Vapaasti lentävä roottori

[elvis]

Sateisessa ja kylmässä kesässä on sellainen hyvä puoli että ehtii puuhastelemaan erilaisia rakennusprojekteja. Oma projektini on saanut alkusysäystä lähinnä monokoptereista (tunnetaan myös "moottoroituina vaahteransiemeninä", ks.

). Pitkin talvea on tullut hiljalleen kehitettyä ajatusta, hankittua komponentteja ja ohjelmoitua ja nyt on saanut lopulta aikaan jotain rakennepuolellakin 

Siinä missä monokopterissa on yksi lapa, tässä on kaksi kiinteää, sopivaan asetuskulmaan asennettua lapaa ja näihin kiinnitettyä tarvittavan väännön antavaa potkuria symmetrisesti. Tällaisen vapaasti pääjäyhyysakselinsa ympäri pyörivän roottorin pitäisi olla stabiili hyrrän tapaan, nutaatio- ja presessioliikettä toki tapahtuu. Eli näin voisi jo toteuttaa vapaasti lentävän roottorin.

Jotta vehjettä voisi ohjatakin, roottorin keskiöön on tarkoitus asettaa lavan suuntaan nähden kohtisuora "stabbaritanko" ja tämän päihin ohjauslavat. Ohjauslapojen kulmaa muutetaan syklisesti servolla roottorin pyörimiskulman mukaan; Jos esimerkiksi halutaan kallistaa roottoria itään ja roottori pyörii ylhäältä katsoen myötäpäivään, kallistaa servo tankoa siten, että pohjoisessa olevan ohjauslavan kulma on negatiivinen, ts. se vetää alaspäin. Samalla etelässä oleva ohjauslapa on positiivisella kulmalla ja se vetää ylöspäin. Lavan pyörittyä 180 astetta servo kääntää tankoa siten että sama ilmiö toistuu, servo siis kallistaa tankoa sinimuotoisesti roottorin pyörmisnopeuden taajuudella. Tästä voimaparista syntyy momentti, jonka vaikutuspiste siirtyy pyörivällä roottorilla 90 astetta myötäpäivään, eli roottori kallistuu itään.

Syklinen servon ohjaus on tarkoitus toteuttaa tässä nanoWiillä, johon on liitetty magneettikompassi (HK:n HMC5883L -kopio). NanoWiille on jo tullut ohjelmoitua tarvittava ohjelma, joka toimii ainakin staattisessa tilanteessa kääntäen sauvan poikkeutuksen suuruuden määräämällä amplitudilla ja kompassin ja sauvan määräämään suuntaan.

Iso kysymysmerkki on, ovatko kompassi, väylä, ohjauslogiikka ja servo riittävän nopeita syklisen ohjauksen toimimiseen. Todennäköisesti ainakin jonkinlaista, kierrosluvun mukana kasvavaa viivettä on odotettavissa, ja ohjaus itään kallistaisikin roottoria esim. kaakkoon. Proton pyörimisnopeus lienee kuitenkin melko pieni ja tarkoitus on käyttää mahdollisimman nopeita digiservoja. Lisäksi ohjelmassa on yritetty nopeuttaa laskutoimituksia, esimerkiksi neliöjuuren arvo iteroidaan kokonaisluvuilla. Todellisuus paljastuu sitten koeajossa kuitenkin.

Teknisiä tietoja: Kärkiväli noin 1200mm. Lavat on tehty kahdesta perussiivestä, jotka on yhdistetty toisiinsa keskellä kolmella mäntysalolla. Keskisalko jatkuu lähes lavan kärjestä kärkeen, kaksi muuta salkoa menevät toisen lavan etureunaa pitkin sen kärkeen jatkuen toisesta päästään toisen lavan puoliväliin. Etureunan päällä on torsiopinta 1mm balsalevystä ja takareunoissa on balsainen jättöreunarima. Lavan kärjissä on 3mm balsalevypäädyt  Moottorit ovat Scorpionin 1060 kV-myllyjä, potkurit 8". Molempien moottorien podissa on oma 10A nopari ja 450 tai 800 mAh 3S lipopaketti. Lentopaino lienee 200-300g.

