Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje (3. edycja)

W dniu 6 kwietnia br. poznaliśmy wyniki 3. edycji konkursu Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje. Sześć projektów kół naukowych działających przy Wydziale MEiL znalazło się na liście projektów dofinansowanych z Ministerstwo Edukacji i Nauki w ramach programu Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje!

1. Rozwój głowicy naprowadzającej do zastosowania na rakiecie kierowanej FOK

Celem projektu jest opracowanie oraz wykonanie systemu nawigacji wizyjnej do zastosowania na rakiecie kierowanej FOK.

Jest to pierwsza w Polsce studencka rakieta kierowana, rozwijana od 2017 roku przez zespół z Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego Politechniki Warszawskiej (PW). Do tej pory w ramach testów konstrukcji i elementów sterujących przeprowadzone zostały cztery testy lotne oraz dwie kampanie testów w tunelu aerodynamicznym. Dzięki bliskiej współpracy z kadrą naukową i dydaktyczną Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa testy w tunelu aerodynamicznym Wydziału pozwoliły na pomiar współczynników aerodynamicznych rakiety, które wykorzystane zostały do opracowania modelu aerodynamiki. Testy lotne umożliwiły weryfikację poprawności wykonania i działania konstrukcji. Przeprowadzono również testy kamer wizyjnych z wykorzystaniem samolotu na terenie Ośrodka Badań Lotniczych i Kosmicznych PW.

Następnym krokiem w rozwoju rakiety będzie implementacja systemu nawigacji wizyjnej wykorzystującego m.in. algorytmy sztucznej inteligencji do rozpoznawania obiektów na obrazie, a następnie wykrywania w trakcie lotu znacznika umieszczonego na powierzchni ziemi. Projekt zakłada zaprojektowanie nowych oraz dokonanie zmian konstrukcyjnych w obecnych elementach systemu, co pozwoli na zastosowanie głowicy wyposażonej w system nawigacji wizyjnej działającej w paśmie światła widzialnego oraz podczerwieni. Wyniki przeprowadzonych dotychczas prac analitycznych z dziedziny modelowania lotu oraz rozpoznawania obrazu przez głowicę naprowadzającą z wykorzystaniem sieci neuronowych zostały przedstawione na następujących konferencjach: Systems Engineering, Modeling and Simulation SEMS’21 – „Symulacja lotu rakiety z systemem nawigacji wizyjnej”, 72. Międzynarodowym Kongresie Astronautycznym w Dubaju – „Preliminary design of a homing rocket using image recognition”, The 2nd International Conference on Flight Vehicles, Aerothermodynamics and Re-entry Missions Engineering (FAR) w Heilbronn – „Mission design of FOK guided rocket” oraz European Conference for AeroSpace Sciences (EUCASS) w Lille – „Proportional navigation missile guidance using image recognition”.

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• Liczba powstałych egzemplarzy rakiety: 2
• Liczba powstałych egzemplarzy głowic naprowadzających: 2
• Liczba przeprowadzonych testów systemowych: 6
• Liczba testów lotnych rakiety: 2
• Liczba napisanych publikacji naukowych lub prac dyplomowych: 3
• Informacje w mediach społecznościowych: 5
• Współprace z firmami i instytutami badawczymi: 2
• Wykorzystane programy do projektowania konstrukcji, elektroniki, oprogramowania: 5

2. Rozwój stanowiska do testów silników rakietowych Hefajstos Studenckiego Koła Astronautycznego 

Celem projektu jest rozwinięcie stanowiska do testów statycznych silników rakietowych o nazwie Hefajstos. 

