поэтому бумажный дрон стал популярным заданием для кружков робототехники и школьных проектов по технологии.

У такого проекта есть понятная инженерная задача. Квадрокоптер поднимается в воздух только тогда, когда тяга его винтов заметно больше веса, и каждый лишний грамм уменьшает время полёта и манёвренность. Пластиковая рама маленького дрона весит несколько граммов, и сделать бумажную раму, которая будет не тяжелее и при этом не согнётся от вибрации моторов и не развалится при первом ударе о пол, совсем не просто. Чтобы решить эту задачу, приходится разобраться в свойствах бумаги, в том, как форма детали влияет на её жёсткость, и в том, как распределяется масса между частями аппарата.

Бумага и картон бывают очень разными, и для разных деталей дрона подходят разные материалы. Главная характеристика, с которой начинают выбор, это плотность, или масса квадратного метра листа, которую указывают на упаковке в граммах на квадратный метр. Материалы, которые чаще всего используют для бумажных дронов, сравниваются в таблице 1.

Таблица 1 — Бумажные материалы для рамы дрона

Таблица показывает, что лёгкие материалы, как правило, мягкие, а жёсткие тяжелее, и конструктору приходится искать компромисс. На практике его находят не столько выбором материала, сколько формой деталей: из тонкого листа ватмана, свёрнутого в трубку или сложенного в коробку треугольного сечения, получается балка, которая на изгиб держит гораздо лучше, чем толстый плоский картон той же массы. Этот приём давно известен в технике, и им пользуются и строители, и авиаконструкторы.

Реферат состоит из трёх глав. В первой рассматриваются идея бумажного дрона, распределение массы по его частям и свойства бумаги как конструкционного материала, во второй конструкция и сборка рамы, а в третьей испытания, типичные ошибки и правила безопасности. Материалом послужили учебники технологии и физики, документация к комплектующим для малых квадрокоптеров и справочные сведения о бумаге и картоне.

Глава 1. Бумажный дрон: идея и материалы

1.1. Из чего состоит маленький дрон

Самые маленькие квадрокоптеры, которые помещаются на ладони, строят на так называемых коллекторных моторах без сердечника. Такой мотор весит около трёх граммов, а с винтом диаметром пять-шесть сантиметров развивает тягу примерно в двадцать граммов. Питание дают литий-полимерные аккумуляторы с напряжением 3,7 вольта, а управляет моторами крошечная плата полётного контроллера со встроенным приёмником, гироскопом и акселерометром. Именно эти детали обычно берут от недорогого игрушечного квадрокоптера и переставляют на самодельную бумажную раму.

Для конструктора важно понимать, какую долю массы аппарата составляет рама, ведь только её он может сделать по-своему. В качестве примера можно взять типичный набор комплектующих для микроквадрокоптера и оценить массу каждой части. Ориентировочное распределение массы такого аппарата с картонной рамой показано на рисунке 1.

Из рисунка видно, что больше всего весят моторы и аккумулятор, а на раму приходится около четверти массы всего аппарата. Общая масса в этом примере составляет около сорока граммов, а суммарная тяга четырёх моторов около восьмидесяти граммов, то есть вдвое больше веса. Такое отношение тяги к весу, которое называют тяговооружённостью, считается минимально достаточным: аппарат уверенно висит, отвечает на команды пилота и может немного подниматься даже при подсевшем аккумуляторе. Если рама окажется тяжелее на десять граммов, тяговооружённость упадёт примерно до 1,6, и полёт станет вялым.

Отсюда главная задача проекта: уложить раму в восемь-десять граммов и при этом сделать её достаточно жёсткой. Жёсткость нужна не только для того, чтобы аппарат не сломался. Если лучи рамы гнутся и дрожат, гироскоп полётного контроллера воспринимает эти колебания как движение всего аппарата и начинает их исправлять, из-за чего дрон раскачивается в воздухе. Поэтому хорошая бумажная рама должна быть лёгкой, жёсткой и при этом гасить вибрацию моторов, а не передавать её на плату.

Масса влияет и на продолжительность полёта. Аккумулятор ёмкостью триста миллиампер-часов при висении такого аппарата отдаёт ток в несколько ампер, и его заряда хватает примерно на четыре-пять минут. Чем тяжелее аппарат, тем больше газа нужно для висения, тем выше ток и тем короче полёт, так что лишние граммы рамы оборачиваются потерянными секундами в воздухе. Взять аккумулятор побольше можно, но он сам весит больше, и выигрыш во времени быстро сходит на нет, поэтому для микродронов обычно выбирают самый лёгкий аккумулятор, который ещё обеспечивает разумное время полёта.

1.2. Бумага как конструкционный материал

Бумага состоит из переплетённых растительных волокон, главным образом целлюлозы, которые при производстве укладываются преимущественно вдоль движения бумагоделательной машины. Поэтому у листа есть направление волокон, и вдоль него бумага прочнее и жёстче, чем поперёк. Это легко проверить, если попробовать согнуть полоску, вырезанную из листа в разных направлениях. Для рамы дрона детали лучше вырезать так, чтобы волокна шли вдоль лучей, тогда лучи будут меньше прогибаться под тягой моторов.

Жёсткость детали на изгиб сильно зависит от формы сечения. Плоская полоска бумаги провисает под собственным весом, но та же полоска, сложенная уголком или свёрнутая в трубку, держит форму и выдерживает заметный груз. Причина в том, что при изгибе работают прежде всего слои материала, удалённые от середины сечения, и чем дальше они вынесены, тем жёстче деталь. Именно поэтому в гофрокартоне два плоских слоя разнесены волнистой прослойкой, а в авиации крылья и фюзеляжи делают пустотелыми.

Умение получать жёсткие конструкции из тонкого листа давно вышло за пределы школьных поделок. Японский астрофизик Корё Миура придумал особый способ складывания листа, который сейчас называют складкой Миуры: лист с такими складками раскрывается и складывается одним движением, потянув за противоположные углы. Эту идею использовали для солнечных батарей космических аппаратов, которые нужно было уложить компактно при запуске и развернуть уже на орбите. Инженеры, изучающие технику оригами, проектируют складные антенны, медицинские стенты и упаковку, и бумажный дрон в этом смысле продолжает ту же линию, в которой форма важнее толщины материала.

Слабость бумаги в том, что она боится влаги и клея на водной основе. Если промазать картон обильным слоем ПВА, он размокает, коробится и после высыхания теряет форму. Поэтому для бумажных дронов используют тонкий слой клея, клей-карандаш или термоклей, а готовую раму иногда покрывают лаком, который защищает её от сырости. Узлы, на которые приходится наибольшая нагрузка, то есть места крепления моторов и центральную часть, полезно усиливать дополнительными слоями картона или накладками.

Выходит, что бумага, несмотря на хрупкость отдельного листа, при грамотной конструкции становится вполне пригодным материалом для лёгкой рамы. Её достоинства в низкой цене, доступности и простоте обработки обычными ножницами и макетным ножом, что позволяет быстро изготовить несколько вариантов и сравнить их. О том, как спроектировать и собрать такую раму, рассказывает вторая глава реферата.