Liitteenä kuva romuista, lapa altapäin. Tarkoitus on lisätä lentoonlähtöä ja laskua varten esimerkiksi pystytanko roottorin keskelle, jonka varassa laitetta voi pitää startissa ja joka ensimmäisenä tulisi maahan.

[elvis]

Helteellä ei jaksa liikaa rehkiä, mutta jotain on sentään saanut tehtyäkin, voimalinja on nyt paikallaan:

[elvis]

Jousitettu ja vaimennettu kuituputki alumiiniputken sisällä, jonka tarkoitus on pehmentää alastuloa. Lentoonlähtö tapahtuu alumiiniholkin ympärillä liukuvan laakerin varassa.

Edit: Lisätty kuva koekäyttö (ja ehkä lentoonlähtö-)pukista ja laitteesta pukin päällä. Pukki salli jousien varassa roottorin jouston kaikkiin suuntiin, jolloin sillä voi tarkastella ohjauksen toimintaa. Lisäksi siinä oleva kuulalaakerointi mahdollistaa varsin tarkan roottorin tasapainotuksen (laskutelineputken suhteen). Jousto voi kuitenkin aiheuttaa resonanssiongelmia roottorin pyöriessä jollakin roottori/joustosysteemin ominaistaajuudella, joten katsotaan vielä mitä asialle tulee tehtyä. Kierrejousien korvaaminen kumijoustimilla lisäisi ainakin vaimennusta, mutta voi olla että lentoonlähdöt tapahtuvat lopulta pitämällä laakeripukkia kädessä (ihmiskäden vaimennusominaisuudet ovat huippuluokkaa 

[mop]

Jousethan voisi korvata jollain rc-auton halpisiskareilla: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__610__602__cars_parts-shock_absorber.html ?

Ja kai nyt tuohon nousun lisäksi tarkka pilotti myös laskeutuu? 

[elvis]

Joo, ei paha idea. Pitääpä kysäistä vaikka hoppulinnasta mitä sieltä löytyy, ei ihan vain tuollaisia viitsisi Kiinasta asti tilailla.
Edit:
Hoppulinnasta tosiaankin löytyi melko sopivia iskareita tähän tarkoitukseen, kun niiden omat jouset otti pois. Vaimennus voi olla nyt vähän turhan suuri, mutta jos tarvetta on niin niitähän voi myöhemmin porata löysemmiksikin. Liitteenä (suttuinen) kuva asennuksesta, ideana on tässä pyrkiä pitämään kallistelun vaimennus pienenä mutta vaakatranslaatioiden vaimennus rittävänä.
/Edit

Tareqin tarkkuutta harjoitellessa laskut lienee ainakin aluksi turvallisinta suorittaa pitkään heinikkoon tai hankeen.. vaikka landari toimisikin, niin melko varmasti roottorin kärjet, potkurit tms. ovat joskus aika kovilla pyörimisen loppuessa.

Jousethan voisi korvata jollain rc-auton halpisiskareilla: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__610__602__cars_parts-shock_absorber.html ?

Ja kai nyt tuohon nousun lisäksi tarkka pilotti myös laskeutuu? 

[elvis]

Pitkästä aikaa jotain lisättävää, tässäpä videokoostetta maakoekäytöstä;

Kuulostaa vähän siltä että jokin potkureiden herättämä paneeliresonanssi (ääneen tulee säröä ja voimistuu) tapahtuu tuossa korkeammilla kierroksilla ja heti sen jälkeen herää jokin yleisempi ominaisvärähtelymuoto, joka alkaa liikuttaa (vapaasti maassa olevaa) jalustaa. Täytyy vähän tutkia asiaa, värähtely näyttää kasvavan nopeasti liian suureksi (melko kivasti toimivista vaimentimista ja kohtuullisen hyvästä tasapainotuksesta huolimatta) ja vähän romuakin on tämän vuoksi saatu. Ei tosin mitään sellaista mitä ei olisi saanut vartissa korjattua. Ainakin alustan ankkurointia maapalloon täytyy kokeilla.

