Artykuły

Streszczenie
Wraz z rosnącą popularnością wykorzystania odnawialnych źródeł energii w przemyśle, rolnictwie i innych dziedzinach gospodarki coraz większe znaczenie zaczynają mieć Bezzałogowe Statki Powietrzne. Obok powszechnie stosowanych już wielowirnikowców świat nauki i przemysłu zaczyna otwierać się na ciekawą alternatywę w postaci zasilanych przez energię słoneczną płatowców. Autonomiczne, bezzałogowe samoloty solarne wymagają wykorzystania komponentów najwyższej jakości, wytrzymałych na różnego rodzaju uszkodzenia, tak aby zapewnić jak najdłuższe loty o możliwie największym zasięgu.
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych pozwala na dłuższy lot bez międzylądowań i jednoczesne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Samoloty solarne mogą być wykorzystywane we współpracy z dronami, a także jako ich cichsze i bardziej ekologiczne alternatywy, wykonując misje, które byłyby trudne dla innych Bezzałogowych Statków Powietrznych.

Wstęp
W ostatnich latach można zaobserwować rosnącą popularność wykorzystywania Bezzałogowych Statków Powietrznych (BSP), zwłaszcza wielowirnikowców (dronów) w wielu dziedzinach gospodarki i służb. Drony, dzięki zamontowanym kamerom i czujnikom pomagają w rolnictwie oceniać kondycję roślin, identyfikować zagrożenia na polach uprawnych czy nawet podejmować działania wspomagające pracę ludzi, np. wykonując opryski upraw.
Jednocześnie, obok dronów, istnieje rozwiązanie z coraz większym potencjałem. Niedoceniane na razie przez wiele branż samoloty solarne mają, naszym zdaniem, szansę stać się nieodłączną częścią pracy wielu zawodów, przewyższając pod wieloma względami wielowirnikowce.

Jak to działa?
Dlaczego taki gigant?
Ambicją naszego zespołu jest wykonanie najpierw dziesięcio-, a potem dwudziestoczterogodzinnego lotu bez międzylądowań. W tym celu ulepszamy nasze konstrukcje nie tylko pod względem dobieranych kompozytów, ale również wykonujemy badania i kalkulacje stosunku wielkości i masy samolotu do ilości energii, którą możemy uzyskać przy większej powierzchni paneli solarnych.
Sześć metrów rozpiętości skrzydeł pozwala na zamontowanie aż 68 ogniw fotowoltaicznych (34 na każde skrzydło), generujących około 246 W mocy. Dodatkowo, analiza numeryczna przy użyciu techniki Computational Fluid Dynamics (CFD) pozwoliła na precyzyjne dobranie profilu skrzydła, aby zoptymalizować przepływ powietrza i zminimalizować opór. Według naszych obliczeń, właśnie taka konstrukcja ma szansę pomóc nam w osiągnięciu naszego celu.

rys.2 analiza aerodynamiczna w programie Ansys Fluent

Budowa
W budowie Heliosa wyodrębnić można trzy główne części - kadłub, skrzydła i statecznik. Każda z nich wykonywana jest oddzielnie, a następnie mocowana ze sobą. Skrzydła są montowane za pomocą łącznika węglowego, specjalnie wzmacnianego, tak aby wytrzymał ich duży ciężar.
W kadłubie mieści się większość podzespołów elektronicznych, akumulatory a także kontroler lotu i inne układy scalone współpracujące przy wykonywanych misjach. Na przedzie kadłuba zamontowany jest silnik, którego zwieńczeniem są śmigła. Profil skrzydeł stałopłata ma umieszczone na sobie lotki oraz klapy, dla zwiększania siły nośnej oraz sterowania samolotem. Na wierzchu znajdują się ogniwa fotowoltaiczne, połączone za pomocą przewodów z akumulatorami.

Statecznik - “ogon” samolotu - dzięki umiejscowionymi w nim serwomechanizmami odpowiada za sterowanie kierunkiem lotu płatowca.

rys. 2 Infografika modelu Heliosa

Dobór kompozytów
Włókno szklane
Początkowo konstrukcje budowane przez nasz zespół wykorzystywały włókno szklane jako jeden z głównych kompozytów wchodzących w skład skrzydeł i stateczników. Z czasem jednak zredukowaliśmy jego ilość na rzecz droższego, lecz zapewniającego większą sztywność włókna węglowego.

