Coaxiale vliegende rotor.

Ik ben al een tijdje bezig met het maken van een vliegende rotor zonder romp en staart.
Het idee hier achter is dat wanneer je een helikopter hebt wat alleen bestaat uit een rotor hij veel efficiënter is omdat je geen zware romp mee hoeft te nemen. Ook gaat er geen vermogen verloren in de staart.

Na wat verschillende versies gemaakt te hebben lukt het nog niet om een stabiel vliegend apparaat te krijgen. Dus ik hoop dat de heli-mannen hier wat tips kunnen geven!

Niet geschikt voor personenvervoer en ook het vervoeren van vracht of camera is niet direct heel handig omdat er geen delen zijn die niet draaien.
hier een concept tekeningetje:


Het idee is ontstaan na aanleiding van wat monocopters die ik heb gemaakt. Aandrijving is met een motor en propeller die zorgt dat de boel gaat draaien. Ik wil een directere aandrijving waardoor er niet een motor met propeller de "rotor" laat draaien maar dat deze rechtstreeks door de motor gaat draaien. Vandaar dat dit dus een coaxiale rotor word.

Versie 1 specs:
3D geprinte vertraging 1:20 met een 2310 2000KV indoor motortje met tandriem aandrijving. Op een 2S 500mAh accu. Rotor diameter ongeveer 900 mm en vlieggewicht 350 tot 400 gram. Besturing met 4 kanaals ontvanger en calculatie door arduino met HMC5883L magnetometer. Dit is een soort elektronische swashplate die één set rotor bladen gaat kantellen tijdens het draaien met een snelle servo. fixed pitch bladen op ongeveer 20 graden.

video


die deed het dus niet goed en was niet stabiel dus tijd voor versie 2 met aanpassingen zoals:
Flybar van 550mm op 45 graden voor de rotor. Ontwerp rechtreeks afgekeken van een speeldgoed helikopter. Meer ruimte tussen de de rotors zodat ze minder snel tegen elkaar aan komen.



video:


Helaas weinig of geen verbetering zichtbaar. Ook kan de flybar tegen de onderste vleugels aan komen. Maar dit lijkt pas te gebeuren nadat het geheel al uit balans is en om valt.

De trage draaisnelheid van ongeveer 300 rpm zorgt er voor dat flybar weinig effect heeft. De elektronica kan niet heel veel hogere snelheden aan omdat vooral de servo voor de aansturing nu al 10X per seconde omhoog en omlaag moet gaan om de bladen correct te sturen. Dus sneller draaien is daarom niet gewenst.
Tijdens deze testen was dit nog uitgeschakeld om eerst maar eens stabiel te kunnen vliegen.

Heb al wat gespeeld met lengte en gewicht van de flybar en ook draaisnelheid te versnellen door stukken van de vleugels te halen zodat deze kleiner zijn. Alles gaf geen zichtbare verbetering.

Mogelijk dat jullie in de video kunnen herkennen wat hier precies mis gaat en welke delen ik kan aanpassen en testen.

 

Hoe wil je iets besturen waar geen zichtbare voor of achterkant aan zit? Ik bedoel: Hoe weet je wat links of rechts is als je iet kunt zien wat voor en achterkant zijn?

Voor wat je stabiliteitsprobleem betreft: Zo'n 45 graden rotor streeft naar een evenwichtstoestand, maar daarvoor is het essentieel dat de rotor-as GEEN deel uitmaakt van het rotorsysteem, anders heeft die flybar geen effect. Die ontleent namelijk zijn effect aan het feit dat de swashplate vast zit aan de romp, en stil staat.
Cru gezegd: een gestuurde rotor heeft een fysiek referentiekader nodig om überhaupt bestuurbaar te kunnen zijn. Een romp vormt zo'n referentiekader. Ik denk eerlijk gezegd dat zonder dat een stabiel vliegende rotor niet mogelijk is.

 

reverentie van wat voor en achter is haalt hij dus van de arduino met de magnetometer. Dit deel werkt al min of meer met hieronder een oude video van mij waarin je ziet dat het witte knipperende lampje op de vleugel bijvoorbeeld de voorkant aan geeft.