Nyt roottorin lapojen asetuskulma on melko pieni ja lentämiseen vaadittava kierrosluku vastaavasti melko suuri, mikä aiheuttaa helposti resonanssitaajuuksia kiihdytyksen aikana. Tämä johtuu lähinnä perussiivistä, joista nyt käytetyllä rakenteella saatiin järkevähkö lujuuden kannalta. Hyvä puoli suurista kierroksista on parempi ohjausvaste ja +/- osastolla suuremmat hyrrävoimat. Maakokeilussa ollaan nyt käytetty vasta suunnilleen puolta tehoa joten eiköhän nostovoima saada riittämään. Jos ei niin täytyy kaivaa esiin kikka nr. 3..

Seuraavaksi lienee sitten lentovideon vuoro- toivottavasti. 

[TeroS]

Johan on härpäke!

Lentovideo on pakko nähdä!

[virtakuono]

JOHAN ON MYLLY! Komppaan Teroa, pakko nähä toi ilmassa... toivottavasti toimii! Aika eeppinen härveli!

[oskuk]

Vau!  Tuosta äänestä, voihan se olla vain sakkailua, onhan tuo omassa jättövirtauksesa kulkeminen, ts. ripeä lasku noilla multeillakin omituisia ääniä aikaansaapaa.

[elvis]

Vau!  Tuosta äänestä, voihan se olla vain sakkailua, onhan tuo omassa jättövirtauksesa kulkeminen, ts. ripeä lasku noilla multeillakin omituisia ääniä aikaansaapaa.

Tuskin tuo voisi potkurien sakkausta kuitenkaan olla, tässä käytetyt matalanousuiset potkurit toimivat varsin suurella etenemissuhteella ja potkurien kohtauskulma lienee turhankin pieni. Multien pörinässähän potkurit toimivat laskeutuessa "vastavirtaan" mikä tässä vastaisi tilannetta jossa roottori pyörisi vastakkaiseen suuntaan kuin potkurit vetävät. 

Luultavasti tässä potkurien/moottorin (pieni) epätasapaino täristää melko joustavaa solumuovisiipeä jollakin sen ominaistaajuudella. Hyvä puoli kuitenkin että solumuovilla on melko hyvät vaimennusominaisuudet vaikka hiilikuituun verrattuna ja pörinä jää pörinäksi.

Voipi muuten olla että ensilento tapahtuu käsilähdöllä, riittävillä kierroksilla maatelineen kanssa näyttää tapahtuvan jotakin maaresonanssin näköistä ongelmaa, vaimentimista ym. huolimatta.. vähän tähän tapaan:

Ei toisin mitään, mitä epoksi ei korjaisi 

[Garug]

voipa olla että hyrrävoimat aiheuttaa ongelmia.

[elvis]

voipa olla että hyrrävoimat aiheuttaa ongelmia.

No, tarkoitus kylläkin on käyttää hyrrävoimia hyväksi. Presession avullahan muissakin koptereissa pl. multit, roottoritasoa saadaan kallistumaan yhdessä syklisen kontrollin kanssa kuten tässäkin on tarkoitus. Vapaa roottorihan sinänsä on hyrränä stabiili pyöriessään maksimipääjäyhyysakselin sa ympäri, kuten vaikka takavuosina narusta vedettävillä leikkikoptereilla ja -roottoreilla leikkineet tietävät.

Todellinen ongelma näyttää nyt olevan liian pieni lapojen kohtauskulma, nostovoima ei nyt riitä sillä kulmalla (noin 3 astetta), johon perussiivet luontevasti asettuvat jatkuvilla saloilla varsinkin kun huomioi senkin harmillisen seikan että lapa on nyt varsin letkeä ja perussiiven suuren vääntömomentin vuoksi lavan kärki vääntyykin suurilla kierroksilla jopa negatiivisille kulmille. Kokeilin jo vääntää lapoja suuremmille kulmille parin viikon väännöllä, mutta vain toinen lapa virui jonkin verran pysyvästi eikä se vielä riittänyt.

