Senkrechtstarter mit Extras

So, da ich kurz Zeit habe, hier ein „kleines“ Projekt von mir.

Gebaut wird ein Senkrechtstarter, aber kein Kleiner aus Depron, das gibt’s ja schon öfters . Dieser hier hat derzeit eine Spannweite von etwas über 4m, gebaut wurde mit Balsa, Alu, CFK und GFK.
Bisher wurde das Projekt im Rahmen einer Diplomarbeit (Abschluss einer Höheren Technischen Lehranstalt) mit dem Arbeitsnamen „SpeedCopter“ (hat nichts mit der tatsächlichen Geschwindigkeit zu tun, zur Diplomarbeit gehören auch Marketing usw., daher der Name) mit 2 Kollegen durchgeführt, jetzt nach Schulabschluss werde ich es privat fertigstellen und verbessern.

Nach elends langer Planung und 3 verschiedenen Versionen (die Details interessieren vermutlich eh keinen) habe ich das aktuelle Design erstellt und durch verschiedene Aerodynamik-Simulatoren gejagt und optimiert, rausgekommen ist folgendes:




Die Maße stimmen noch nicht ganz, die Grundform ist jedoch schon erkennbar, im orangen Bereich befindet sich laut Simulatoren der aerodynamische Schwerpunkt, sehr nahe zu dem des Multicopters.
Ich habe mich für einen Hexacopter als Grundform entschieden und danach den Grundkörper in Form eines Nurflüglers hineingepasst. Da ziemlich viel Schub nötig ist, werden 12 Motoren in 6 Paaren eingesetzt, also wie bei einem X12.
Alle Motoren sind drehbar gelagert und können individuell geschwenkt werden.
Bei dem Nurflügler-Design habe ich mich an den Forschungen der Gebrüder Horten orientiert, laut Simulatoren ist das Konzept sehr flugfähig (nach tagelanger Arbeit ).


Das ist die Grundidee, jedoch sind da noch ein paar andere Features dabei/warten auf den Einbau, wie zum Beispiel:

> ausfahrbare Tragflächen (auch Teleskop-Tragflächen), welche für Segelflug bzw. Gleitflug genutzt werden können. Ist nicht unbedingt eine hohe Geschwindigkeit nötig, so werden diese zusätzlichen Tragflächen aus dem Nurflügler-Grundkörper ausgefahren und das Fluggerät fliegt mit einem höheren Wirkungsgrad auf einer niedrigen Geschwindigkeit (wie ein Segelflugzeug), dies machst sich in längeren Flugzeiten bemerkbar.
Damit dies aber funktioniert, ohne dass die ganze Aerodynamik verändert wird, ist ein weiterer Trick nötig: ein ausfahrbares Heckleitwerk. Dieses fährt ebenfalls aus dem Grundkörper heraus und man kann jederzeit den Abstand zum Zentrum adjustieren, um ein optimales aerodynamisches Verhalten zu erreichen.
Der Ausfahrmechanismus ist fertig und getestet, die Tragflächen sind aber noch nicht fertig, mir ist das Balsa-Holz ausgegangen. Ob es in Kombination mit dem Heckleitwerk auch ordentlich funktioniert, kann ich ebenfalls nicht sagen, aber Probieren geht über Studieren.


> eine komplett neue Energieversorgung. Jeder Multicopter-Pilot kennt das Delima, das alles durch den Akku begrenzt wird. Da der SpeedCopter mit 20kg nicht gerade ein Leichtgewicht ist, würde man eine sehr hohe Akkukapazität brauchen, um halbwegs akzeptable Flugzeiten zu erreichen, deshalb habe ich mir mit einem Freund was neues überlegt.
Anders als alle anderen Multicopter wird der SpeedCopter nicht ausschließlich mit Lithium-Polymer Akkus (kurz LiPo) versorgt. Es verfügt über einen kleinen Verbrennungsmotor, der an einen Generator gekoppelt Strom für die Rotoren erzeugt. Der Generator erzeugt einen 3-phasigen Wechselstrom, welcher anschließend mit Brückengleichrichtern gleichgerichtet wird. Der Grund für diese aufwendige Art der Energieversorgung liegt in der viel höheren Energiedichte pro Kilogramm von Flüssigtreibstoffen im Gegensatz zu LiPo-Akkus. Die Energiedichte von Benzin ist fast 80fach höher als die eines LiPo-Akkus, sodass trotz der Verluste an Verbrenner und Generator die Flugzeit deutlich erhöht werden kann (theoretisch um das bis zu 10-fache), hier eine etwas realistischere Kalkulation:


