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Razzimodellismo
I sistemi del veicolo sperimentale Casimiro (prototipo) e le modifiche attuate durante lo sviluppo - I
Casimiro è un veicolo a propulsione a razzo dotato di controllo automatico della rotta attuato mediante sensori e servomeccanismi. I sensori devono avvertire rotazioni indesiderate e attivare, mediante opportuna rotazione del motore, le correzioni necessarie a mantenere l'assetto del veicolo il più possibile vicino a quello precedente la perturbazione. Facile a dirsi, molto meno a realizzarsi. Per arrivare a ciò, Casimiro deve essere dotato di una serie di sistemi che in un normale razzomodello sono del tutto assenti e che invece in un VERO missile sono presenti e non sono nemmeno i soli. I sistemi di Casimiro, al momento del primo volo del 19 agosto 2004, erano: - Sospensione cardanica del motore a 2 assi - Servomotori per il movimento della sospensione cardanica - Giroscopi per la rilevazione delle rotazioni del veicolo sugli assi X e Y (Z, rollio, NON considerato al momento per semplicità costruttiva...) - Elettronica analogica di controllo dei servomotori e per l'interfacciamento servomotori-giroscopi - Impianto elettrico per corretta alimentazione dei vari sistemi, cablatura - Pannello di interfaccia-controllo dei sistemi accessibile dall'esterno della fusoliera - Sistema elettromeccanico di sensore inerziale per rilevare il momento del burnout del motore e/o eccessive rotazioni del veicolo - Cannoncino per la generazione di gas per la pressurizzazione del vano paracadute - Nose-cone smontabile in più parti per eventuale alloggiamento carico utile - Supporto piattaforma inerziale con possibilità di riposizionamento in zona CG a seconda delle variazioni del CG susseguente a modifiche strutturali e di posizionamento delle masse - Batterie di diverso tipo e capacità per l'alimentazione dei vari sistemi elettronici - Costruzione del veicolo modulare, sezioni del veicolo unite per mezzo di viti. Tutto il veicolo è smontabile in parti elementari suscettibili di modifica, riparazione e sostituzione. Non esistono parti incollate, a meno di componenti irrilevanti (es. tubo supporto motore in cartoncino LOC 24 mm.). - Sistema di ancoraggi esterni per sistemi alettoni, booster esterni o supporto veicolo a terra
Tanto per gradire. Questo lavoretto è costato un anno di lavoro e uno sproposito di test, di prove, di assemblaggi, di smontaggio di componenti, di ricostruzione di parti strutturali e meccaniche, di sostituzioni di parti elettroniche, di modifiche alla circuiteria e all'atto pratico, come ho detto in un'altra pagina, NESSUN componente realizzato una prima volta è arrivato tale e quale a far parte del Casimiro al momento del suo primo volo.
* * * * * Alcune immagini dello sviluppo degli elementi di Casimiro. Mostro particolari della meccanica e dell'elettronica così come si sono evoluti durante il lavoro di costruzione del prototipo.
La seconda sospensione cardanica realizzata in dicembre 2003. Essa era solo uno "STA", static test article, che serviva solamente per poter rendere reale il mio pensiero circa la fattibilità pratica della parte meccanica più importante. La meccanica di prova consentiva i movimenti del motore ma, esattamente come mi aspettavo, rendeva evidenti i problemi meccanici su cui ho dovuto successivamente lavorare.
Ecco il castello della seconda sospensione cardanica di test. I rinvii per gli azionamenti sui due assi sono stati aggiunti e... poco dopo declassati perché non sufficientemente affidabili o precisi. Questo passo è stato importantissimo per arrivare poi alla successiva meccanica, che traeva insegnamento dai problemi di questa.
Altra vista della seconda meccanica.
La terza sospensione cardanica, realizzata in dicembre-gennaio, è già molto più sofisticata. Essa prevede microcuscinetti a sfere per i movimenti e il servomotore di comando del motore sull'asse X è fissato direttamente al castello. In questa configurazione la meccanica è stata estesamente provata anche dinamicamente, e tutti i miglioramenti possibili sono poi stati implementati nella quarta, che è quella che fa parte di Casimiro tuttora.
Confronto delle due meccaniche. A sinistra la terza, che servirà addirittura per realizzare un telaio completo e per provare gli azionamenti con i servocomandi. Tutta preziosa esperienza.