Wanneer hij weet wat "voor" is kun je dus tijdens de rotatie de vleugel naar de gewenste positie sturen afhankelijk van de inputs die hij krijgt van de ontanger. Ik kan nu de voorkant ook verdraaien (yaw) en pitch en nick inputs geven waarbij hij afhenkelijk waar de vleugel op dat moment is in de rotatie de invalshoek veranderd.

Ook is het mogelijk de bladen een variabele pitch te geven maar wanneer een motor en propeller hebt deze invalshoek te veranderen. op die manier kon ik in de huiskamer goed rond vliegen met controle over de richting



de flybar boven op de rotor kan vrij bewegen en zal dus ongeacht wat er onder gebeurd zijn eigen draaicirkel willen houden. Dus kantelt door onbalans het vliegtuig onder de flybar dan stuurt de flybar de bovenste rotor terug naar zijn eigen draaicirkel dmv een linkje.
hieronder een poging tot uitleg: met linksom draaiende rotor


het kan best zijn dat ik de flybar niet helemaal goed begrepen heb wat betreft het vast zitten aan een vaste romp. Maar mijn beperkte kennis dacht dat dit zou moeten werken. Omdat hij het vliegtuig alleen maar terug stuurt naar zijn eigen draaicirkel

 

Ik heb al door wat er misgaat: Het probleem zit hem ECHT in het feit dat er geen "stabiele as" is. Daardoor heeft het bladenpaar geen stabiliteit. Alsof je een losse vleugel zonder stabilo en richtingsroer probeert te vliegen.
In je indoor video zorgt die outrigger met aandrijfmotor er voor dat er een "stabiele as" is.
Daardoor gaan in je dubbelrotor uitvoering de bladen "fladderen": Zolang de twee rotors 90 graden op elkaar staan houden ze elkaar min of meer in bedwang, maar als ze parallel staan is er geen stabiliteit, gaat de boel uit de losse pols fladderen en raken de twee rotors elkaar.
Zet op ieder rotorpaar een paar outriggers met gewichten (vergelijkbaar met die aandrijving van je monorotor), en dan zal de boel al flink stabieler worden.
Die outriggers hoeven niks anders te doen dan haaks op de rotatie-as rond te draaien,

 

dat tegen elkaar aan komen van de bladen...
Dit kan ook (net als bij cp helicopters) voorkomen worden door de bladen wat strakker vast te draaien bij de basis.
een cp heli kan ook zijn staart raken..
vaak als er teveel beweging in de kop zit, in combinatie met een te los aangedraaid blad.

Nu zitten die kleine cp heli's op toerentallen van 3 a 4000 origineel, tenzij je speciaal wat moeite gaat doen om ze langzaam te laten draaien.
de grotere zitten tussen de 1500 en 2000, origineel
Dan strekken de bladen zich wel.

Die van jou lijken licht, waarbij er door het grote oppervlak veel energie overgebracht moet worden op de lucht.
op het toerental waarmee je vliegt, strekt dat echt maar net...
dan willen de bladen uit zichzelf al naar achteren invouwen in de houder.
daardoor komen ze omlaag, en raakt het wat eronder zit.
2e, het toestel gaat er heel raar van reageren. immers, opeens mist er een stuk lengte aan 1 kant van de rotor..

plak eens een loodje op het eind.. ff balanceren erna..


Die versie met 1 rotor..
met flybar.. waarschijnlijk als je daar een bak lood (zeg, 10 gram) aan de tips van rotor en flybar toevoegd, wordt het al een heel ander verhaal.
is wel 40 gram.. maar dan heb je ook wat

of een stuk van de onderkant van de bladen afhalen, zorgen dat het toerental omhoog gaat.

