Ολοκληρώθηκαν με επιτυχία οι πτητικές δοκιμές του μικρού, πλήρως 3D εκτυπωμένου, UAV «Ευκλείδης»

Το Σύστημα μη Επανδρωμένου Αεροσκάφους (UAS) «Ευκλείδης» αναπτύσσεται τα δύο τελευταία έτη στο Γενικό Τμήμα του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστήμιου Αθηνών από τον Υποψήφιο Διδάκτωρ κ. Καπούλα Κ. Ιωάννη σε συνεργασία με τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής του.

Η Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή συγκροτήθηκε με επιβλέποντα τον κ. Ιωάννη Σταθαρά, Καθηγητή του Γενικού Τμήματος του Ε.Κ.Π.Α. και μέλη τους κ. Αντώνιο Μπαλντούκα, Καθηγητή του Τμήματος Αγροτικής Ανάπτυξης, Αγροδιατροφής και Διαχείρισης Φυσικών Πόρων του Ε.Κ.Π.Α. και κ. Αντώνιο Χατζηευφραιμίδη, Καθηγητή του τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ε.Κ.Π.Α. Όλα τα μέλη της Τριμελούς επιτροπής, προέρχονται από το Τμήμα Μηχανικών Τεχνολογίας Αεροσκαφών Τ.Ε. του πρώην Τ.Ε.Ι. Στερεάς Ελλάδας.

Το UAV «Ευκλείδης» έχει εκπέτασμα πτερύγων 2m και μάζα μόλις 2kg. Σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε ως proof of concept UAS με σκοπό να διαφανούν οι προοπτικές εκμετάλλευσης πλήρως 3D εκτυπωμένων εναέριων μέσων. Το ωφέλιμο φορτίο του αποτελείται από μία κάμερα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ασφάλειας, επιτήρησης και αναγνώρισης. Με την χρήση διαφορετικών αισθητήρων ως ωφέλιμο φορτίο, οι δυνατότητες του συστήματος μπορούν να επεκταθούν και σε άλλους τομείς όπως η χαρτογράφηση περιοχών κ.ο.κ.

Η καινοτομία που παρουσιάζει το συγκεκριμένο όχημα είναι ότι πρόκειται για το πρώτο μικρό UAV το οποίο σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε στη χώρα μας ώστε να μπορεί να παραχθεί σε πολλαπλά αντίτυπα, απουσία ειδικού εξοπλισμού, με την χρήση ενός απλού οικιακού 3D printer. Το γεγονός αυτό, επιφέρει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα προς τους χρήστες του συστήματος:

1. 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).
2. Ο χρήστης του συστήματος δεν εξαρτάται πλέον από τον κατασκευαστή για την προμήθεια ανταλλακτικών της δομής του α/φους, καθώς όντας κάτοχος των τρισδιάστατων αρχείων σχεδιασμού είναι σε θέση να εκτυπώσει όσα αντίγραφα ανταλλακτικών δομικών μερών, ή ακόμα και ολόκληρων αεροσκαφών, επιθυμεί.
3. 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.

Ορισμένα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα ακόλουθα:

