Πλήρης σχεδιασμός με Η/Υ (εννοιολογικός - προκαταρκτικός - λεπτομερής), κατασκευή, πτητικές δοκιμές και τεκμηρίωση, πλήρως 3D εκτυπωμένου UAV σταθερής πτέρυγας
Authors: Καπούλας Ιωάννης 
Published: March 2024

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).