 

over het wegdraaiien zonder controle:
Bij Coaxiale helicopters bestaat er zoiets als het "bowl of death" principe.
Kan makkelijk dat ik de naam niet goed heb..
is ff geleden

komt er op neer dat als de kracht die de heli uit moet vlakken te klein is ( bijvoorbeeld, de flybar te licht), de heli eigenlijk uit zichzelf een rondje willen vliegen.
dat blijft hij doen, steeds scherper en scherper, tot hij crasht.
immers, bij een haartje wind heeft het tegen de wind ingaande blad meer lift als het naar achter bewegende blad.
dus gaat het toestel een stuurbeweging maken.
dat haartje wind krijg je automatisch wel door alle invloeden op de rotor, door vooruitgaande beweging of uberhaupt door de natuurlijke ventilatie in een ruimte.
Eenmaal in die "bowl of death" (ongeacht hoe het echt heet ), blijft het ding zichzelf te weinig corrigeren, waardoor de bocht alleen maar scherper wordt.

 

die rotorbladen zijn van schuim en die gingen behoorlijk doorbuigen. Dus ze hebben al extra tape en versteviging gekregen.
Wat jij bedoelt is het TBE (toilet bowl effect) wat veroorzaakt kan worden door een flybar die te stroef werkt of krom is of te klein.

hier nog een closeup foto waarbij ik er van uit ga dat die outriggers op de gele stippen zouden moeten komen. Op de rode stippen zouden ze de input van het sturen en van de flybar tegen werken.
Ik had op die mono rotor inderdaad gewichten op uiteinde van de vleugels gedaan.

Ik ga eerst wat gewicht op het uiteinde van de vleugels plakken en als dat niet werkt die gewichtjes haaks op de vleugel.

Ik ben alleen niet zo gek op extra gewichten want hij is al relatief zwaar en groot in verhouding tot het kleine motortje

 

in principe zou iedere gram aan het eind van de bladen al een significant verschil moeten geven...
iedere gram in de rotordisk geeft meer stabiliteit, groter centrifugaal effect.

Stroef werkende flybar geeft weer andere problemen trouwens.
stuurt echt ruk als dat zo is.
maar TBE komt daar niet van..
TBE is een klassiek dingetje van "te"
gewicht op de verkeerde plek, overcorrectie door geometrie, zoiets.

 

Best wel complex allemaal. maar wel erg leuk! Ik ben ook zo'n stuurman die aan wal staat en graag wat roept. Dus, neem het me niet al te kwalijk als je denkt, dat is "bogus" wat heer Laermans roept .

Mijn idee. De constructie zoals die nu is, is behoorlijk zwaar. Voor een vliegend object dat van zichzelf geen/ weinig stabiliteit heeft, zorgt deze hoeveelheid massa er ook nog 'ns voor dat disbalans hard wordt afgestraft (seconden werk). Wat nu doen? Mijn eerste zaalvliegtuig was de Moustique en woog één gram en mss nog een tiende van een gram erbij. Dat vloog op een elastiekje minuten in een grote zaal (vliegtuig Hangar Valkenburg). De grote propeller bewoog als door een stroperige vloeistof zo langzaam. Enfin, je begrijpt m'n punt... Ik heb trouwens wel een aandrijving voor je liggen als je het met minder gewicht wilt proberen: super-condensator + coreless motor inclusief vertraging.

 

Gewicht is inderdaad een probleem. 3d geprinte delen zijn ook wel zwaar en met alle veranderingen word hij alleen maar zwaarder. Ik heb nu gewichten op uiteinde van de vleugel gedaan en bij de eerste test crashte hij natuurlijk en door het extra gewicht breekt de boel stuk. Ik denk dat ik inderdaad eens moet afschalen met gewicht en formaat en later op dit model wat meer vermogen zetten als ik weet wat er aan veranderd moet worden.

M24 ringen in de vleugel


nieuwe vleugeltjes met extra koolstof staaf en stevige tape.


flybar nog een 15mm hoger gezet. nu 35mm hoger als de eerste versie


De hoek van de bladen is hier nog 25 graden. Ik ga ze eerst op 15 graden zetten voordat ik weer ga testen. Je ziet nu ook dat het kleine motortje niet in verhouding staat tot het formaat van de vlieger

 

Het klene motortje hoeft op zich nog niet problematisch te zijn. Zeker naarmate de vleugeldelen lichter worden. Ik zie ook dat er een flinke vertraging is middels de belt-drive.