Włókno węglowe
Głównym tworzywem pokrywającym kadłub, statecznik i skrzydła Heliosa jest włókno węglowe o specjalnym rodzaju splotu przypominającym szachownicę, które zapewnia wytrzymałość materiału na uszkodzenia niezależnie od kierunku. Jego wadą jest przewodzenie, w związku z czym koniecznym stało się zalaminowanie ogniw fotowoltaicznych, tak aby nie stykały się one bezpośrednio z powierzchnią węgla.

Włókno aramidowe
Kevlar, znany inaczej jako włókno aramidowe, jest materiałem polimerowym należącym do grupy aramidów, łączącym w sobie lekkość i wytrzymałość (przewody stalowe o tej samej średnicy są pięcio-sześciokrotnie mniej wytrzymałe i jednocześnie pięciokrotnie cięższe), a także wysoką odporność na temperaturę oraz korozję (temperatura rozkładu wynosi 560°C).
Dzięki swoim zaletom, jest często wykorzystywany w inżynierii lotniczej. Nasz zespół wykorzystuje włókno aramidowe ze względu na jego wyjątkowe właściwości, a także w celu uniknięcia efektu klatki Faradaya, który mógłby wystąpić, gdyby cała konstrukcja została wykonana z włókna węglowego. Klatka Faradaya to ekranowane pomieszczenie, które blokuje propagację sygnałów elektronicznych, a więc również komunikację pilota z samolotem. Brak stosowania kevlaru mógłby skutkować utratą łączności z samolotem, co jest niedopuszczalne w przypadku wykonywanych przez samolot misji, gdzie stała łączność modelu z bazą naziemną jest kluczowa dla funkcji i monitorowania samolotu. Co ciekawe, kevlar stworzyła amerykańska chemiczka o polskim pochodzeniu - Stephanie Kwolek, poszukując alternatywnego dla tych wykorzystujących paliwa kopalne materiału do produkcji opon.

Laminowanie
Największym zagrożeniem wynikającym z zastosowania materiałów węglowych jest możliwość wystąpienia zwarcia elektrycznego pomiędzy kompozytem a ścieżkami elektrycznymi ogniw fotowoltaicznych do laminowanych do górnej powierzchni skrzydeł. Aby temu zapobiec, wykonaliśmy testy różnych metod dodatkowej izolacji ogniw. Ostatecznie oceniliśmy, że najlepszą metodą jest zastosowanie nowej technologii laminowania zmieniającej kolejność etapów procesu, która polega na ówczesnym zalaminowaniu ogniw na zakrzywionej powierzchni, aby zapewnić ich wstępne dogięcie do profilu lotniczego.
Laminowanie paneli zabezpiecza również kruche ogniwa przed pęknięciami. Mocowanie ich na obłym profilu skrzydeł wywołuje dodatkowe naprężenie, które po dłuższym czasie może skutkować w uszkodzeniach.
Na rynku dostępne jest wiele różnorodnych technik laminowania, jednak żadna z nich nie była dostosowana do tak specyficznych wymagań. Z tego względu opracowaliśmy własną metodę, która czeka na objęcie patentem.

Autorska wyrzutnia
Wraz z rozwojem i powiększaniem naszych konstrukcji ręczny wyrzut samolotu stał się niemożliwy. Dlatego w procedurze startu wykorzystujemy autorską wyrzutnię dostosowaną do różnych modeli.

Dlaczego nie drony?
Czas lotu
Dzięki szybowcowym profilom skrzydeł oraz dużej ilości ogniw fotowoltaicznych samolot solarny znacznie przewyższa drony w długości lotu bez międzylądowań. Może pokonywać dalekie dystanse, podczas których pozyskuje energię ze słońca, ograniczając tym samym zużycie prądu, które wiąże się z emisją szkodliwych substancji do środowiska. Przewyższa w tym również inne bezzałogowe szybowce, które zasilane są spalinowo. Pozwala to na potencjalne przeloty nad parkami narodowymi i rezerwatami przyrody.

