專題研究 RC KITE-2 風箏製作筆記

前言：
    上次因為風太小飛不上去，所以參考影片後，把RC KITE-1增加一顆馬達，主翼因為重心位置改變而向前移
    今天寒假最後一天，天氣很冷但風很大，爸爸下午陪我去試飛
 (一樣沒有風速計，不過風大到branch有被吹動，重要指標之一)
    風大到風箏有被微微吹起，而且此時是增加了無刷馬達、ESC、更大的鋰電池、馬達座等重量，因此我猜測沒有裝動力模組的話，在今天是飛得上去的。

試飛方式：

1. 飛機綁風箏線 (長約50m) ，線在地面拉直開來，線尾端綁啞鈴，固定於地面。
2. 油門摧下去，手擲飛機，如擲標槍般，迎著風輕輕往空中射出去。

試飛結果：
    失敗，爬升上去沒多遠，機頭就一整個偏掉，轉了個大彎栽下來，還忘了拍照留念。

試飛結論：

1. 飛機結構其實不會太重
2. 可是珍珠板也相當不耐摔，必須使用其他材料製作
3. 爬升過程相當不穩定，這點必須仔細考慮與分析

機翼材料調整：

用整塊EPP，用鎳鉻絲來切，並且挖洞偷輕後包膜蒙皮

製作過程參考：How to build a Swiss Fish Thread Gallery

機身結構調整：

採用雙機身

爬升穩定性分析：

水平飛行與垂直受風時的aerodynamic center位置是不一樣的?

專題研究 文獻探討

起降過程：

1. 緩慢放線-》靜止滯空-》轉為垂直盤旋-》靜止滯空-》緩慢收線

    優點：接近一般的風箏，比較輕比較安全，盤旋速度慢，易控制

    缺點：風要足夠，或是飛機要做的夠輕才飛的起來

    影片：

   

paper: tethered kiteplane design.pdf

paper: Flight dynamics and stability of a tethered inflatable Kiteplane

(從6分50秒開始)

參考資料：
http://www.kitepower.eu/publications.html
http://www.kitepower.eu/research/67-kite-design/56-kiteplane.html

2. 發射升空-》直接高速轉為盤旋-》斷線-》轉為滑翔降落

    優點：飛機重量可以大一點，高速飛行下維持升力

    缺點：發射不易，馬卡尼用火藥發射W3,W4 (這台有全成人工控制過，之後改為自動控制)

    影片：

    Ampyx Power的影片：
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3. 垂直停懸緩緩升空-》靜止滯空-》調整舵面（增加受風面積）-》轉為盤旋-》停懸滯空-》緩緩降落

    優點：微風下也能起飛，到高空後高速盤旋，就可以產生足夠升力而不會墜落

    缺點：四軸機停懸轉為盤旋技術門檻高，要有前面幾項基礎才可能達成
    影片：


翼荷重：

製作方法：

TU Delf kiteplane prototype用整塊電熱絲切割的EPP

專題研究 Crosswind Tethered Plane Prototype Construction

//這篇主要是要把學校的專題研究做統整。先把片段的想法，以及目前所做的半成品做個集結，資料持續更新增加中。

前言

    為了確認製作出風箏能達到我要求的運動軌跡，以及符合目前我個人能力所及，因此直接製作一台綁著風箏線的遙控滑翔機，以人工控制來進行飛行載具外形確認。

    其實這個寒假執行的進度內容，在去年五、六月早就構思好專題執行步驟，實驗企劃書也寫好了，投稿中等科學獎助計劃，拿到了一小小筆研究金費。不過這個期間不斷在做大量的文獻查詢，學習基本數學工具、運動學、飛行力學等等。不過到了寒假，因為開學要繳交科展作品說明書給學校，全部理論推導也不太好，總得實作點東西出來才是，才促成這個還學不會走路就想飛的風箏原型設計。

背景知識

    1. 風箏發電發展

          好處

          類型

    2. 質點運動模擬

          Loyd 1980 

          MATLAB 模擬結果

    3. 空氣動力設計

         何謂空氣動力設計？

         為什麼需要空氣動力設計？

         飛機運動方程組

         飛行運動特徵值

         風箏跟一般的飛機有什麼不同？

    4. 自動控制方式

         

