Пушка для доставки лёгких грузов на короткие расстояния

Авторы: Белашов Егор 11кл;

Научный руководитель: Панков Сергей Александрович, на учный сотрудник СУНЦ МГУ, Ланат

Для того чтобы микроконтроллер мог контролировать область, в которую должен попадать снаряд, было найдено два метода. В обоих вариантах пушка должна уметь крутится вокруг своей оси, однако в первом фиксируется угол наклона ствола к горизонту, а компьютер управляет давлением в ресивере, которое выталкивает снаряд; во втором варианте фиксируется давление и изменяется угол наклона ствола к горизонту. Решающими преимуществами второго варианта оказалось то, что время, за которое ствол поменяет свой угол много меньше того за которое компрессор накачивает нужное давление.

Перед изготовлением конструкции она была предварительно смоделирована в виртуальной среде т.к. это значительно ускоряет работу, были разработаны механизмы, а также проверена их работа. Самым проблематичным узлом оказался «клапан» между ресивером со сжатым воздухом и стволом. Имеющиеся на рынке клапана имели плохую пропускную способность, что показали тесты первой версии. Поэтому была реализована система, в которой воздух из компрессора сначала попадает в камеру пневматического поршня, а потом через редуктор давления, понижающий его, и обратный клапан попадает ресивер. Пневматический поршень толкает специальную пластину, которая закрывает ток газа из ресивера в ствол (давление в ресивере подобранно так, чтобы сила, действующая на пластину, перекрывающую ствол, была меньше, чем сила с которой поршень её толкает). Между компрессором и редуктором находится маленький электромагнитный клапан, при открытии которого поршень перестаёт давить на пластину и ток газа из ресивера в ствол открывается.

Для создания снаряда была продуманна его внутренняя конструкция так, чтобы внутри была полость, в которую можно укомплектовать что-либо, а в последствие извлечь. При создании снаряда форма определялась двумя факторами: турбулентность, которая сильно увеличивает силу сопротивления воздуху, должна быть сведена к минимуму, а также снаряд должен быть максимально устойчивым при полёте (т.е. допустимо вращение только вокруг продольной оси). Отсутствие турбулентности позволит снаряду пролетать большее расстояние, а устойчивость при полёте упрощает расчёты, т.к. если снаряд будет вращаться вокруг любой не продольной оси, то потоки воздуха начнут обтекать его по-другому, а следовательно, изменится коэффициент аэродинамического сопротивления. Также вращение снаряда вокруг не продольной оси может привести к абсолютно непредсказуемому поведению. Во время разработки весь снаряд был условно поделен на три части: цилиндрическая (средняя часть), обтекатель и хвостовая часть. В процессе продувки в виртуальной аэродинамической трубе корректировалась форма обтекателя и хвостовой части, и в итоге, путём проб и ошибок, получилось подобрать форму, удовлетворяющую поставленным задачам.

Некоторые детали были изготовлены самостоятельно, однако т.к. большая часть деталей была металлическими, а для обработки металла требуются специализированные станки, были найдены специалисты. После конструкция была сварена (при поддержке научного руководителя) и собрана.

Т.к. не существует уравнения описывающего полёт снаряда в воздушной среде в общем виде, было принято решение использовать метод просчёта по точкам. Была написана программа, которая рассчитывает траекторию полёта по следующему принципу: Компьютер считает, что между соседними точками скорость снаряда не изменяется, после чего он просчитывает координаты новой точки и новую скорость снаряда, и так от точки к точке. Такой метод может показаться не точным, однако промежутки времени между точками минимальны (~0.01 c), а следовательно, погрешность невелика. Также такой метод требует больших вычислительных мощностей, которые не может предоставить микроконтроллер, поэтому возможные траектории были заранее просчитаны компьютере с некоторым шагом на большом компьютере и записаны в память микроконтроллера.

Программное обеспечение выбирает из списка траекторий подходящую и управляет двигателями для наведения пушки. При наведении пушка должна «понимать» куда направлен её ствол. Была написана программа, использующая три датчика: акселерометр, гироскоп и магнитометр. Гироскоп измеряет угловое ускорение вокруг своих осей, а поскольку направление этих осей известно, можно просчитать на какой угол повернулся или наклонился ствол. Однако гироскоп «не знает» где находится низ и где находится север. В этом ему помогают два других датчика: акселерометр, измеряющий линейное ускорение, а следовательно, он «знает где находится центр земли и корректирует гироскоп, магнитометр ориентируется по магнитным полюсам и также корректирует гироскоп.

• Цели
• Задачи
• Актуальность
• Результаты
• Применение
• Оборудование