Эта статья посвящена изготовлению пропеллерного измерителя скорости, который является частью скоростного стабилизатора, описанного в статье Стабилизация крыла HК Mini-Sonic. Предлагаемый пропеллерный датчик скорости был разработан в результате ряда экспериментов и зарекомендовал себя, как легкий, чувствительный и технологичный. При весе около 2 г., он позволяет измерять скорости в диапазоне 10 км - 90 км/ч. Датчик изготовлен из относительно легкодоступных материалов, его легко разобрать и исправить или заменить проблемные элементы.
Почему необходим именно пропеллерный измеритель?
Необходимо стабилизировать модель на низких скоростях, близких к скорости сваливания, а существующие датчики аэродинамической скорости на основе трубки Пито плохо работают на скоростях меньше 40 км/ч.
Как работает датчик?
Набегающий воздух вращает пропеллер (крыльчатку), который находится на одной оси с оптическим прерывателем (обтюратором). Вращение обтюратора периодически разрывает оптическую связь в оптопаре (паре светодиод - фотодиод) генерируя электрические импульсы, с частотой, пропорциональной скорости воздушного потока.
Оперативность измерения воздушного потока.
Кроме непосредственно высокой чувствительности по скорости (пропеллер начинает вращаться при скорости воздушного потока около 5 км/ч.) необходимо достигнуть "малую инерционность" датчика - т.е. быстрое реагирование на изменение скорости. Стабилизатор аэродиномической скорости модели, построенный на основе этого датчика, должен оперативно отрабатывать порывы ветра, иначе устойчивость будет потеряна. Поэтому, крыльчатка делается максимально легкой - из фольги 0.12 мм толщиной. Такая фольга гнется даже от легких прикосновений пальцами. Но легкость крылччатки дает возможность получить задержку в измерении скорости не больше 0.2 - 0.5 сек.
Максимальная измеряемая скорость - насыщение датчика потоком.
Так как крыльчатка, как пропеллер далеко не идеальна - она имеет очень большое воздушное сопротивление при вращении, при сильном воздушном потоке скорость вращения начинает "насыщаться". Для данной конструкции скорость насыщения вращения около 60 км/ч, где датчик еще может производить измерения, но последующий участок уже не будет относительно линейным. При дальнейшем повышении скорости до 120 - 150 км/ч лопасти крыльчатки будут погнуты набегающим потоком и датчик перестанет работать.
Конечно, можно предложить другие конструкции датчика, где крыльчатка имеет обтекаемую форму и более жесткая, но это сейчас не является целью - главное, нужно обеспечить высокую чувствительность на малых скоростях, а скоростей сильно выше 60 км/ч парковая модель достигнуть практически не сможет, даже в пикировании.
Погодозащищенность датчика.
К сожалению, датчик очень подвержен влиянию дождя и снега. Дождь оседает каплями на частях конструкции и уменьшает чувствительность, а снег просто забивает канал и останавливает вращение крыльчатки. Что поделать, нужно это учитывать этот фактор и не летать в плохую погоду. Здесь пока универсального решения нет - трубка Пито тоже атмосферно-зависима. Можно ли улучшить сопротивляемость датчика к влаги? Конечно можно - пропеллер из водоотталкивающего материала правильной обтекаемой формы, без внешнего корпуса и со скрытым датчиком вращения практически не подвержен влиянию дождя и налипанию снега . Но такая конструкция пока не разработана, а сейчас надо использовать то, что имеется в наличии.
Возможные применения
Описанный датчик уже применялся совместно с гироскопом-стабилизатором для стабилизации параметров полета модели HK Mini Sonic. Стабилизатор полета имеет входной параметр "Gain" - коэффициент стабилизации. Оптимальный коэффициент зависит от скорости полета - малые скорости требуют максимального коэффициента, большие минимального. Если стабилизация маленькая - модель становиться неустойчивой, при бОльшей стабилизации модель "самовозбуждается" и начинает трясти крыльями. Поэтому, для установления оптимального коэффициента стабилизации, сигнал с датчика скорости обрабатывался и преобразовывался контроллером во входной параметр "Gain" для гироскопа-стабилизатора.