 

nu is licht bouwen ook niet mijn ding..
lukt me nooit

maar ik vermoed dat je stevige happen uit alle geprinte delen kunt slijpen
dat tandwiel kan nog opengewerkt worden
elimineren van overbodig materiaal
volgens mij kan dat opstaande ding naar de bovenste rotor voor de helft weggesneden worden, als je een beetje kritisch slijpt
zoveel kracht komt er niet op..

Motortje hoeft geen probleem te zijn.
maar, in feite bepaald het totaalgewicht met de invalshoek van de bladen hoe snel de bladen moeten draaien voor alles los komt
je toerental heeft zijn grenzen, meer dan 100% heb je niet.
des te lichter, des te makkelijker alles word.

formaat aanpassen, daar moet je ook mee opletten.
immers, kleiner = kleinere rotor = minder stabiel en hoger toerental nodig
in verhouding tot het oppervlak van de rotordisc wordt je zwaarder

qua schudden, onbalans kun je zelf wegwerken
bladen wegen op gewicht, maar ook op zwaartepunt. beide moeten kloppen
wat hier ook een hoop scheelt (denk ik) is een lanceerplatform.
iets wat het apparaat vasthoud terwijl het op toeren komt.
ook rc heli's schudden nog wel eens tijdens optoeren.. bladen strekken
de jouwe zal dat ook doen, maar als hij hierbij meteen de grond raakt ligt hij daar ook meteen

 

Op het filmpje wat ik had gemaakt (en inmiddels 326000 vieuws heeft) kun je het lanceerplatform zien. Balanceren lukte redelijk. Misschien inderdaad de onderdelen gewoon eens verkleinen (in gewicht) en veel dunner printen. Is er ergens informatie te krijgen over de verhouding invalshoek, draaisnelheid, en gewicht?
Zwaartepunt van de bladen heb ik nooit naar gekeken dus dat is ook een goed punt. Moet het de bladbevestiging op het zwaartepunt liggen neem ik aan?

 

Er is wel een filmpje op YT van een monocopter waar men tot de conclusie komt dat opstijgen van de grond effectiever is dan lanceerplatform. Hoe lichter alles wordt, hoe minder de noodzaak heel nauwkeurig te balanceren. (Mijn autogyro bladen balanceer ik tot op 1/10 gram op afstand vanaf middelpunt.)

Waar ik me wel zorgen om maak (is al eerder genoemd) is dat er niet echt een romp is die e.e.a. stabiliseert. Er is wel een LiPo, servo's en een motor, maar de motor destabiliseert ook weer door het draaimoment. Er zijn wel goedwerkende coaxial "drones" op YT te vinden, maar die kiezen veelal voor een tilted coaxial rotor-head en toch weer een stabiliserende "romp" (naar beneden wijzende pod) eronder.

 

Je hebt die speelgoed propellers die je afschiet door aan een koord te trekken. De stabiliteit zal zitten in de draaisnelheid en de ring rondom de bladen. Maar dat geeft denk ik wel aan dat je niet perse iets onder je rotor hoeft te hebben. Uiteindelijk wil ik de accu (2s) opdelen en op elk blad één cel leggen. Bovenste rotor kan dat niet omdat ik geen draden naar onderen kan leggen. Dan zou ik een tweede motor/regelaar moeten gebruiken en de aandrijving aanpassen

 

Maar één maal in disbalans, komt die niet meer terug in balans neem ik aan? 't Is in ieder geval wel een ambitieus project . Maar dat was mijn Savonius-rotor ook en dat is ook gelukt uiteindelijk. En al 'ns eerder door iemand anders gedaan en dat is dit weer niet. Maar mss wel geprobeerd...