Täytyy tutkia jonkin sopivan pinnoitteen antamaa lisäjäykkyyttä ja samalla mahdollisuutta laminoida se sopivasti niin että samalla lavat väännetään sopiville kulmille. Muuten joutunee pätkäisemään lavat esim. pukkien ulkoreunoilta ja kiinnittää päät tarvittavaan, laskemalla arviolta 6-10 asteen kulmaan.

[Garug]

Potkurien hyrrävoima, kun ne pyörii tuolla tavalla niin tulee siipiin melkoiset vääntömomentit, ja saattaa potkuritkin kokea kovia.

Veikkaisin että toimisi paremmin jos tuon pääroottorin pyörimisnopeus olisi alhaisempi ja kuten mainitset kohtauskulma suurempi. ehkä kannattaisi ne siivet myös laittaa vähän etäämmäksi toisistaan, keskelle siis väliin joku 15 cm tanko ja moottorit ulommas kehälle, ehkä suunnattu vähän ylöspäin.

[elvis]

OK eli tarkoitit potkurien aiheuttamia hyrrävoimia. Lasketaas huvikseen (mökillä Windowsin laskimella ja näppishiirellä- voi olla näppivirheiitä!);

8" potkuri painaa melko tarkkaan 5g josta inertiaksi saadaan noin 1/12 x 0.005kg x (8 x 0.0254m)**2 = 1,72e-5kgm2, lisäksi ulkopyörijämoottorin inertia noin 11mm tehollisella säteellä abt 50g massa 0.05kg x (0.011m)**2 = 6,05e-6kgm2 eli yhteensä vetolaitteen inertia olisi 2,33e-5kgm2.  Potkurin pyörimisnopeus kuormattomana olisi 3S -akuilla ja 1050KV -moottoreilla noin 11700 rpm =  1220 rad/s. Roottorin pyörimisnopeuden olisi tarkoitus olla noin 300rpm = 31,4 rad/s. Coriolismomentiksi tästä tulisi enintään 1,72e-5kgm2 x 1220 rad/s x 31,4 rad/s = 0,9 Nm, joka nykyisillä pyörimissuunnilla aiheuttaa lapaan nokka alas -väännön melko jäykässä sisemmässä lavassa.

Pitääpä kotona arvioida lavan rakennemallilla paljonko tämä vääntää lapaa, mutta äkkiä arvioiden muutama aste voisi mennä rikki ja vaikutus olisi silloin samaa luokkaa ulkolavan aerodynaamisen väännön kanssa. Etukäteen kuvittelin potkurin väännön vaikutuksen merkityksettömäksi, mutta näin löysällä lavalla näin ei välttämättä ole.  Modattavaksi voisi siis tulla myös potkurien pyörimissuunta.

Potkurien siirrosta ulommalle kehälle en innostu ainakaan potkurien aiheuttaman lavan väännön pienentämiseksi.  Ulompana olevista moottoreista tuleva coriolismomentti taivuttaa lapoja pidemmällä matkalla joten vaikka vääntömomentti olisikin pienempi jos roottorin kierroslukua pienennetään, lapojen vääntymä ei välttämättä pienene.  Ohjattavuuden ja vakauden vuoksi pitäisin parempana melko korkeita roottorin kierroslukuja. Eipä se haittaa nostovoimankaan suhteen jos unohdetaan vääntö. Mutta tosiaan, lavan kulmia tässä joka tapauksessa on saatava hinattua suuremmiksi.

Mutta noin muuten, kiitos hyvästä huomiosta Garugille!

[Garug]

Itse olen joskus tätä testaillut tri-kopteriin liittyen niin että olen pitänyt moottoria tangon päässä. Äkkinäiset kierrot aiheutti aika häijyjä liikkeitä, oletan juurikin löysissä lavoissa johtuen. Niitä liikkeitä on vaikea kuvata, mutta tuntuu että lavat taipuu ja menee pahasti epätasapainoon.

Ps. bi-copter taitaa hyvinkin pitkälle toimia hyrrävoimien varassa http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1779537