Jest to pierwsza studencka hamownia rozwijana na taką skalę w Polsce, umieszczona w kontenerze morskim. Projekt realizowany jest przez Studenckie Koło Astronautyczne od dwóch lat i pozwolił na przeprowadzenie kampanii testowej silnika hybrydowego rakiety Twardowsky (finansowanego z Puli na Eksperymenty Naukowe Rady Kół Naukowych) i wspólnego projektu z Chemicznym Kołem Naukowym Flogiston Politechniki Warszawskiej, w ramach którego przetestowano nową metodę odlewania ziaren paliwa, znacznie upraszczającą proces ich wytwarzania oraz pozwalającą na testy różnorodnych mieszanek paliwowych. Instalacja znajduję się na terenie ośrodka badawczego OBLOT Politechniki Warszawskiej na lądowisku w Przasnyszu. Dotychczas dostosowano kontener morski do istniejącej infrastruktury testowej Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego.

Następnym krokiem w rozwoju stanowiska będzie stworzenie nowej hamowni na stałe umieszczonej w kontenerze, pozwalającej na testowanie silników rakietowych o znacznie większym ciągu niż silniki projektowane przez Studenckie Koło Astronautyczne do tej pory. W tym celu zakłada się również rozwinięcie aparatury pomiarowej i systemu tankowania, opierając się na koncepcji Internetu Rzeczy. Już w tym momencie członkowie Koła w stanie przeprowadzać bezpieczne testy, monitorując w sposób zdalny, z odległości ponad 500 metrów, parametry silnika znajdującego się na stanowisku. W przyszłości planowane jest rozwinięcie tego sposób przeprowadzania pomiarów.  Żeby usprawnić przeprowadzanie testów, ergonomia, bezpieczeństwo oraz użytkowalność stanowiska zostaną zwiększone, przez wyposażenie go w stałe źródło zasilania, infrastrukturę do rejestracji parametrów i przebiegu testów, specjalistyczne czujniki dostosowane do pracy w ekstremalnych warunkach termicznych, zaplecze techniczne, środki zwiększające bezpieczeństwo przebiegu testu oraz zabezpieczając stanowisko przed niekorzystnymi czynnikami zewnętrznymi.
Dalszy rozwój projektu hamowni Hefajstos pozwoli członkom Koła na łatwiejsze i częstsze przeprowadzanie testów pracy statycznej, będących podstawą postępu w pracach nad silnikami rakietowymi. Ponadto stanowisko to umożliwi dalsze testowanie rozwiązań technologicznych, które w przyszłości mogą zaowocować zmniejszeniem kosztów wytwarzania silników rakietowych na stały materiał pędny stosowanych szeroko w branży militarnej oraz naukowej. Stanowisko posłuży również do walidacji modeli obliczeniowych balistyki wewnętrznej stosowanych zarówno w Kole jak i w całej branży naukowej. Biorąc pod uwagę, że ten temat jest wciąż badany w ośrodkach na całym świecie, projekt studenckiej hamowni na pewno przyczyni się znacząco do rozwoju dyscypliny w Polsce, która cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Technologie, które zostaną opracowane w trakcie projektu będą służyły zarówno członkom Studenckiego Koła Astronautycznego, jak i członkom kół naukowych współpracujących z Kołem. Platforma testowa będzie również służyła pracownikom uczelni, z którymi współpraca zaowocuje podniesieniem poziomu naukowego badań oraz rozwojem procedur testowych.

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• Liczba powstałych publikacji naukowych: 3
• Liczba prac przejściowych i dyplomowych: 2
• Udział w konferencjach naukowych: 1
• Liczba przeprowadzonych testów: 6
• Liczba użytych profesjonalnych programów inżynierskich: 7
• Liczba powstałych stanowisk testowych: 1
• Liczba przetestowanych silników: 2

3. Badanie algorytmów systemu orientacji satelity w ramach integracji kół reakcyjnych na satelicie PW-Sat3

Głównym celem projektu jest poczynienie wymiernych postępów w projekcie satelity typu CubeSat rozwijanego na Politechnice Warszawskiej.
Misje programu PW-Sat są związane z rozwiązaniem problemu śmieci kosmicznych na niskiej orbicie okołoziemskiej. PW-Sat oraz PW-Sat2 jako główny cel miały przeprowadzenie deorbitacji: PW-Sat za pomocą ogona, a PW-Sat2 za pomocą żagla deorbitacyjnego. Z kolei celem PW-Sat3 jest przetestowanie napędu typu warm-gas. Nasz satelita kontynuuje dokonania poprzedników - napęd przyśpieszy deorbitację, ale jednocześnie umożliwi manewry korekcji orbity, np. w celu zmniejszenia ryzyka kolizji z innymi satelitami. Idea rozwijania systemów deorbitacyjnych jest w zgodzie z dbałością o środowisko i daje nadzieję na możliwość wykorzystania najbardziej popularnych orbit przez przyszłe pokolenia.

