Πλήρης σχεδιασμός με Η/Υ (εννοιολογικός - προκαταρκτικός - λεπτομερής), κατασκευή, πτητικές δοκιμές και τεκμηρίωση, πλήρως 3D εκτυπωμένου UAV σταθερής πτέρυγας

Abstract

This work represents a multidisciplinary research in the broader mechanical engineering / aeronautical engineering and computer science / telecommunication science fields, which merges the knowledge the author has obtained from the undergraduate programs of Aeronautical Engineering (Psachna, 2021) and Informatics Technology and Telecommunication (Larisa, 2006). This researches’ main objective is to implement a complete design process using computer software, with the furthest result to construct an Unmanned Aerial System (UAS), whose Unmanned Aerial Vehicle (UAV) form a fully 3D printed small fixed wing aircraft named “Euclid”. Traditionally, the main materials used for small UAV’s, such as “Euclid”, were balsa wood, various types of foams, synthetic materials (carbon fiber, glass fiber, Kevlar etc.) or a combination of some or all these materials, depending on the needs of each design. With the rapid spreading of the FDM (Fused Deposition Modelling) 3D printers, some UAV designers, out of Greece, managed to successfully construct fully 3D printed small fixed wing UAV’s in recent years. “Euclid” UAV is the first such 3D printed system, which was designed, constructed, tested, and documented in Greece. This Current study covers all the aspects of the lifecycle of such a system. Specifically, it covers in detail, all three stages of design (conceptual, preliminary, detail), it moves on to flight tests, it gives a detailed documentation of the system in the utilization phase, and finally it provides the online 3DPUAVCalc (3D Printed UAV Calculator) software which helps the designers of similar systems to quickly calculate some aspects of the design process. The methodology used in all stages is based on aviation literature/bibliography and it specializes, where needed, into the special needs of electric propulsion, and/or into the specific needs of a 3D printed UAV. New models and methodologies were developed to cover some of those gaps in the global aviation literature/bibliography such as: the initial sizing of a 3D printed fixed wing UAV, the airfoil selection of a small number of Reynolds fixed wing UAV, the determination of the handling qualities of such an UAV using the Cooper & Harper scale via computer based flight simulation of the vehicle, the Radar Cross Section (RCS) of such a small fixed wing UAV, etc. Some of these novelties were published, as articles, in international scientific journals. In this work, care has been taken for all the third party used software’s (10 in total), to be freeware, either under an open type of license, or under a student license for academic purposes. This choice helps any reader who is willing to reproduce, to extend or to start a new similar 3D printed UAV design. As a result of the current venture, the “Euclid” UAV has been presented which has a wingspan of 2 m and a mass of only 2 kg. Its payload consists of a camera which can be used for security, surveillance, and reconnaissance applications. The overall cost of the system is a fraction of the cost of a commercial system with similar performance. The cost reduction can be as high as 75% in some cases. The time needed for the Production / Construction Phase of a copy of the Euclid UAV is very little, as it requires about a week to print and assemble one UAV, by only one person without specialized technical skills, using one common 3D Printer. This period of time can be further reduced to a couple of days when multiple 3D printers are being used in parallel/at the same time. Another advantage of the system is that no special Ground Control Station (GCS) is required for its operation. A common laptop or tablet can be used for this purpose. The main findings of the system’s performance are summarized into 2 h of endurance and a one-way range of about 50 km (100 km in total).

