הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

רחפת

תקציר מנהלים

פרוייקט גמר

מאי 2001

מספר הפרוייקט: 113

שם המנחה: מרדכי וקסמן

מקום הביצוע: אוניברסיטת תל-אביב

שם הסטודנט המבצע: דורי אסף

ת.ז.: 33540097

מסמך תקציר-מנהלים לפרוייקט

תאור הנושא:

רחפת קלה היא כלי-תחבורה המיועד לנשיאה של 2 – 4 אנשים ומטענם תוך כדי ריחוף.

רחפות מסוג זה לרוב אינם מוגבלות למשטח מסוים, והן מסוגלות לפעול בכל סביבה המהווה משטח חלק כדוגמת מים בנהרות ואגמים, קרח, דשא, כביש וכו'. ברחפות המיועדות למעבר מעל מים קיימת לרוב יכולת ציפה.

לרחפות קלות ישנם שימושים מגוונים כדוגמת שימושים צבאיים, חיפוש והצלה, תחבורה כללית, מרוצים ותרבות פנאי לחובב.

בעולם כיום מוצע מגוון רחב של רחפות קלות לשעות הפנאי. הדגמים נבדלים אחד מהשני ביכולת הנשיאה, ביצועי המהירות, עבירות על-פני משטחים שונים, טכנולוגית החומרים, ושיטות ההנעה והריחוף.

מטרת הפרוייקט:

ביצוע תכן של רחפת קלה בעלת כושר נשיאה של 2 אנשים ומטען נוסף מקסימאלי של כ- 200 ק"ג על פני מים שקטים או משטח חלק. הפלטפורמה מציעה מהירות שיוט של כ - 50 קמ"ש, יכולת היגוי עצמאית, ויכולת ציפה.

מהות העבודה:

מהות הפרויקט היא תיכון של פלטפורמה אשר תהיה מסוגלת לרחף בגובה מסוים מעל פני המים תוך שילוב של יכולת תנועה עצמאית לכל כיוון אופקי. התכן יעסוק במספר מערכות עיקריות שמהן בנויה הרחפת:

· מערכת הנעה

· מערכת ריחוף

· גוף

· שילדה

· מערכת ציפה

· מערכת היגוי

הפתרון שנבחר:

תצורת המנועים שנבחרה עבור מערכת ההנעה והריחוף היא שני מנועים לשתי מניפות נפרדות לעילוי ודחף. האופציה של מנוע אחד עם מניפה אחת אשר תספק גם דחף וגם עילוי נבחנה ונפסלה מהסיבות הבאות:

· בכדי לספק את הספיקה והלחץ שידרשו ממניפה זו, יהיה צורך במניפה גדולה מאוד

העשויה מחומרים יקרים.

· היפוך הכיוון של הזרימה ב – 90 מעלות מציג איבודים רבים.

· פיצול הזרימה קרוב מאוד למניפה יוצר בעיות של רעידות ורעש אשר קשים לריסון.

· יצירת תעלת פיברגלס שתעמוד בכוחות התנע שנוצרים עקב שינוי הכיוון היא בעייתית

וחיזוקה ע"י מתכת מעלה את משקלה.

· בכדי לשמור על כח רחף קבוע בזמן שינוי של כח הדחף נדרש מנגנון דינמי של פיצול

הזרימה ביציאה מהמניפה, מנגנון זה סבוך לתפעול ידני עבור המפעיל ועל כן מסבך את

הפעלת הכלי.

· תוספת המשקל עקב המנוע הנוסף מסתכמת בכעשרים קילו כולל המניפה, ואינה

משמעותית לעומת האיבודים שנמנו לעיל.

· שיטת שני המנועים מאפשרת יכולת ריחוף במקום ללא תנועה קדימה בצורה קלה

ופשוטה.

מערכת הריחוף

חלק מרכזי במערכת הריחוף הוא מנגנון יצירת "כרית האויר". ישנן שלוש שיטות עיקריות ליצירת "כרית האויר". לאחר חישובים שבדקו את יעילותן של שלוש השיטות הוחלט על שיטת סילון השוליים העבה peripheral jet" Thick" .

.

