211service.com
Zrobotyzowane quadkoptery mogą oferować tanie loty w zerowej masie G
Jednym z komicznie nazwanych triumfów inżynierii lotniczej jest kometa wymiotująca — samolot, który leci po parabolicznej trajektorii, aby symulować warunki zerowej grawitacji. Samoloty te są używane przez astronautów do treningu w stanie nieważkości w odstępach około 25 sekund oraz przez osoby, które po prostu chcą doświadczyć zerowej grawitacji. Samoloty miały też innych użytkowników — nieważkie sceny z filmu Apollo 13 wszystkie zostały sfilmowane wewnątrz komety wymiocin przy zerowej g.
Komety wymiocinowe są również jedną z dostępnych naukowcom opcji przeprowadzania eksperymentów w warunkach mikrograwitacji. Ale komety wymiocinowe nie są tanie, kosztują nawet 3000 dolarów za kilogram; i trzeba je rezerwować z wielomiesięcznym lub letnim wyprzedzeniem, więc powtórzenie eksperymentu, który jakoś się nie powiódł, często może być trudne.
Inną opcją jest wieża zrzutowa. Mają one szybki zwrot i są łatwe do zarezerwowania. Ale przede wszystkim są zaporowo drogie.
A ostatnia opcja – lot na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub statek kosmiczny na zamówienie – jest zaporowo kosztowna dla prawie wszystkich.
Dlatego naukowcy bardzo chcieliby mieć tańszą i szybszą alternatywę, przynajmniej po to, by przetestować projekty sprawdzające zgodność z zasadami przed podjęciem droższych opcji.
Ten wykres pokazuje siły, jakie może wytworzyć quadkopter o zerowej gramaturze z wirnikami o zmiennym skoku
Dziś mają swoje życzenie lub są mu bliskie, dzięki pracy Juana-Pablo Afmana i kumpli z Georgia Institute of Technology w Atlancie. Ci faceci wpadli na pomysł wykorzystania autonomicznego quadkoptera do stworzenia warunków zerowej grawitacji na krótkie okresy czasu. Ich rozwiązanie jest wysoce elastyczne, łatwo powtarzalne, a przede wszystkim tanie.
Ich cele są łatwe do określenia. Chcą mieć co najmniej pięć sekund swobodnego spadania, działać w ramach ograniczeń prawnych i robić to wszystko z systemem kosztującym mniej niż 25 000 USD.
To nie jest takie proste, jak się wydaje. Afman i spółka szybko odkryli, że latanie quadkopterem na dużą wysokość i wyłączanie jego silników nie generuje zera g ze względu na opór powietrza podczas zrzutu.
Co gorsza, siły działające na wirniki powodują poważne niestabilności, które utrudniają odzyskanie pojazdu, nawet po ponownym włączeniu silników. Ponieważ siły ciągu są bliskie zeru, pojazd nie jest w stanie utrzymać właściwej pozycji podczas manewru, a wyniki są katastrofalne, jak mówią.
Problem polega na tym, że typ nieruchomych wirników, które są standardem w większości quadkopterów, nie jest w stanie wytworzyć sił niezbędnych do utrzymania zerowej grawitacji lub stabilizacji statku podczas swobodnego spadania. Dlatego zespół musiał wymyślić własną konstrukcję wirnika o zmiennym skoku, aby zapewnić mu kontrolę nad pojazdem w sześciu stopniach swobody przez cały czas.
Oczywiście istnieją ograniczenia regulacyjne. Jednym z najważniejszych jest to, że quadkoptery nie mogą latać powyżej około 120 metrów w Europie lub USA. Nie mogą też ważyć więcej niż około 25 kilogramów, co ogranicza eksperymenty, które mogą przeprowadzić.
Ale to nadal pozwala zespołowi projektować trajektorie, które dają zero g przez maksymalnie pięć sekund, zachowując pełną kontrolę nad pojazdem.
Ze względów bezpieczeństwa zespół określa również geograficzną objętość przestrzeni, w której quadkopter musi przez cały czas przebywać. Jest to definiowane przez to, jak daleko pojazd przebyłby balistycznie, gdyby w dowolnym momencie stracił moc. Nazywają to geofence i gwarantuje względne bezpieczeństwo.
Zespół stworzył również oprogramowanie, które pozwala użytkownikom projektować trajektorie z różnymi profilami czasu zerowego g dla konkretnych eksperymentów.
Pomimo imponującej ilości prac przygotowawczych na ziemi, zespół nie wykonał jeszcze żadnych lotów z zerową grawitacją, głównie z powodu opóźnień w konstrukcji wirnika. Musimy tylko zobaczyć, jak dobrze działa urządzenie — obiecują wykonać kilka lotów o zerowej grawitacji pod koniec 2016 roku.
W międzyczasie praca jest obiecującym krokiem naprzód dla badań z zerową gramaturą. Cena systemu sprawia, że jest on dostępny dla wielu instytutów, a być może nawet dla szkół. Powinno to zwiastować nowe zainteresowanie eksperymentami bez wagi i takie, które można osiągnąć bez wymiotów lub bez wymiotów.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1611.07650 : Projekt i optymalizacja autonomicznego robota powietrznego umożliwiającego mikrograwitację