Ecco gli elementi del telaio di prova con la nuova (la quarta!) meccanica. In questa foto si vede un pesante telaio con elementi addirittura metallici. La sezione staccata fungeva da vano per l'elettronica e da supporto per il vano paracadute.
Dettaglio della quarta sospensione cardanica, realizzata in maniera più precisa. Questa meccanica, dopo la sostituzione dell'elemento in vetronite con un nuovo servomotore più potente e veloce e dopo la sostituzione del servomotore superiore con un altro del tipo miniatura, ad alta potenza e alta velocità, diventerà quella giudicata in grado di volare su Casimiro.
La meccanica definitiva dopo le modifiche. Si nota la ruota di azionamento del nuovo microservo, preciso, veloce e potente. In alto, superiormente, si nota l'elemento in multistrato che supporta l'altro servomotore, identico, con i rinvii e gli attacchi a sfera per il castello. La forcella di sospensione al telaio è in alluminio e le viti passanti entro i microcuscinetti sono senza il minimo gioco. Questa meccanica non presenta alcun gioco ed è dotata di minimo attrito. L'unico limite nella precisione è data dall'elasticità degli elementi plastici dei motori e dei rinvii di azionamento. Una grossa impresa è stata trovare le viti e i microcuscinetti adatti allo scopo. Inutile dire che anche questa meccanica è diventata un laboratorio per ulteriori sviluppi che già sono allo studio. Pur funzionando, le cose da migliorare sono tantissime e tutto nascerà con una sospensione del tutto nuova.
Casimiro pronto al test statico 1 del 15 agosto 2004. Anche la rampa di lancio era dotata di una sospensione cardanica a un solo asse, che avrei usato per provare a terra dinamicamente il veicolo intero, per osservare i movimenti correttivi attuati dal sistema di controllo in seguito a perturbazioni che avrei causato io a mano, ma dopo i due test, considerando che il tempo stringeva, ho preferito lanciare. In ogni caso le prove a terra sono utilissime e per questo motivo credo che costruirò una nuova meccanica di sospensione per l'intero veicolo un po' più precisa.
Uno dei due giroscopi montati sul telaio di prova, poi declassati per via di una non perfetta identità di sensibilità con l'altro identico. Per poter utilizzarli, i giroscopi, ho dovuto... comprarli anche solo per sperimentarli. E ho dovuto cercare in rete per mesi informazioni sui produttori, sui fabbricanti dei chip, su quelli dei microcontrollori che li pilotano e su alcuni siti di modellismo giapponesi e USA. Così ho capito COME funzionano, COME sono fatti internamente, COME sfruttano i principi fisici alla base del loro funzionamento e COME il segnale che producono vari a seconda delle sollecitazioni. Insomma, oggi potrei scrivere un libro sui giroscopi, mentre due anni fa nemmeno sapevo che esistevano. E, naturalmente, guai a chiedere informazioni ai modellisti, che sembrano tanto esperti ma quando fai una domanda tecnica ti rigirano tante di quelle parole che ti fanno sentire un brocco. NESSUNO, in realtà, mi ha saputo spiegare come funziona un giroscopio, nemmeno i venditori più scafati ed esperti. L'ho imparato a suon di ore ed ore di prove, test con oscilloscopio, servomotori, alimentatori stabilizzati e decine e decine di prove con diversi circuiti a monte e a valle. Volete sapere come funzionano e come si usano i giroscopi? Bene, basta fare come ho fatto io.
Questa foto al momento NON la spiego. Segreto militare.