Fertig aufgebaut sieht das System so aus:



Parallel zum Ausgang des Gleichrichters hängt noch ein Stützakku-Pack (7S2P 2500mAh LiFePo4), der im Falle eines Spannungseinbruchs oder Ausfall des Systems automatisch die Stromversorgung für mindestens 2 Minuten übernehmen kann. Wenn der Akku nicht benötigt wird, so wird er mit dem Generator zusätzlich geladen. Der Ladestrom des Akkus wird mit einem Shunt-Widerstand bestimmt und über MOSFETs geregelt. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors wird je nach dem erforderlichen Strom geregelt. Wird mehr Strom von den Motoren benötigt als der Generator liefern kann, so bricht die Spannung ein. Dies wird gemessen und ausgewertet, und im Anschluss daran die entsprechende Drehzahl am Verbrennungsmotor eingestellt (so dass die Spannung möglichst konstant bei 23V bleibt).
Wie es sich im Copter-Modus macht kann ich noch nicht sagen, bisher haben wir maximal 30A gezogen, soweit läuft alles wie geplant, nur bei schneller Belastungsänderung muss noch der Zusatzakku einspringen, bei langsameren Änderungen geht es auch ohne Akku.


Der Aufbau:

Der SpeedCopter besteht aus mehreren Teilen:
1) Die Basis, an der alle essentiellen Teile montiert sind, sodass man auch nur damit fliegen gehen kann (dann halt nur als Multicopter)
2) Die Haupttragflächen, welche man mit Bolzen und einer Schraube mit der Basis verbindet.
3) Die ausfahrbaren Tragflächen, welche innerhalb der Haupttragflächen montiert werden.
Alle Oberflächen bestehen aus Balsa und sind/werden mit GFK-Matten laminiert. Als Träger für die ganze Struktur dienen 15x15mm Alu-Profile, für eine höhere Stabilität kommen außerdem noch Verstrebungen aus Balsa und Hartholz zum Einsatz. Die Motoren sind auf 26mm Carbon-Rohren mit selbstgefertigten Rohrschellen montiert, die Rohre sind doppelt gelagert und entweder direkt oder mit einem Zahnrad mit einem Servo verbunden.


Aktueller Stand:

Der Grundkörper ist fertig und auch schon kurz geflogen, jedoch wurden wegen eines dummen Firmware-Fehlers dabei die Landebeine komplett abgerissen, da muss jetzt was Stabileres her. Des Weiteren müssen die ausfahrbaren Tragflächen fertig gestellt und eingebaut werden, ebenso die Energieversorgung (bin bisher mit 6S LiPos geflogen), die muss man aber noch gründlich testen. Außerdem müssen die Tragflächen noch fertig laminiert werden. Hab aber leider gerade wenig Zeit .

So sieht's daweil aus:

Während dem Bau:






(mittlerweile sind auch schon die Flaps eingebaut)



Schwenkbare Rotoren



Und hier noch eine Fotomontage wie es beim Fliegen aussehen wird (der Grundkörper ist schon gefolgen, mit Tragflächen werde ich es dann mit dem neuen Landegestell auf der Wiese testen):




Technische Daten:

Motoren: Tiger Motors MN 4014 – 400KV – von T-Motors zur Verfügung gestellt
ESCs: Hobbywing Platinum Pro 30A
Props: 17x5,5” CFK-Props
Akku: 7S2P 2500mAh LiFePo4 – von SLS zur Verfügung gestellt
Verbrennungsmotor: RotoMotor ROTO 50 V2 – von RotoMotor Ltd. zur Verfügung gestellt
Generator: Kontronik PYRO 850-24P – von Kontronik zur Verfügung gestellt
Spannweite (Grundkörper): 4m
Spannweite (mit ausgefahrenen Tragflächen): 5,6m
Abfluggewicht: ca. 20kg
Firmware: modifizierte ArduCopter 2.9.1b Firmware


PS: für Ideen und Anregungen bin ich dankbar, das wird meine neue Versuchsplattform Nummer eins

Einfach nur geil ist aboniert. Die Idee mit dem Generator hab ich auch schon länger aber noch nie umgesetzt. Allen Respekt. Freu mich schon auf weiter Berichte.

kranker scheiß viel erfolg !

Ist der Motor für den Generator ein 50 ccm Boxer ? Was wiegt nur der Motor selber?