1. Το UAV αποτελείται από συνολικά 47 3D printed απάρτια. Έχει ληφθεί μέριμνα ελαχιστοποίησης των συνολικών εργασιών εκτύπωσής τους, με βελτιστοποίηση της διάταξης πολλαπλών απαρτίων τα οποία εκτυπώνονται εν σειρά επί του διαθέσιμου χώρου εκτύπωσης (bed) του 3D printer.
2. Στην τελική του μορφή το UAV αποτελείται από τρία τμήματα, την άτρακτο και τις δύο αποσπώμενες πτέρυγες οι οποίες συζευγνύονται με την άτρακτο με την βοήθεια μόλις 2 μικρών κοχλιών. Η διαμόρφωση αυτή επιτυγχάνει μικρό όγκο αποθήκευσης και μεταφοράς καθώς και ταχεία ανάπτυξη στο πεδίο.
3. Χρησιμοποιεί για την πρόωσή του ηλεκτροκινητήρα. Μελέτες διενεργήθηκαν για την επίτευξη της βέλτιστης αποδοτικότητας (efficiency) του συνδυασμού ηλεκτροκινητήρα / έλικας.
4. Δεν απαιτείται ο παραδοσιακός διάδρομος για την απογείωση και την προσγείωσή του, αλλά ούτε και ειδικά μέσα εκτόξευσης και ανάσχεσης. Η απογείωση διενεργείται με τη μέθοδο της δια χειρός εκτόξευσης (Hand Launch), ενώ η προσγείωση πραγματοποιείται με την κοιλιά του α/φους (Belly Landing) σε οποιοδήποτε επίπεδο πεδίο απαλλαγμένο από εμπόδια (π.χ. αγροτεμάχιο).
5. Ο γενικότερος αεροδυναμικός σχεδιασμός του είναι σύμφωνος με την σύγχρονη διεθνή αεροπορική βιβλιογραφία. Ειδικότερα συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις, όσον αφορά στις Ποιότητες Πτήσης (Flying Qualities) αλλά και στις Ποιότητες Χειρισμού (Handling Qualities) των μικρών UAV.
6. Το UAV χρησιμοποιεί ειδικό εκτυπώσιμο υλικό (filament) χαμηλής πυκνότητας το οποίο είναι σε θέση να προσφέρει εξοικονόμηση της τάξης του 50% στην τελική μάζα της δομής του α/φους, σε σχέση με άλλα συμβατικά εκτυπώσιμα υλικά. Ο CAD σχεδιασμός προσαρμόστηκε σύμφωνα με τις ειδικές απαιτήσεις του υλικού αυτού, καθώς το υλικό παρουσιάζει την ιδιαιτερότητα του να μεταβάλλει τις διαστάσεις του (να διογκώνεται ή να συρρικνώνεται) αναλόγως των εφαρμοζόμενων θερμοκρασιών εκτύπωσης (extrusion).
7. Δεν απαιτείται ειδικός Σταθμός Ελέγχου Βάσης (Ground Control Station), καθώς τον ρόλο αυτό μπορεί να αναλάβει ένας κοινός φορητός υπολογιστής ή κάποιο tablet.
8. Ύστερα από απόκτηση των Παραγώγων Ευστάθειας και Ελέγχου διά της προσομοίωσης, αναπτύχθηκε Προσομοιωτής Πτήσεως (Flight Simulator) ακριβούς απόδοσης της κινηματικής του α/φους, με σκοπό την εκπαίδευση των χειριστών του.
9. Παρέχονται  οδηγίες συναρμολόγησης και λειτουργίας του συστήματος (τεκμηρίωση). 

Βασικό στοιχείο που απορρέει από το όλο εγχείρημα, είναι η συσσώρευση τεχνογνωσίας η οποία επιτρέπει τον γρήγορο σχεδιασμό νέων 3D printed εναέριων μέσων, σύμφωνα με τις εκάστοτε ανάγκες. Σε πολλά στάδια του σχεδιασμού αναπτύχθηκαν διάφορα λογισμικά υπολογισμού (calculators), η χρήση των οποίων βοηθά στον γρηγορότερο σχεδιασμό οποιουδήποτε νέου συστήματος. Τέλος δημοσιεύτηκαν σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά πρωτογενείς μελέτες οι οποίες αφορούν στις διαδικασίες επιλογής αεροτομής για αντίστοιχα μικρά UAV, καθώς και στο το αποτύπωμα της ραδιοδιατομής (Radar Cross Section) που παρουσιάζει το UAV «Ευκλείδης» απέναντι σε σύγχρονα Radar εντοπισμού drones.

Οι κύριες Πτητικές Δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στην πεδιάδα της Κωπαϊδας στην Βοιωτία, κατά το διάστημα Μάϊου – Ιουνίου 2023. Τα κύρια ευρήματα όσον αφορά στις επιδόσεις του UAV είναι τα ακόλουθα:

Αυτονομία: 2 ώρες. Η τιμή μπορεί να μεταβάλλεται αναλόγως της μάζας και της ισχύος που καταναλώνει το εκάστοτε ωφέλιμο φορτίο που θα προσαρμοστεί, καθώς και αναλόγως της ενεργειακής πυκνότητας της χρησιμοποιούμενης ηλεκτρικής πηγής.

Εμβέλεια: 40+ km για μονής κατεύθυνσης διαδρομή, συνολικά 80+ km.

Στο επόμενο video παρουσιάζονται αποσπάσματα από το σχεδιασμό και την κατασκευή του UAV «Ευκλείδης»:

Στο επόμενο video παρουσιάζονται ορισμένα πλάνα από τις Πτητικές Δοκιμές του οχήματος:

Επόμενος στόχος είναι ο σχεδιασμός 3D printed οχημάτων σταθερής πτέρυγας τα οποία να είναι ικανά να από/προσγειώνονται, κάθετα, σε πολύ μικρότερης επιφάνειας τοποθεσίες (Vertical Take-Off and Landing – VTOL).