Problem zadbania o niską orbitę okołoziemską jest zbieżny z głównymi zadaniami postawionymi przez Europejską Agencję Kosmiczną oraz Deklaracją Społecznej Odpowiedzialności Uczelni, której Politechnika jest sygnatariuszem.

System orientacji satelity spełnia trzy główne funkcje. Po pierwsze dokonuje estymacji orientacji i położenia przy pomocy zestawu czujników. Po drugie, na podstawie odczytów ustawia satelitę w zadanej orientacji przy pomocy kół reakcyjnych. Po trzecie wydaje komendę do podsystemu napędu w celu wykonania manewru.
AOCS jest krytycznym systemem, dlatego aby zapewnić bezpieczeństwo misji PW-Sat3, pierwszym zadaniem projektu jest przeprowadzenie testów komercyjnych kół reakcyjnych wybranych  na podstawie wymagań projektowych. Zespół napisze sterownik do obsługi zakupionych urządzeń, przeprowadzi testy integracyjne oraz testy w pętli ze sprzętem (tzw. HIL), aby zweryfikować opracowane algorytmy sterowania. W tym celu koła reakcyjne zostaną umieszczone w strukturze i przetestowane na łożysku powietrznym. Testy HIL będą realizowane przy pomocy symulatora niskiej orbity przygotowanego przez pracowników wydziału MEiL PW rozwijanego m.in. w ramach unijnego projektu ONION.

Równolegle zostaną przeprowadzone prace nad implementacją algorytmu do wykrywania anomalii w systemie AOCS m.in. na podstawie telemetrii kół reakcyjnych. Na chwilę obecną zespół wykonał analizę ryzyka i jest w trakcie opracowywania scenariuszy przeciwdziałającym potencjalnym awariom.  Anomalia może spowodować np. niekontrolowane obroty wokół jednej z osi satelity. Dlatego tego typu oprogramowanie diagnostyczne powinno znajdować się w każdym systemie AOCS.

Ostatnim celem jest przygotowanie systemu wsparcia naziemnego, który modeluje część funkcji lotnego podsystemu. Przed wykonaniem manewru lub aktualizacją oprogramowania na orbicie, urządzenie pozwoli przeprowadzić testy integracyjne i zminimalizuje ryzyko wystąpienia błędów, które zagrażają bezpieczeństwu misji. Symulator zostanie zaimplementowany przy pomocy oprogramowania misji.
Ukończenie opisanych zadań przygotuje koła reakcyjne do integracji na satelicie PW-Sat3. 

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• Publikacje naukowe: 1
• Prace przejściowe i dyplomowe: 2
• Stworzone procedury testowe i integracyjne: 3
• Informacje w mediach społecznościowych: 10
• Współpraca z firmami i instytutami badawczymi: 2
• Modele systemów satelitarnych: 1
• Wykorzystane programy do zarządzania projektem: 4
• Wykorzystane programy do projektowania elektroniki, mechaniki i oprogramowania: 4
• Materiały szkoleniowe dla następnych zespołów satelitarnych na Politechnice Warszawskiej

4. Projekt oraz integracja systemu wysokiego napięcia i akwizycji danych w motocyklu elektrycznym

Celem projektu jest budowa i integracja podzespołów systemu wysokiego napięcia oraz opatrzenie ich w system akwizycji danych.

Będzie to związane z rozwojem wiedzy i umiejętności studentów w zakresie budowy i badania innowacyjnych układów wysokiego napięcia stosowanych w pojazdach o napędzie elektrycznym.

W ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost zainteresowania zaawansowanymi układami elektrycznymi stosowanymi w pojazdach elektrycznych. Pomimo licznych innowacji układy te wymagają dalszego rozwoju pod kątem efektywnego chłodzenia oraz bezpiecznego wykorzystania zarówno podczas procesów szybkiego ładowania jak i rozładowywania.  Zaprojektowane i zintegrowane systemy chłodzenia pozwolą kołu SKAP na rywalizację z innymi zespołami podczas międzynarodowych zawodów MotoStudent, umożliwią osiągnięcie wysokiej efektywności motocyklowego systemu wysokiego napięcia. Moduł ładujący, który jest częścią finansowania, razem ze zrealizowanym system chłodzenia, pozwoli na rozwinięcie konkurencyjnych strategii ładowania motocykla podczas wyścigów. Szybkość ładowania jest czynnikiem hamującym wdrażanie elektrycznych pojazdów, dlatego badanie i opracowywanie strategii ma bardzo duże znaczenie dla przemysłu.

Z układami wysokiego napięcia należy obchodzić się z wielką ostrożnością. Bezpieczeństwo motocykla zapewnią skonstruowane przez członków koła systemy bezpieczeństwa. Ze środków dofinansowania studenci zakupią niezbędne elementy chroniące pakiet bateryjny. Do prowadzenia prac niezbędne są też środki ochrony osobistej takie jak rękawice przeciw wysokiemu napięciu czy gaśnice do instalacji elektrycznej. Wspomniane środki umożliwią bezpieczne prowadzenie badań nad motocyklem Perun oraz bezpieczną eksploatację.

Ważnym zakupem jest BMS (Battery Managnemt System), który zabezpieczy baterię przed pracą ogniw w nieodpowiednich zakresach, dodatkowo pozwoli na zbieranie informacji o pakiecie bateryjnym. Rozwinięte umiejętności, związane z podłączeniem i skonfigurowaniem BMSu przez członków koła, są dziś kluczowe na rynku elektromobilności, a w kolejnych latach będą miały coraz większą wartość. Analiza danych z tego urządzenia pozwoli studentom na bezpieczną optymalizację pracy wspomnianych już podzespołów.

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• zaprojektowanie i wykonanie systemu wysokiego napięcia oraz akwizycji danych.
• powstanie dokumentacji systemów elektrycznych motocykla.
• integracja powstałego systemu z motocyklem PERUN 2.0.
• test systemu na hamowni wraz z napędem motocykla PERUN 2.0.
• test systemu na torze wraz z motocyklem PERUN 2.0.
• udział SKAP w zawodach MotoStudent Electric.
• współpraca z 3 zewnętrznymi firmami z branży elektrycznej i elektronicznej.
• przeprowadzenie 2 szkoleń wewnętrznych z zakresu elektryki i elektroniki.
• udział w wydarzeniach promujących naukę i nowe technologie.
• udział w konferencji naukowej.
• liczba prac przejściowych inżynierskich: 3.
• liczba prac dyplomowych inżynierskich: 2.

5. Projekt i budowa bezzałogowych statków powietrznych o dużym udźwigu

Celem projektu jest opracowanie i zbudowanie bezzałogowych samolotów udźwigowych na międzynarodowe zawody SAE AeroDesign.

Zawody te organizowane są corocznie w Stanach Zjednoczonych przez organizację SAE (dawniej Society of Automotive Engineers) zrzeszającą inżynierów zajmujących się motoryzacją i lotnictwem.