Moin,
ersma Respekt, endlich mal einer der das ordentlich anpackt. Orion hat Eier, nicht nur abends bischen rumspinnen und drübernachdenken. Könnt schon gehen usw., sondern machen...
Beim rumspinnen bin ich aber auch zu dem Schluss gekommen dass es ohne Formveränderung nicht geht ;-). Also Flügelausfahren oder drehen der Flügel/Ausleger war auch son Gedanke.

Gruss Stefan

Erstmal danke für das Lob, bin selbst gespannt ob alles so geht wie geplant (vor allem der Generator)

Ja, komplett richtig. Motor wiegt ca. 1800g, Generator ca. 600g, Kupplung, Gleichrichter und Rahmen nochmal ca. 800g., gesamt ca. 3200g. Dazu kommt noch der Treibstoff, macht nochmal ein paar kg. Wenn es wie geplant funktioniert dürfte deutlich mehr Flugzeit drin sein als mit Akkus, Preis ist ca. der gleiche, weil man sonst tausende Euro für Akkus ausgeben muss . Problem ist, das System kann nur an großen Coptern funktionieren, wegen dem Gewicht.

Was ich noch net so ganz verstehe ist wie bekommt der Flieger Vortrieb? Kannst du die ein paar Motoren schwenken?

alle sind schwenkbar

Absolut geil !
Bisher kannte ich nur deine "aktuelle Multikopter-Bauhilfe" ,aber dieses Projekt ist nochmal besonders !
Viel spass !

2 Fragen:
a)wie löst du das mit den Vibrationen des Generators ? Was hälst du von einer turbine zur stromerzeugung (in Anlehnung zu den großen helis) wäre vlt auch ausfallsicherer
und b) reicht die Steigung der Propeller auch zum fliegen ?

a) Der Verbrennungsmotor ist an Dämpfermatten montiert, und zwischen dem Copter-Grundgerüst und den Verbrenner-Aufbau kommen nochmal Dämpfer rein. Obs reicht kann ich noch nicht sagen, ich habs noch nie eingebaut, nur auf der Werkbank getestet. Zwischen Generator und Verbrenner ist eine Kupplung mit achsialem und radialem Spiel.
Eine Turbine war auch eine Überlegung, die wir dann aber aus folgenden Gründen wieder verworfen haben:
1) viel teurer als ein Verbrenner
2) viel zu hohe Drehzahl, da bräuchte man eine extreme Übersetzung, was wiederum mechanische Teile sind, die ausfallen können, bei dem Verbrenner ist die Übersetzung 1:1 (und jede Übersetzung hat wieder Verluste)
3) kaum Platz wo man an der Welle angreifen kann, um die Drehzahl abzugreifen
Also gesamt gesehen würde ich sagen, dass die Turbine mit allem drum und dran mindestens genauso ausfall(un)sicher ist wie ein Verbrenner, mal abgesehen davon, dass ohnehin Stützakkus drin sind, die ausreichend sind um sicher zu landen.


b) ist noch nicht getestet, aber ich trau mich ziemlich sicher sagen, dass es reichen wird.

Daher auch dein Profilbild...
Hab mich schon lange gefragt, was das für ein Teil ist

Sehr beeindruckend! Ich meine eine Infografik von dem Projekt schon mal gesehen zu haben, auf der Seite von T-Motor oder so - dachte es sei deren eigenes Projekt. Bin mal sehr gespannt wie es hier weitergeht

"Software: modifizierte Arducopter 2.9.1b" - auf welcher Hardware läuft das bei euch? Der APM 2.5/.6 ist ja bekannterweise recht eingeschränkt in Rechenleistung und hat zumindest mit der 3.0.1er Version zwischendurch ernste Probleme schon mit Oktos gehabt. Habt ihr das mal untersucht und einen Upgrade auf einen Pixhawk oder anderes "moderneres" HW-Plattform in Betracht gezogen?

Propeller 17*5.5" cfk -> 5.5"steigung=13.97cm=0.1397m

Du sprichst von einem 7s lifepo akku(notstrom),laut Wikipedia 3.2*7=22.4V

Zu den Motoren finde ich leider nur "400kv",die drehzahl(maxfullthrottle) bei 22.4V wäre dann 8960k~9000k~9000U/min

V(strahlmax) wäre dann 9000U/min • 0.1397m=1257,3m/min=75438m/h=!75,438km/h!
Rechnung falsch ? Reicht das zum fliegen ? Ich weiss es nicht,es könnte aber ein Problem sein,oder ?

