Robotic quadcopters kunnen goedkope G-vluchten aanbieden

Een van de komisch genoemde triomfen van luchtvaarttechniek is de braakselkomeet - een vliegtuig dat een parabolische baan vliegt om de omstandigheden van nul g te simuleren. Deze vliegtuigen worden gebruikt door astronauten om in gewichtloze omstandigheden te trainen met tussenpozen van ongeveer 25 seconden en door mensen die gewoon nul g willen ervaren. De vliegtuigen hebben ook andere gebruikers gehad - de gewichtloze scènes in de film Apollo 13 werden allemaal gefilmd in een braakselkomeet op nul g.

Braakselkometen zijn ook een van de beschikbare opties voor wetenschappers om experimenten uit te voeren in microzwaartekrachtomstandigheden. Maar braakselkometen zijn niet goedkoop, ze kosten tot $ 3.000 per kilogram; en ze moeten maanden of jaren van tevoren worden geboekt, dus het herhalen van een experiment dat op de een of andere manier is misgegaan, kan vaak moeilijk zijn.

Een andere optie is een drop tower. Deze hebben een snelle doorlooptijd en zijn eenvoudig te boeken. Maar ze zijn in de eerste plaats onbetaalbaar.

En de laatste optie - een vlucht op het internationale ruimtestation of een op maat gemaakt ruimtevaartuig - is voor bijna iedereen onbetaalbaar.

Dus wetenschappers zouden dolgraag een goedkoper en sneller alternatief hebben, in ieder geval om proof-of-principle-ontwerpen te testen voordat ze aan duurdere opties beginnen.

Dit diagram toont de krachten die een nul-g quadcopter met rotors met variabele spoed kan produceren

Vandaag hebben ze hun wens, of komt er dichtbij, dankzij het werk van Juan-Pablo Afman en vrienden van het Georgia Institute of Technology in Atlanta. Deze jongens kwamen op het idee om een ​​autonome quadcopter te gebruiken om gedurende korte perioden nul g-condities te creëren. Hun oplossing is zeer flexibel, gemakkelijk herhaalbaar en vooral goedkoop.

Hun doelen zijn gemakkelijk te formuleren. Ze willen ten minste vijf seconden vrije val, om binnen de wettelijke beperkingen te kunnen opereren en dit alles te doen met een systeem dat minder dan $ 25.000 kost.

Dat is niet zo eenvoudig als het klinkt. Afman en co kwamen er al snel achter dat het vliegen met een quadcopter naar grote hoogte en het uitschakelen van de motoren geen nul g genereert vanwege de luchtweerstand tijdens de val.

Erger nog, de krachten die op de rotoren werken, veroorzaken ernstige instabiliteiten die het moeilijk maken voor het voertuig om te herstellen, zelfs wanneer de motoren weer worden ingeschakeld. Omdat de stuwkracht bijna nul is, is het voertuig niet in staat om tijdens de manoeuvre de juiste houding te behouden en zijn de resultaten catastrofaal, zeggen ze.

Het probleem is dat het soort rotors met een vast vlak dat standaard op de meeste quadcopters is, niet de krachten kan produceren die nodig zijn om nul g te handhaven of om het vaartuig tijdens een vrije val te stabiliseren. Het team moest dus een eigen rotorontwerp met variabele pitch bedenken om het te allen tijde controle over het vaartuig te geven in zes vrijheidsgraden.

Natuurlijk zijn er wettelijke beperkingen. Een van de belangrijkste is dat quadcopters in Europa of de VS niet boven ongeveer 120 meter kunnen worden gevlogen. Ze mogen ook niet meer dan ongeveer 25 kilogram wegen, wat de experimenten die ze kunnen uitvoeren beperkt.

Maar dat stelt het team nog steeds in staat om trajecten te ontwerpen die tot vijf seconden lang nul g produceren, terwijl de volledige controle over het voertuig behouden blijft.

Voor de veiligheid definieert het team ook een geografisch ruimtevolume waarbinnen de quadcopter te allen tijde moet blijven. Dit wordt bepaald door hoe ver het voertuig ballistisch zou reizen als het op enig moment vermogen zou verliezen. Ze noemen dit een geofence en het garandeert relatieve veiligheid.

Het team heeft ook de software gemaakt waarmee gebruikers trajecten kunnen ontwerpen met verschillende nul-g-tijdprofielen voor specifieke experimenten.

Ondanks een indrukwekkende hoeveelheid voorbereidingswerk op de grond, heeft het team nog geen nulg-vluchten uitgevoerd, voornamelijk als gevolg van vertragingen bij het rotorontwerp. We moeten gewoon zien hoe goed het apparaat presteert - ze beloven eind 2016 enkele nulg-vluchten uit te voeren.

In de tussentijd is het werk een veelbelovende stap voorwaarts voor nul g-onderzoek. Het prijskaartje van het systeem maakt het toegankelijk voor een breed scala aan instellingen en misschien zelfs voor scholen. Dat zou een nieuwe interesse moeten inluiden in experimenten zonder gewicht en een die kan worden bereikt met weinig of geen braaksel.

Referentie: arxiv.org/abs/1611.07650 : Over het ontwerp en de optimalisatie van een autonome luchtrobot die microzwaartekracht mogelijk maakt

zich verstoppen