Międzynarodowe zawody SAE Aero Design organizowane są corocznie w dwóch edycjach w USA. Głównym organizatorem jest firma Lockheed Martin oraz Boeing, w związku z czym zawody te uważane są za jedne z najbardziej prestiżowych konkursów dla młodych inżynierów lotnictwa. W ramach konkursów, wymagane jest przygotowanie szczegółowej dokumentacji z procesu projektowania i budowy samolotów, zaprezentowanie przyjętych założeń i rozwiązań, przeprowadzenie inspekcji technicznej oraz wykonanie lotów konkursowych. Organizatorzy zawodów SAE AeroDesign – SAE International ogłosili przyszłoroczne regulacje. W tej edycji zdecydowano się na udział w dwóch odrębnych klasach: Micro oraz Regular, samoloty będą realizować odrębne profile misji oraz mają różne wytyczne dotyczące ich konstrukcji.

Regulamin klasy Micro wymaga zaprojektowania kompaktowego samolotu o rozpiętości skrzydeł nieprzekraczającej 36 cali, napędzanego silnikiem elektrycznym o mocy ograniczonej do 450W. Misja samolotu polega na transporcie jak największej liczby kartonowych pudeł o różnych, ustandaryzowanych gabarytach. Dodatkowymi wymaganiami jest start z podwyższonej platformy o długości 8 stóp oraz posiadanie sterowalnego podwozia. Dodatkowo punktowana jest także maksymalna prędkość samolotu, na podstawie czasu przelotu dystansu 300 stóp.

Do budowy pokrycia modeli klasy Micro wykorzystywane będą kompozyty przekładkowe węglowo i szklano-epoksydowe z piankowym rdzeniem - rozwiązanie będące obecnie trendem w rozwoju struktur zarówno bezzałogowych i załogowych statków powietrznych ze względu na niską masę przy zachowaniu dużej wytrzymałości i sztywności. Optymalizacja struktury polegać będzie na szeregu badań z wykorzystaniem pianek przekładkowych oraz tkanin szklanych i węglowych o różnych gramaturach, których celem będzie opracowanie struktury pokrycia o najlepszych właściwościach wytrzymałościowych, gładkości powierzchni i jak najmniejszej masie. Dzięki dużej prędkości przelotowej przy jednoczesnym małym oporze, samolot klasy Micro oprócz uczestniczenia w zawodach, mógłby pełnić rolę samolotu obserwacyjnego.

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• Liczba zaprojektowanych samolotów bezzałogowych: 2
• Liczba zbudowanych samolotów bezzałogowych: 6
• Liczba przeprowadzonych symulacji komputerowych: 35
• Liczba wykorzystanych programów komputerowych: 8
• Liczba zaangażowanych studentów: 18
• Liczba prac dyplomowych/przejściowych: 4 

6. Przygotowanie struktur przenoszących obciążenia skupione w kompozytowych strukturach przekładkowych dla zwiększenia bezpieczeństwa struktury nośnej pojazdu. 

Celem projektu jest zaprojektowanie i wyprodukowanie zoptymalizowanych podzespołów dla drugiej generacji samonośnego nadwozia typu monocoque do bolidu startującego w zawodach Formuły Student, projektowanego przez Koło Naukowe WUT Racing.
Projekt poprzedzony będzie badaniami wydrukowanych w 3D węzłów wprowadzania obciążeń do struktur przekładkowych wytworzonych z preimpregnatów epoksydowo-węglowych.
Nadwozie pojazdu wyścigowego jest jednym z jego najważniejszych elementów – przenosi wszystkie obciążenia działające na samochód. Mimo wysokich wymagań dla wytrzymałości konstrukcji, bardzo ważna jest redukcja masy tego podzespołu – każdy zbędny kilogram negatywnie wpływa na osiągi bolidu. Wykorzystanie odpowiednio zaprojektowanych i przetestowanych struktur kompozytowych pozwala na znaczne obniżenie masy nadwozia.

Nadwozie typu monocoque dla bolidu Formuły Student zawiera w sobie zarówno struktury chroniące kierowcę, takie jak punkty zaczepienia pasów bezpieczeństwa i panele pochłaniające energię uderzenia o przeszkodę, wzmocnione miejsca zamocowania podzespołów - układów zawieszenia, układu kierowniczego, elektroniki czy elementów aerodynamicznych. Rygorystyczny regulamin zawodów wymaga przeprowadzenia prób niszczących z wykorzystaniem fizycznych modeli struktur finalnego nadwozia dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Testy materiałów kompozytowych, z których wykonane jest nadwozie, pozwalają również na stworzenie konstrukcji sztywnej skrętnie i giętnie, co przekłada się na lepszą pracę układu zawieszenia.