Ursprünglich auf einem APM 2.6, habs selbst bemerkt, dass da nicht mehr viel geht. Aus verschiedenen Gründen steige ich jetzt auf ein anderes Modell um: ich lagere alle Funktionen auf einen Co-Prozessor aus (ATmega 2560), der alles was nicht zur reinen Copter-Firmware gehört übernimmt. Das hat außerdem den (in meinen Augen) großen Vorteil, dass ich nicht plattformgebunden bin. Das zweite Board kann ich dann mit jedem FC nutzen, egal ob MultiWii oder Naza, da alle VTOL + Flug + Zusatzfunktionen von ihm übernommen werden. Bin noch am Überlegen ob ich nicht versuche, den APM Plane-Code miteinzuarbeiten, dann hätte ich auch im Flug-Modus das geile APM-GPS-System
Aber wie gesagt, da ich jetzt allein weiterbaue und das doch etwas aufwändiger ist kann es noch dauern.


@Constantin:
Richtig gerechnet. Laut Simulatoren (beide mit einem ziemlich ähnlichen Ergebnis) brauch ich bei 0° Anstellwinkel ca. 60km/h für den horizontalen Flug, bei 2° Anstellwinkel ca. 45km/h und bei 4° nur mehr 35km/h, sollte also locker reichen.
Wenn es nicht reicht, dann kann ich immer noch die Rotoren etwas nach oben schwenken, dann wird automatisch ein Teil des Schubs nach oben gerichtet, Vorwärtsflug sollte also kein Problem sein (hoffentlich).

Absolut geniales Projekt.
Wurden die teuren Teile gesponsert? Was für Bedingungen haben solche spenden denn? Musst du dann mit auf Messen oder so?

Wir haben die meisten teuren Teile bekommen, die Sponsering-Bedingungen sind unterschiedlich, das macht man sich mit dem Sponsor aus. Auf Messen muss ich nicht, wenn's fertig ist werde ich aber eventuell gehen.

Interessantes Projekt!

Aber erklär mir doch mal folgendes technisches Detail :

Konnte zu deinem 50ccm Motor keine genaue angabe finden, aber ich habe einfach mal mit 5PS und 9000Upm gerechnet.

Der Kontronik Motor macht 500Upm/V -> Macht also bei 9000Upm eine Leerlaufspannung von 18V. Wie lädst du mit 18V einen (bei Ladeschlussspannung) 25,2V Akku?? Step Up Wandler? Könnte ich mir bei der Leistung kaum vorstellen..

Und du schreibst, wenn weniger Strom benötigt wird, wird die Drehzahl angepasst. Soweit klar, aber dabei verringerst du die Spannung ja noch weiter?

Und wie hoch ist dein Wirkungsgrad zwischen Abgabeleistung des Verbrenners zu elektrischer Leistung?

Gut aufgepasst, war mein Fehler, ist kein 850-50L sondern ein 850-24P (glaub ich, aber ich schau nochmal nach), Verbrenner hat max. 7800U/min, damit gehen ca. 32V.

Zum Strom: nein, nicht wirklich. Genaugenommen wird nicht die Drehzahl sondern mehr die Spritzufuhr angepasst (ich versuche es meistens für einen Laien zu erklären, also so leicht wie möglich ). Angenommen wir drehen mit 5500U/min und ziehen 70A. Jetzt wollen wir etwas steigen und geben Gas. Der Verbrenner erzeugt aber immer noch 70A bei 23V, wird jetzt mehr Strom benötigt, aber die Spritzufuhr bleibt die gleiche, dann bricht die Spannung ein. Deshalb muss jetzt die Spritzufuhr erhöht werden, damit wieder die 23V erzeugt werden. Geht man vom Gas, dann wird weniger Strom benötigt, dann würde die Spannug ansteigen, daher wird der Zufluss etwas reduziert. Also in Prinzip wird versucht, die Drehzahl konstant zu halten, je nach Last (=benötige Leistung) wird die Spritzufuhr angepasst.
Außerdem habe ich die Verbrenner-Steuerung extrem verbessert, sie kann "vorausdenken". Einerseits wird das Empfängersignal miteinbezogen, andererseits wird eine Art Trend-Kurve erstellt und so der zukünftige Spritverbrauch abgeschätzt und vorbeugend eingestellt. Wird zu viel Leistung erzeugt, so wird die zusätzliche Energie in den Stützakku zurückgespeist. Das ganze ist zu komplex um alles hier zu beschreiben.

Wirkungsgrad hab ich noch nicht gemessen, aber ich erwarte keine Wunder, bei einem Testaufbau im Labor letztes Jahr haben wir >70% erreicht, aber als Gesamtsystem (also incl. dem Brückengleichrichter)

Ah, okay, das habe ich soweit verstanden ;D Danke