Стабилизируя аэродинамическую скорость модели возможно увеличить устойчивость модели к "продольным" порывам ветра. Это особенно важно при полете на низкой скорости - во время "хвостового" порыва ветра модель "проваливается" и резко теряет высоту. Контроллер стабилизированной модели Mini-Sonic при резком уменьшении аэродинамической скорости увеличивал тягу двигателя, тем самым ее стабилизируя.
И последнее, многие пилоты (например, планеристы) не отказались бы получать с борта данные о аэродинамической скорости по телеметрии. Трубка Пито тоже годиться для этой цели, но она дорогая и тяжелая. Пропеллерный датчик представляет хорошую дешевую альтернативу. Вес устройства (вместе с конроллером) можно уменьшить до 10 г.!
Итак, приступаем к изготовлению датчика. По оценкам, датчик может быть изготовлен за 6 - 12 часов. Какой-либо специальный опыт при изготолении не требуется, важно чтобы руки были на месте :).
Инструмент.
Лупа или очки.
Микро-дрель (Подходит часовая отвертка с цанговым зажимом).
Набор сверл (0.4 - 1.0мм).
Макетный резак или скальпель.
Бормашинка (Дремель) с алмазными отрезными дисками.
Алмазный (или тонкий корундовый) полировальный брусок.
Тонкая шкурка.
Кусачки, пассатижи и маленькие ножницы.
Материалы.
Шприц 20 мл. (используется как корпус шприца, так и игла, которая является идеальной трубкой для подшипников скольжения)
Фольга от таблеток (подходит от Фестала, толщина около 0.12 мм, плотность около 0.3 г на см2).
Стальная проволока 0.4 мм - 5 см.
Крестики для укладки керамической плитки.
Булавки портновские.
Эпоксидная смола.
Циакриновый клей.
Датчик (оптопара) НОА1874-012
Вариации и допуски.
Для изготовления датчика я использовал материалы, которые у меня были в наличии, и которые я смог приобрести без длительных задержек. Естественно, у других изготовителей таких материалов может не оказаться под рукой. Тогда надо смело изменять конструкцию, экспериментировать, - все равно датчик получится работоспособным. Параметры, конечно, у него будут другими, но их потом можно будет скомпенсировать настройками программы обслуживания. Оптопару так же можно использовать практически любую - важно, чтобы ее размер хорошо сочетался с размерами корпуса.
Я экспериментировал с шприцами меньшего диаметров. Датчики меньшего размера так же работоспособны, но более сложные в изготовлении и более чувствительны к загрязнению - 20 мл. шприц является более или менее оптимальным материалом для корпуса.
Я специально не указываю на чертежах возможных ошибок размеров (допусков). Думаю, они должны определяться, из общих соображений, самим изготовителем датчика. Часть размеров может даже варьироваться, но все "контактные" места должны быть тщательно подогнаны. Например, отверстие для оптопары должно быть такое, чтобы датчик плотно на нее надевался, крестовины должны плотно входить в корпус, размеры крыльчатки должны позволять ей свободно вращаться в корпусе и т.д.
Изготовление корпуса.
Отрезая часть корпуса шприца, делаем "трубу" длинной 35 мм и диаметром 21.5 мм. Шприц можно резать как резаком, так и алмазным отрезным диском, при этом помним, что матерал трубки относительно хрупкий. Сначала отрезаем один конец цилиндра, добиваемся строгой перпендикулярности отреза, потом протачиваем прямоугольное окно (для оптопары НОА1874-012 размер окна должен быть 12.5 мм х 6.5 мм). Его надо расположить на расстоянии 7.0 мм от края цилиндра. Сначала сверлим по углам окна отверстия Дремелем, потом формируем прямоугольник, аккуратно срезая края резаком. Размер поверяем самим датчиком - нужно следить, чтобы оптопара входила плотно, без люфта. И, последним этапом, отрезаем цилиндр целиком.