Technologia addytywnego tworzenia elementów (tzw. druk 3D), która będzie wykorzystana do produkcji elementów przenoszących obciążenia w nadwoziu, polega na tworzeniu rzeczywistego elementu warstwa po warstwie. Warstwy metalu są spajane ze sobą w procesie tworzenia, umożliwiając tworzenie zaawansowanych geometrycznie elementów, których wytworzenie przy użyciu standardowych metod obróbki, takich jak obróbka skrawaniem, byłoby bardziej skomplikowane, a niekiedy niemożliwe. Daje także możliwość jednostkowej produkcji elementów prototypowych.

W ramach projektu przeprowadzone będą próby materiałowe paneli z kompozytów węglowych wykonanych w różnych technologiach produkcji. Bazując na doświadczeniach zebranych przy projekcie pierwszej generacji nadwozia typu monocoque, przygotowane zostanie oprzyrządowanie do badań struktur kompozytowych. Porównane zostaną struktury wykonane w technice autoklawowej i bezautoklawowej oraz określony zostanie wpływ procesu wykonania na właściwości materiałowe. Uzyskane dane posłużą do stworzenia układów włókien kompozytu dla poszczególnych struktur nadwozia. Przetestowane zostaną panele przekładkowe - wykonane będą próby gięcia, punktowego przebicia paneli oraz próby niszczące kompleksowych węzłów wprowadzenia obciążeń. Wyniki będą porównane z rezultatami analiz MES. Struktury przebadane zostaną także nieniszcząco – metodami NDT ultradźwiękową oraz rentgena. Uzyskane dane posłużą do stworzenia geometrii i modelu MES monokoku, spełniającego wymagania regulaminu Formuła Student.

W trakcie realizacji projektu planowane jest osiągnięcie następujących kluczowych wskaźników efektywności:

• Budowa innowacyjnej konstrukcji nośnej, która zostanie wykorzystana do budowy pojazdu Formuły Student,
• Stworzenie wytrzymalszych oraz lżejszych struktur przenoszących obciążenia do kompozytowych struktur przekładkowych, 
• Napisanie przez studentów koła naukowego prac przejściowych oraz magisterskich,
• Promowanie uczelni oraz MEiN na wydarzeniach motoryzacyjnych, naukowych jak i przemysłowych, związanych z dziedziną konstrukcji kompozytowych,
• Poszerzenie wiedzy oraz doświadczenia przy tworzeniu elementów kompozytowych przez obecnych jak i nowych członków koła,
• Napisanie dwóch artykułów naukowych z zakresów tematyki materiałów kompozytowych oraz druku metalu,
• Wielokrotny udział w zawodach FSAE i Formuła Student na wyższym poziomie dzięki znacznie bardziej konkurencyjnej konstrukcji,
• Nawiązanie długofalowej współpracy pomiędzy Politechniką Warszawską a polskimi firmami z przemysłu automotive, materiałowego oraz mechanicznego.

Wykaz dofinansowanych projektów:

Minister Edukacji i Nauki zakwalifikował do finansowania 174 projekty na łączną kwotę 9 762 184,99 zł. Laureaci zostali wyłonieni spośród 308 zgłoszonych do konkursu wniosków. Wysokość dofinansowania 6 projektów Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej wynosi 380 231,00 zł. Grupą docelową wszystkich wyżej wymienionych projektów są studenci zrzeszeni w kołach naukowych działających przy Wydziale.Zachęcamy do śledzenia postępów prac, które są publikowane na FB poszczególnych kół naukowych.

Przyznane dofinansowanie ze środków z budżetu państwa w ramach programu "Studenckie koła naukowe tworzą innowacje"