שיטה זו מבוססת על חריץ בשולי הרחפת אשר מופנה כלפי מטה, עם נטייה לכוון מרכז שטח הרחפת, ודרכו נפלט האוויר במהירות גדולה. כיוון הסילונים ומהירותם יוצרים לחץ אוויר מוגבר מתחת לשטח הרחפת אשר דוחק אותה כלפי מעלה.

. Peripheral Jet

גיאומטרית הפלטפורמה נקבעה תוך התחשבות במספר אלמנטים המשפיעים באופן ישיר על צריכת הכח של הרחפת::

1. יעילות כרית האויר

2. גרר אוירו-דינמי

3. גרר הידרו-דינמי (בזמן מגע עם מים בתחילת התנועה ומגע עם גלים תוך כדי ריחוף).

הצורה שנבחרה מספקת פתרון אופטימלי לנקודות שצויינו לעיל. כמוכן בוצעה אופטימיזציה לפרופורציות של הפלטפורמה בכדי להשיג יעילות ריחוף מקסימלית עבור הגאומטריה הרצויה.

יחידת הכוח שנבחרה לנושא הריחוף היא מנוע 2 פעימות אשר מחובר בתושבת ייעודית לשילדת הרחפת תוך שהוא מסובב מניפה אשר מספקת את הלחץ והספיקה הרצויים בכדי לקיים את כרית האויר.

תא הלחץ נשמר בין דפנות גוף הרחפת לרצפת הרחפת אשר משמשת כדופן פנימית עבור החרך הפריפרלי. הדופן החיצוני של החרך הוא למעשה משטח החצאית המיועדת להפחית את בריחת הלחץ בעת מגע עם מכשול.

כל המערכת תוכננה להגיע לתוצאה המבוקשת תוך מתן דגש על מינימום שינויים בכוון הזרימה, שמירה על מידות סבירות וניצול מקום מקסימלי. עקרון זה מיושם בתושבת מנוע הריחוף אשר תוכננה בכדי למנוע שינויי כיוון זרימה מיותרים. יחד עם זאת, ע"י מתן פתרון גם לבעיית אחיזת המנוע וגם לבעיית חיבור המניפה לציר המנוע, מאפשר רכיב זה לדלג על הצורך בתמסורת מסובכת וחוסך מקום רב ומשקל.

מבנה התושבת תוכנן למנוע ככל האפשר חסימת דרכי אויר למניפה ולכן זרועות התושבת דקות ועגולות בכדי לאפשר מעבר נוח של אויר עם מינימום איבודים.

מניפת הריחוף נבחרה מתוך השיקולים הבאים:

· מידות המניפה צריכות להיות אופטימליות. כלומר: לא גדולות יתר על המידה כך שלא

יפערו חור גדול מידי בגוף הפלטפורמה, אך לא קטנות מידי מאחר ו יעילות המניפה

קטנה עם הגודל.

· נקודת עבודה מתאימה אשר בה הספיקה והלחץ הסטטי של המניפה יתאימו לדרישות

כרית האויר.

· יעילות מניפה גבוהה ככל האפשר.

המניפה שנבחרה היא של חברת Multi-wing. בעזרת תוכנת התאמה שסופקה ע"י היצרן ניתן היה להגיע לביצועים הדרושים ממניפה בקוטר של 792 מ"מ.

מערכת הנעה

הרחפת תוכננה לעמוד בדרישת ה – 50 קמ"ש. מערכת ההנעה תוכננה לייצר יכולת תנועה בקצב סביר, כך שתאוצות ותמרונים לא יארכו זמן רב מידי. לכן המנוע שנבחר הוא מנוע עם יחס ההספק למשקל הטוב ביותר גם בהתחשב בשיקולי עלות.

נשקלה האפשרות של שימוש במדחף (פרופלור) סטנדרטי אך בשקלול של כל הגורמים המפורטים בהמשך ובעיקר מתוך שיקולי יעילות ביחס לגודל הוחלט על מניפה צירית אשר מספקת יותר יעילות ביחס לשטח במיוחד במהירויות הרלוונטיות ובגובה האדמה. המניפה שנבחרה נותנת בתנאי ההספק המקסימלי של המנוע את הדחף הרצוי ביעילות האופטימלית ביותר. בעזרת תוכנת ההתאמה שסופקה ע"י של חברת Multi-wing ניתן היה להגיע לביצועים הדרושים ממניפה בקוטר של 1143 מ"מ.