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In seguito ai dati raccolti con il primo volo, che giudico quasi soddisfacente, ho osservato tutti quegli aspetti che potevano o dovevano essere migliorati, per tantissimi motivi. Soprattutto per quanto riguarda il controllo dell'allineamento del motore e il controllo dei circuiti interni dall'esterno. Quindi ho elaborato un elenco di modifiche che sto realizzando e che al momento in cui scrivo (fine settembre 2004) sono quasi tutte realizzate. Ecco le modifiche che si sono rese necessarie: - Sostituzione del tubo fusoliera ospitante il paracadute. é stato realizzato mediante l'impiego di una porzione di tubo LOC da 75 mm. ma più lungo per poter ospitare al suo interno un pistone. Il pistone serve a separare iol paracadute dal cannoncino di deploy che durante le prove e il volo ha prodotto notevoli danni termici. - Costruzione di un nuovo sistema di basamento-paraurti per l'intero veicolo. Esso, realizzato in parti di alluminio, ottone e vetronite, serve innanzitutto a fornire un punto di appoggio al veicolo sulla pad di lancio. Però rimane fissato al veicolo perchè funge anche da paraurti per la sospensione cardanica al momento dell'atterraggio. L'impronta a terra è di circa mm. 160 x 120 e quindi è leggermente più estesa di quella impiegata nel primo volo, realizzata in fragile bambù. - Eliminazione portabatteria interna per l'accumulatore Ni-Cd per alimentazione servomotori. L'operazione, attuata sul tubo interno, serve a spostare la massa di sessanta grammi dell'accumulatore in zona motore, per spostare il CG in una zona più centrale. Inoltre ciò rende possibile ricavare spazio interno per l'eventuale telemetria analogica ancora in fase di studio. - Costruzione di alloggiamento batteria per l'accumulatore Ni-Cd in zona motore, realizzato in tubo Estes 24 mm. e parti in plastica e legno. Esso è estraibile e viene fissato al telaio supporto motore per mezzo di viti. - Rinnovo completo impianto filatura elettrica con costruzione di nuovo pannello di controllo per la distribuzione elettrica. Il nuovo pannellino possiede cinque interruttori microscopici e segnala mediante LED l'attivazione di ogni singolo sistema. Il pannellino permette anche di spegnere eventualmente un singolo sistema per problemi durante il count-down e permette di sfruttare meglio le batterie di diversa capacità e durata. Ciò si traduce in una estensione della finestra di lancio a parità di condizioni di alimentazione. - Costruzione di un sistema di controllo dell'allineamento del motore in fase di preparazione al lancio. Esso consentirà il continuo controllo del preciso allineamento del motore e segnalerà eventuali pericolose deviazioni in fase di count-down finale. Del tutto separato dagli altri sistemi, questo è aggiuntivo e necessario per evitare o minimizzare le rotazioni indesiderate indotte proprio dal cattivo assetto del motore al momento del decollo. Ulteriore sviluppo potrebbe essere il sistema logico per il NO-GO al lancio a causa di disallineamento del motore. Questo sistema è attualmente ancora in fase di progetto. - Costruzione di un nuovo sensore inerziale elettromeccanico XYZ derivato dal sensore inerziale XYZ set 2003. La versione 3.2 è appena stata completata e presenta molte novità. Innanzitutto la leva del sensore è montata su un microcuscinetto a sfere e non ha alcun attrito. Il circuito logico è sostanzialmente identico alla versione 3.1 che ha volato il 19 agosto 2004 ma una serie di connettori a pettine lo rende controllabile totalmente dal pannellino di controllo. Una sistema di tripla sicurezza gestisce l'accensione dell'accenditore della carica di deploy SOLO se si segue la corretta procedura. Il circuito è comunque impiegabile su altri veicoli non predisposti mediante microinterruttori e microspinotti esterni. Allo studio un nuovo sviluppo del circuito, che consentirà di rilevare e discriminare la condizione di apogeo da quelle di altre condizioni transitorie di volo del veicolo. Al momento in cui scrivo, il programma di sviluppo è completato al novanta per cento e anche se non dovessi completare il circuito di controllo dell'allineamento del motore, il veicolo potrebbe essere lanciato entro poche settimane (il tempo dell'integrazione dei sistemi, i test statici e la preparazione al lancio). Questo lavoro è a dir poco entusiasmante ed è il vero sviluppo di una macchina volante, non è "normale" razzimodellismo attuato montando o modificando un kit commerciale o unendo con colle tubi commerciali e infilandoci dentro un motore HPR. Non c'è paragone per complessità di costruzione, per complicazione progettuale e per numero di componenti da integrare fra di loro. Solamente che si tratta di un piccolo missile dotato di un motore di piccola potenza che raggiunge una quota di poche decine di metri, e allora sembrerebbe una cosa da poco. Nel mondo del RM questo lavoro non viene considerato e piuttosto è guardato come inutile e improduttivo. Si vede che è molto più produttivo e furbo acquistare modelli HPR, acquistare motori HPR, lanciare il modello HPR incollato come da istruzioni in uno dei tanti deserti disponibili nel nostro paese e vederlo sparire a un chilometro di altezza e recuperarlo e... nuovamente lanciarlo nelle identiche condizioni. Dubito che i grandi nomi della reale missilistica abbiano MAI ragionato in questo modo.
Cristiano
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