 

In jouw geval denk ik dat je invalshoek wat meer op gevoel moet..
testen en proberen

Een collective pitch heli zit met zijn toerental vast..
als je ziet dat mijn 600 helicopter (1300mm rotordiameter) met 1900 toeren, rond de 5 graden kan hooveren..
dan wordt er dus 4 kilo overwonnen.
Maar die "thrust" is nogal afhankelijk van de koorde van het blad.
bij een 600 maat heli is die koorde iets van 5 cm, bladlengte 600mm..

Jouw koorde is in verhouding groter, waardoor jouw thrust bij gelijke getallen als mijn 600 groter zal zijn.
ik heb ook geen flauw idee wat voor rotortoerental je voor gaat...
Als het ding redelijk makkelijk loskomt is het goed..
misschien eens kijken wat de rotoren aan lift genereren?


Qua platform: ik bedoel alleen een voetje wat op de grond achterblijft bij het opstijgen
gewoon dat ie op toeren kan komen zonder uitdagingen

voor wat betreft dat kinder afschiet ding: dat is wel een compleet ander iets..
dat ding zijn aandrijving wordt niet mee afgeschoten.
dus eenmaal in beweging, is er niets wat die beweging tegenhoud behalve het proces van lift genereren.
dus dat ding is in verhouden vele malen lichter, en hoeft niets te corrigeren (dus minder besturing, scharnieren, dus ook lichter)

 

er zijn inderdaad veel factoren die bepalen welke invalshoek nu optimaal is.
Ik heb bij de twee blad vliegen wel eens collective pitch toegepast maar voor de eenvoud dit nog niet in deze toegepast ook vanwege gewicht.
Deze heeft tot nu toe nog niet gevlogen. Je kunt wel de stuurbeweging goed zien die hij hier doet door de motoren te kantellen. Het witte lampje geeft bij deze test 1 omwenteling aan.



Mijn toerental wil ik rond de 5 rondjes per seconde (300rpm) per rotorblad. Of elk geval de rotor waar de besturing in zit. Ik heb dankzij een nieuwe library van de hmc5883l al wel 700hz sample tijd van het kompas maar de servomotor moet dan steeds 10X per seconde op en neer gaan

Ik heb al wel besturing gezien met een stang naar de flybar (of die hiller uitvoering?) waarbij een spoeltje stoten geeft aan de stang en zo de flybar beïnvloed om te kunnen sturen. Dus die hyperactieve servo zou uiteindelijk vervangen moeten worden voor zoiets. Maar weer erg complex en fragiel denk ik.

Alvast begonnen met ontwerp en bouw een lichtgewicht uitvoering van de vliegen op de zelfde schaal.
Alu motorplaat heeft gaten gekregen aan de accu kant. omdat daar heen duwkrachten op komen zoals aan de motorkant. Ook iets kleiner motortje omdat ik die nog heb liggen


3D geprinte onderdelen slanker ontworpen met een besparing van 22 gram op plastic op alleen de onderdelen hier in beeld. De rest moet dus nog afslanken. Blauw/zwart is nieuw en rood was de oude uitvoering

 

Dat ontwerp zou zeker moeten kunnen vliegen. Zelfs (of juist) met wat vereenvoudigingen in de aansturing: http://www.roflcopter.tech/

Feitelijk heb je aan collective pitch (die heb je al gerealiseerd) en een klein beetje cyclic (bij de roflcopter de extra mini-flaps die minimaal, maar wel zeer snel, ook qua aansturing) meer dan genoeg om het geheel te kunnen sturen. De aansturingssoftware en hardware ben je ook al heel ver mee vermoed ik.

Je ziet ook dat de motoren plus props stationary zijn. Weer een zorg minder. De kunst zit ‘m natuurlijk in het cyclic deel, maar de roflcopter bewijst dat je met een zeer kleine control-surface al kunt volstaan.

 

bij een cp heli heb je de swash
de swash zorgt voor die op en neer gaande beweging waar jij je servo voor gebruikt
minder werk voor de servo's
punt met een swash is alleen dat je er wel een recht platform voor nodig hebt wat zelf niet draait, en dat kan lastig worden hier.
maar, als inspiratie kan het misschien wat zijn..