Hałas
Kolejną zaletą nad dronami jest wysokość, na której może latać nasz samolot. Wykracza ona ponad standardowe wysokości wielowirnikowców, zapewniając tym samym odległość od dzikich zwierząt. Co więcej, naszym zdaniem maszyna, niezależnie od wysokości, na której lata, dzięki temu, iż przez większość czasu może szybować, wytwarza zdecydowanie mniej hałasu niż drony.

Zastosowania
Satelita
Potencjał samolotów solarnych został dostrzeżony ponad 20 lat temu przez Chrisa Kellehera, który zaprojektował napędzany energią słoneczną samolot “Zephyr”. W 2013 roku, firma Airbus przyjęła projekt do siebie, jednakże prace nad samolotem wciąż były kontynuowane przez Chrisa. Powstała wtedy idea wykorzystania statku powietrznego jako satelity lecącego nieprzerwanie nawet przez okres sześciu miesięcy w stratosferze – poniżej tradycyjnych satelit, lecz powyżej samolotów pasażerskich. Dotychczas samolot był w stanie utrzymać się w powietrzu przez 28 dni. W ostatnim czasie spółka zależna Airbusa AALTO HAPS oznajmiła, że otrzymali certyfikację dla bezzałogowej platformy wysokościowej przez Urząd Lotnictwa Cywilnego Wielkiej Brytanii, co jest wielkim krokiem w dziedzinie lotnictwa solarnego.

BJP - Badanie Jakości powietrza
Jednym z najważniejszych zastosowań samolotu solarnego, który dostrzegliśmy jako zespół, jest wykorzystanie go jako mobilnego systemu do badania jakości powietrza. Taki rodzaj platformy zbierającej pomiary cząstek mierzonych w klasycznych stacjach meteorologicznych oraz cząstek uważanych za najgroźniejsze dla środowiska ma znaczącą przewagę nad stacjonarnymi stacjami ze względu na możliwość badania powietrza na różnych wysokościach oraz w miejscach nieoczywistych. Jest to pomocne zwłaszcza przy badaniu okolic domostw w celu wykrycia palenia nielegalnymi substancjami. Przy połączeniu z systemem monitoringu, projekt ma potencjał znacznie usprawnić pracę służb przy walce z “producentami smogu”.
Działanie BJP opiera się na czujnikach zamontowanych w pojemniku z druku 3D, chroniącym je przed ciągłym przepływem mas powietrza, do którego nie są one dostosowane. Pudełko jest umiejscowione na spodzie samolotu. Ma wlot oraz wylot regulujące przepływ powietrza. Dane czytane przez czujniki wysyłane są do stacji naziemnej w trzy sekundowych interwałach. Dzięki temu stacja naziemna jest w stanie odbierać i analizować dane w czasie rzeczywistym.

Zrzut szczepionek
Dodatkowym modułem, który może zostać dołączony do samolotu solarnego, jest system zrzutu szczepionek. Ma on za zadanie precyzyjnie dozować przedmioty za pomocą mechanizmu opartego na drukowanych w technologii 3D komponentach.

rys.4 Moduł zrzutu szczepionek - widok całości

Konstrukcja obejmuje zbiornik montowany na rurze, wewnątrz którego między przegrodami umieszczane są szczepionki. W każdym zbiorniku znajduje się zestaw popychaczy wyposażony w zębatkę, a wszystkie zębatki współpracują z centralnie umieszczoną przekładnią ślimakową, napędzaną przez silnik krokowy. Poprzez odpowiednie sterowanie silnikiem krokowym, kapsułki są stopniowo wypychane z systemu. Dzięki przesunięciu fazowemu kapsułek o 1/3 długości, jedna przekładnia ślimakowa jest w stanie obsłużyć wszystkie trzy zębatki, co pozwala na sekwencyjne dozowanie szczepionek, unikając ich jednoczesnego wypuszczania.

rys.5 Moduł zrzutu szczepionek - widok od przodu

Zastosowanie silnika krokowego pozwala na cofanie mechanizmu podczas lotu, co utrzymuje niezmienioną aerodynamikę samolotu. Zbiorniki są montowane pod skrzydłami, minimalizując tym samym zmianę środka ciężkości samolotu. To właśnie sposób montażu modułu był kluczowym wyzwaniem w fazie projektowania. Stworzenie jednego długiego szablonu mogłoby spowodować znaczące przesunięcie środka ciężkości.

rys.6 Moduł zrzutu szczepionek - widok od środka

Zaletą wykorzystanie metody druku 3D jest umożliwienie szybkiej produkcji, a także ograniczenie ilości odpadów produkcyjnych oraz łatwą naprawę części modułu.