מערכת ההנעה כוללת מנוע 2 פעימות המחובר דרך מפחית סיבובים לתמסורת של גלגלות ורצועה משוננת. תמסורת זו מעבירה את התנועה אל ציר המניפה המסובב מניפה צירית. הציר יושב בין שני מסבים. המותאמים להעברת כח הדחף אל השילדה.

מערכת הציפה:

מערכת זו מבוססת על שילוב של חללי אויר אטומים בגוף הפלטפורמה . חללי הציפה הללו שולבו ברצפת הרחפת. רצפת הרחפת נבחרה מאחר והיא מתפרסת לכל אורך הגוף בצורה אחידה, והיא שקועה מתחת למים בזמן מנוחה .

המבנה:

על המבנה לשאת בעומסים שונים הכוללים משקלי העמסה, כוחות תאוצה, ולחצים בתא הלחץ.

בכדי לשמור על משקל נמוך יחד עם קשיחות מבנית סבירה, נבחרה שילדה העשויה מאלומיניום אשר מאפשרת לייצר מעטפת דקת דופן עבור גוף הרחפת מחומרים קלים ופריכים יותר. חומרי הגוף והשילדה נבחרו מתוך שיקולי יחס משקל-חוזק, קלות הבניה והעלות שלהם.

· שילדה

הקו המנחה בתכנון השילדה היה חיזוק המקומות אשר מפתחים עומסים גבוהים, תוך הקפדה על משקל נמוך. נקודות אשר מתאפיינות בעומסים גבוהים הן נקודות הורדת הדחף אל גוף הרחפת , איזור מניפת העילוי, ונקודות ריכוז משקלים. התוצאה היא שילדה אשר שוקלת כ – 65 ק"ג ומספקת חיזוק משמעותי לנקודות שצוינו לעיל ולגוף הרחפת ככלל.

· גוף

גוף הרחפת נבנה מפיברגלס קל בכדי לשמור על משקל גוף סביר תוך השגת אטימות טובה.

ישנם סוגי פיברגלס שונים. אנו בחרנו בפיברגלס הקל ביותר הנמצא בשימוש בסירות ורכבי-ים – Chopped strand Mat laminate low glass content E-glass.

הנוסעים, המטען והמנוע, (אשר מהווים את רוב המשקל של הכלי) "שובצו" בגוף הרחפת תוך התייחסות לאספקטים של מרכז כובד מאוזן ומומנטי אינרציה מתאימים עבור הכלי.

ריצפת הרחפת משמשת כחלק תחתון לתא הלחץ ועומדת בדרישות הבאות:

· משמשת כמיכל הצפה.

· מהווה בית אינטגרלי לגלגלים.

· לשמור על עקרון המשקל הנמוך המתאפיין בכל הרחפת.

מערכת היגוי

מערכת אשר מבוססת על כנפוני היגוי נבחרה על פני חלופות שונות שנשקלו בעת תכנון מערכת ההיגוי. זאת משיקולי פשטות וקלות ההפעלה. מתוך מגוון שיטות התמסורת לכנפוני ההיגוי נבחרה שיטת המוטות.

כנפוני ההיגוי ממוקמים ביציאה ממניפת הדחף במקום שבו הזרימה סביבם אפקטיבית בכל מהירות נסיעה וכך נוצרת יכולת היגוי גם במהירויות נמוכות. בתכנון כנף-ההיגוי ניתנה הדעת על אפיקטיביות מקסימלית של הכנף תוך הקפדה על מינימום הפרעה לזרימה התקינה ביציאת המניפה.

יכולת ההשפעה של הכנפונים תלויה במרחקם ממרכז הכובד של הרחפת ובמומנט האינרציה של הרחפת סביב ציר Z.

לכן, בכדי להשיג תוצאה יפה, ניתן דגש על מומנט אינרציה נמוך סביב ציר Z. ומרחק גדול ככל האפשר של הכנפונים ממרכז הכובד.

לסיכום: ניתן לראות כי הקונצפט שנבחר עונה במלואו על מפרט הדרישות.