Η παρούσα εργασία αποτελεί μια ολοκληρωμένη και διεπιστημονική έρευνα στα ευρύτερα πεδία της πληροφορικής / τηλεπικοινωνιών και της μηχανολογίας / αεροναυπηγικής, η οποία «παντρεύει» τις γνώσεις που απέκτησε ο συγγραφέας της στα προπτυχιακά προγράμματα του Μηχανικού Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών (Λάρισα, 2006) και του Μηχανικού Τεχνολογίας Αεροσκαφών (Ψαχνά, 2021). Η έρευνα έχει ως κύριο σκοπό την εφαρμογή ενός πλήρους σχεδιασμού, αποκλειστικά στον Η/Υ, με τελικό αποτέλεσμα την παραγωγή ενός πλήρους Συστήματος μη Επανδρωμένου Αεροσκάφους, ΣμηΕΑ, (Unmanned Aerial System - UAS), του οποίου το εναέριο όχημα (Unmanned Aerial Vehicle – UAV) αποτελεί ένα πλήρως 3D εκτυπωμένο αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας (fixed wing), υπό την ονομασία «Ευκλείδης» (Euclid). Παραδοσιακά, τα κύρια χρησιμοποιούμενα υλικά για μικρού μεγέθους α/φη, αντίστοιχα με το μέγεθος του UAV «Ευκλείδης», ήταν η ξυλεία balsa, τα αφρώδη υλικά, τα συνθετικά υλικά (ανθρακοϋφάσματα, υαλοϋφάσματα κ.ο.κ. εμποτισμένα με ρητίνες), ή συνδυασμός μερικών ή όλων αυτών των υλικών, αναλόγως τον εκάστοτε σχεδιασμό. Με την ευρεία εξάπλωση των 3D εκτυπωτών τύπου FDM (Fused deposition Modelling), ορισμένοι σχεδιαστές τρίτων χωρών τα τελευταία έτη κατάφεραν να κατασκευάσουν πλήρως 3D εκτυπωμένα μικρά UAV σταθερής πτέρυγας. Το σύστημα «Ευκλείδης» είναι το πρώτο τέτοιο σύστημα (πλήρως 3D εκτυπωμένο) που σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε, δοκιμάστηκε και τεκμηριώθηκε στην Ελλάδα. Η παρούσα μελέτη καλύπτει όλο το φάσμα του κύκλου ζωής ενός τέτοιου συστήματος. Συγκεκριμένα καλύπτει με λεπτομέρειες τα 3 στάδια του σχεδιασμού (εννοιολογικός, προκαταρκτικός, λεπτομερής), προχωρά στις πτητικές δοκιμές, δίδει με λεπτομέρεια την τεκμηρίωση του συστήματος στη φάση αξιοποίησης και τέλος παρέχει το αναπτυχθέν λογισμικό 3DPUAVCalc (3D Printed UAV Calculator), το οποίο βοηθά τους σχεδιαστές παρόμοιων συστημάτων να φέρουν εις πέρας γρήγορα και εύκολα υπολογισμούς σχετιζόμενους με διάφορες φάσεις του σχεδιασμού. Η μεθοδολογία που ακολουθείται σε όλα τα στάδια, βασίζεται στην αεροπορική βιβλιογραφία, και εξειδικεύεται όπου απαιτείται στις ειδικές απαιτήσεις των ΣμηΕΑ, ή ακόμη και στις ειδικότερες απαιτήσεις των ηλεκτροκίνητων α/φών ή/και των 3D printed α/φων. Νέα μοντέλα και μεθοδολογίες αναπτύχθηκαν στα σημεία στα οποία ανιχνεύθηκαν κενά της διεθνούς αεροπορικής βιβλιογραφίας, όπως για παράδειγμα στην Αρχική Διαστασιολόγηση 3D printed μικρών UAV, στην γρήγορη επιλογή αεροτομών μικρών αριθμών Reynolds, στην αποτίμηση Ποιοτήτων Χειρισμού του UAV με τη μέθοδο των Cooper & Harper, μέσα από την Προσομοίωση της πτήσης του UAV στον Η/Υ (Computer Flight Simulation), στο αποτύπωμα της Ραδιοδιατομής (Radar Cross Section) μικρών UAV, κ.ο.κ. Ορισμένες από αυτές τις καινοτομίες (novelties) εκδόθηκαν ως άρθρα σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά. Στην εργασία έχει ληφθεί μέριμνα ώστε τα χρησιμοποιούμενα λογισμικά τρίτων προγραμματιστών (10 στον αριθμό) για της πάσης φύσεως εργασίες που απαιτούνται για την ολοκλήρωση του παρόντος έργου, να προσφέρονται άνευ αντιτίμου (freeware) είτε με άδειες ανοικτού τύπου, είτε με ακαδημαϊκού σκοπού άδειες, ώστε οι αναγνώστες της να μπορούν να αναπαράγουν, να επεκτείνουν ή να ξεκινήσουν έναν νέο αντίστοιχο σχεδιασμό με ευκολία. Ως αποτέλεσμα του όλου εγχειρήματος παρουσιάστηκε το UAS «Ευκλείδης», το οποίο έχει εκπέτασμα πτερύγων 2m και μάζα μόλις 2kg. Το ωφέλιμο φορτίο του αποτελείται από μία κάμερα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ασφάλειας, επιτήρησης και αναγνώρισης. Το συνολικό κόστος του συστήματος βρίσκεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα σε σχέση με το κόστος ενός εμπορικού συστήματος αντίστοιχων επιδόσεων (μείωση κόστους έως και 75% σε ορισμένες περιπτώσεις).Ο χρόνος του σταδίου Παραγωγής / Κατασκευής (Production / Construction Phase) για ένα αντίτυπο είναι εξαιρετικά μικρός, αφού απαιτείται μία περίπου εβδομάδα για την εκτύπωση και την συναρμολόγηση ενός UAV με έναν 3D printer, από ένα και μόνο άτομο, χωρίς εξειδικευμένες τεχνικές γνώσεις. Ο χρόνος αυτός μπορεί να μειωθεί έως και τις 2 ημέρες, στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολλαπλοί 3D printers εν παραλλήλω. Δεν απαιτείται ειδικός Σταθμός Ελέγχου Βάσης (Ground control Station), καθώς τον ρόλο αυτό μπορεί να αναλάβει ένας κοινός φορητός υπολογιστής ή κάποιο tablet. Τα κύρια ευρήματα όσον αφορά στις επιδόσεις του UAV είναι αυτονομία 2 ωρών και εμβέλεια περίπου 50 χιλιομέτρων για μονής κατεύθυνσης διαδρομή (συνολικά 100km).