Изготовление крестовин.
Обрезаем края 2-х укладочных крестиков по внутреннему диаметру трубки резаком. Желательно, чтобы крестик, будучи вставленным в цилиндр, держался на трении .
Изготовление шпонок из булавок.
8 шпонок делаем, отрезая алмазным диском 6 мм часть со шляпкой от портновских булавок. С помощью алмазного диска слегка затачиваем концы получившихся "гвоздиков".
Сверление отверстий под шпонки.
Надсверливаем торцевые отверстия в крестовинах. Наметить отверстия нужно ручной микро-дрелью, позиционируя отверстие в центре торцов крестика. Если булавка имеет толщину 0.7 мм, используем сверло 0.4 мм. Достаточно вручную просверлить около 1 мм - потом углубляем отверстия Дремелем, доведя глубину до 6 мм. Проверяем диаметр, загоняя шпонку в отверстия - она должна с небольшим усилием входить и держаться на трении.
Делаем сборочные метки - помечаем одну ножку каждой крестовины с внутренней стороны, надсверливая неглубокие отверстия. Одна крестовина помечается одним отверстием, другая двумя. Эти отверстия для лучшей видимости еще помечаем маркером (без гравировки краска на крестиках практически не держится и стирается руками).
Просверливаем отверстия для шпонок в корпусе датчика. Сначала делаем необходимую разметку - для этого очень удобно использовать поршень шприца - вставляем его в цилиндр и кладем крестик на него, намечаем расположение отверстий булавкой. Делаем сборочную маркировку (крестовины не идеальны и асимметричны) - помечаем так же отверстия для маркированных ножек крестовин легкими насечками на корпусе - мы должны точно так же расположить крестовину при последующих сборках. Сверлим отверстия для шпонок на корпусе цилиндра ручной дрелью.
Изготовление упоров вертушки и подшипников.
С помощью алмазного диска отрезаем от иглы шприца 4 кусочка-трубочки 3 мм длинной. Из двух кусочков мы сделаем упоры вертушки, из двух других подшипники скольжения. Перед отрезанием кусочка - полируем "рабочий" торец мелким алмазным бруском. Вручную снимаем внутреннюю фаску сверлом 0.6 мм. Прилогаем все усилия, чтобы торец был идеально отполирован - от величины трения в подшипнике будет зависить реальная чувствительность датчика.
Сверлим отверстие в центре крестика диаметром 0.5 мм. Стараемся строго выдерживать вертикальность. Приклеиваем втулку подшипника в это отверстие циакрином, во время приклеивания внутреннее отверстие подшипника лучше замазать воском или парафином. После, выковыриваем воск булавкой и промываем подшипник бензином.
Изготовление рабочей оси вертушки.
Максимально возможно выпрямляем 4 см кусок стальной проволоки (для контроля смотрим вдоль проволоки под острым углом - не должно быть никаких видимых перекосов или изгибов). Надеваем на проволоку задний упор вертушки (рабочем торцом наружу) так, чтобы от него до конца проволоки оставалось около 4 мм. Два раза "прикусываем" его кусачками, делая это аккуратно, дозируя усилие. В результате полученных деформаций упор должен намертво закреплен на проволоке.
Изготовление обтюратора вертушки.
Пальцами на полированной поверхности разглаживаем квадратик фольги 17 х 17 мм. Пользуясь крестиком для укладки плитки как шаблоном, скальпелем вырезаем из фольги крест с шириной ножек 3 мм. Протыкаем булавкой в центре крестика отверстие. Снова разглаживаем крестик пальцами и красим его с обеих сторон черным несмываемым маркером (все же оптический прерыватель).