Zrzut dronów
Kolejnym z modułów, który może zostać wykorzystany w samolocie, jest system zrzutu dronów. Pozwala on na zamocowanie 4 małych wielowirnikowców na specjalnych uchwytach od spodu samolotu. W trakcie lotu pilot wysyła sygnał do zwolnienia uchwytów, drony są zrzucane, uzbrajane i następnie wykonują samodzielny lot do celu.

rys.6 System zrzutu dronów

Jest to innowacyjne podejście do wykonywania różnorodnych misji, w których wykorzystuje się drony. Jako wielowirnikowce, mogą one wykonywać skomplikowane, precyzyjne zadania, jednocześnie nie zużywając energii na transport w okolice celu. Helios dzięki swojej motoszybowcowej budowie oraz zamontowanych panelach jest w stanie przelecieć daleki dystans zużywając o wiele mniej energii niż 4 małe drony. Może je następnie zrzucić, gdy cel jest już blisko.

Monitoring
Zamontowanie kamery na samolocie pozwala na monitorowanie obszaru w trakcie lotu. Służy to umożliwieniu pilotowi sterowania samolotem w ramach FPV - First Person View, czyli “widokowi z pierwszej osoby”. Imituje to znajdowanie się w kokpicie samolotu. Poza wspaniałymi widokami, zwiększa to również możliwości rozpoznania terenu. Dodatkowo, zamontowana kamera umożliwia zbierania zdjęć w trakcie lotu, które następnie mogą zostać wykorzystane jako dane do modelu uczenia maszynowego YOLOX, który został zoptymalizowany za pomocą TFLite. Umożliwia to wykorzystanie samolotu do wykrywania ludzi podczas przelotu, np. w celu znajdowania ofiar lub przestępców na rozległych terenach, przyspieszając tym samym akcje ratunkowe i poszukiwawcze.

Innowacyjność
Pomimo iż na rynku pojawia się coraz więcej maszyn wykorzystujących ogniwa fotowoltaiczne, technologia ta wciąż jest w fazie zaawansowanego rozwoju. Rzadkość stanowią jakiekolwiek pojazdy mechaniczne, które są w stanie wykonać zlecone im misje polegające na energii pobieranej ze słońca i tym właśnie Helios wyróżnia się wśród nie tylko samolotów modelarskich, ale wehikułów w ogólności.

Podsumowanie
Samoloty solarne dzięki swojej budowie motoszybowcowej, zamontowanym ogniwom fotowoltaicznym a także specjalnie dobranym kompozytom mają szansę stać się ważną częścią przemysłu i rolnictwa, a także wspomagać działanie służb. Ma potencjał być wykorzystywanym podczas ważnych misji naukowych i wojskowych. Pod wieloma względami przewyższa wielowirnikowce, będąc dla nich nie oczywistą alternatywą. Ich rozwój jest ważnym krokiem w stronę elektromobilności oraz wykorzystywania odnawialnych źródeł energii.

Bibliografia
[1]https://www.bbc.com/news/technology-62123819
[2]https://flyandwatch.pl/dron-w-rolnictwie/#:~:text=Zarejestrowany%20dronem%20obraz%2
0pozwala%20na,w%20uprawie%20w%20kr%C3%B3tkim%20czasie.
[3]https://www.suasnews.com/2015/09/tributes-paid-to-brilliant-pioneering-farnborough-aviat
or/
[4]https://materialyinzynierskie.pl/wytrzymaly-kevlar-wlokna-aramidowe/
[5]https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/aramid-fiber#:~:text=Aramid%20fibers%
20are%20aromatic%20polyamide,resistance%2C%20and%20excellent%20corrosion%20re
sistance
[6]https://milmag.pl/certyfikacja-bezzalogowca-pseudosatelity-zephyr-w-wielkiej-brytanii