Приклеивание обтюратора.
Частично собираем датчик. Устанавливаем "задний" (ближний к щели оптопары) крестик и фиксируем его "гвоздиками". Изготавливаем из пенопласта "таблетку" диаметром 8 - 10 мм и толщиной 4 - 8 мм, накалываем таблетку на ось вертушки и перемещаем ее вплотную к "упору". Надеваем на ось крестик обтюратора и кладем его сверху таблетки.
Проверяем положение обтюратора. Вставляем ось с обтюратором в корпус - он должен находиться как раз посередине отверстия для оптопары. Вынимаем ось с обтюратором, фиксируем в вертикальном положении, и сверху, булавкой капаем маленькую каплю эпоксидки, следя чтобы капля растеклась аккуратно вокруг оси. Когда клей затвердеет, снимаем пенопластовую таблетку и снова проверяем положение. Если обтюратор приклеен неправильно - его можно снять, разрушив эпоксидку кратковременным нагреванием пламенем зажигалки.
Изготовление крыльчатки вертушки.
Из той же фольги вырезаем 2 прямоугольника 7.0 х 17.0 . Делаем в каждом разрез до половины резаком, разглаживаем прямоугольники опять и собираем из них крестообразную крыльчатку. При правильном разрезе половинки должны держаться сама, на трении. Приклеиваем крестовину маленькими капельками эпоксидки с боку к оси вертушки так, чтобы она была на расстоянии 7 мм от обтюратора. Фиксируем половинки крыльчатки так же тремя дополнительными капельками с каждой стороны соединительного разреза (ничего, что конструкция получилась слегка асимметричной, мы откорректируем центровку после).
Маленькими пассатижами гнем крыльчатку, отгибая треугольники (как показано на чертеже) и придавая ей вид пропеллера. Угол загиба не должен превышать 30 - 40 градусов.
Балансировка вертушки.
Из двух одинаковых деревянных брусочков (палочек, коробочек) высотой 2 - 3 см изготавливаем поверочный станок. Для этого бруски надо положить на стол параллельно, на расстоянии около 3 см и положить сверху изготовленную вертушку так, чтобы обтюратор и крыльчатка находились между брусками. В силу асимметричности конструкции крыльчатка провернется тяжелой стороной к низу. Балансируем крыльчатку, отрезая маленькие кусочки фольги маникюрными ножницами, добиваемся полной балансировки - вертушка, при легком дуновении, должна кататься по брускам.
Установка крыльчатки в корпус.
Надеваем второй (передний) упор на ось, слегка надкусив кусачками, чтобы он держался на трении. Вставляем крыльчатку в корпус и временно прикрепляем шпонками 2-ю крестовину. Проверяем качество сборки - держим датчик вертикально и дуем на крыльчатку - она должна свободно вращаться стоя на заднем упоре. Замечаем правильное положение верхнего упора (так как корпус датчика относительно гибкий, нельзя ставить упор вплотную к подшипнику - надо оставить люфт около 0.3-0.6 мм). Снова разбираем датчик - вынимаем крыльчатку и прикусываем кусачками (окончательно) верхний упор. Собираем датчик опять.
Завершение сборки.
Откусываем лишнюю проволоку оси кусачками (или спиливаем Дремелем) на расстоянии 0.5 мм от края подшипников. Промываем подшипники капельками бензина. Проверяем качество сборки - пропеллер правильно изготовленного и хорошо сбалансированного датчик должен начинать вращаться от ветра 1 - 2 м/сек. (4 - 7 км/ч).
Крепление датчика на модели.
Датчик крепим вдали от пропеллера модели, закрепляя оптопару маленькими шурупами (у НОА1874-012 есть два крепежных отверстия). Надеваем датчик на оптопару, он должен плотно входить и держаться на трении. Дополнительно прижимаем датчик к оптопаре надетым сверху резиновым колечком.