設計概念

   由於要簡化到我的能力範圍內，因此我想直接以人工控制數據，加上量測地面風箏線角度變化，分析這兩組數據，希望能用來進行自動控制時使用。

    1. 記錄手動控制的訊號

    2. 量測地面風箏線的角度變化

        球座標系

        座標變換

        位置、速度、加速度

        

    3. 地面站設計

        風速計

        放線滾軸

        風箏起降架

    4. 自動起降流程設計

        起飛流程

        穩定滯空轉為繞圈盤旋

        繞圈盤旋轉為穩定滯空

        降落流程

    5. 意外狀況處理對策

        忽然沒風！

實驗過程

    1. 製作遙控風箏

    2. 利用arduino連接接收器，記錄遙控器控制訊號

    3. 利用可變電阻+arduino製作球座標角度感測計

    4. 利用arduino連接風速計，記錄風速變化

    5. 利用Xxx通訊模組，讓空中與地面數據取樣時間同步

（為什麼不直接量發射器的發射訊號就好了？可以事前做量測發射器與接收機之間的誤差分析啊！）

實驗結果

    1. 遙控風箏試飛結果

    2. 手動控制數據分析

        尾翼角度變化

        副翼角度變化

    3. 球座標角度感測器數據分析

        飛行路徑

        飛行速度

    4. 副翼角度、風速與飛行路徑的關係

專題研究 RC kite-1 風箏製作筆記

與其說是風箏，不如說是綁著風箏線的遙控滑翔機。

材料

設計圖

CATIA 3D cad

機翼製作

1. 版型裁切好後，開始大量生產

2. 切好後插入骨架，前緣厚緣對齊，翼弧度打磨平整。

3. 假組裝，之後先黏木條到蒙皮用的珍珠板上，再黏上肋片和碳纖棒。

4. 骨架與下緣固定後，前緣用筆劃出摺痕
（特別推薦flyer的觸控筆，很傷螢幕但很好壓痕）

 

5. 順一下弧度

6. 骨架上膠後，整面壓下，讓珍珠板順著骨架彎出弧度，並用haliday壓著固定等膠乾。

7. 因為我是用兩片珍珠板所以先黏好一半，注意機翼左右不要扭曲。

8. 主翼完成

尾翼製作

    為了讓整面尾翼轉動，尾部以一根碳纖轉軸貫穿尾翼，這根轉軸順便當成中心骨架。

1. 至於這根轉軸如何跟機身固定？我是用遙控直升機的尾部小螺旋槳零件改裝來固定的。

2. 尾翼的蒙皮珍珠板。

3. 支撐轉軸的軸承合板，特別長的是做為伺服機的曲柄。

4. 尾翼包覆後，黏接軸承片。

5. 左右黏上雙尾翼（這台風箏沒有設計垂直舵面）

6. 用尾翼的轉軸連接尾翼與機身。

機艙製作

1. 設計圖&代切割的航空合板。

2. 切割打磨後的機身零件。

3. 先將底板用AB膠和束帶與機身固定。

4. 用書支撐兩邊，組合機艙。

5. 電子零件測試：發射器、接收機、BEC、servos.....

6. 牽線、整理。

整體組裝

1. 主翼使用兩根碳纖插蕭與機艙固定。

親愛的，妳多重?

2. 起飛重量：600公克

(復古彈簧秤，沒有買電子秤真是天大的敗筆)

小姐妳好重喔，飛得上去嗎?

我等等用學長的code幫妳模擬一下飛行軌跡好了......

3. 最後的調教，重心位置的關係，主翼不得不往後......

結果太後面了..........

風箏題線安裝

1. 去訂做的，蘋果的東西不便宜....

2. 採用四條提線，希望左右兩條現的張力能讓主翼不要過度扭曲斷裂

MATLAB質點模擬

    1. RC kite-1 Simulation Parameter :

        

Parameter	Value	Note
Standard Atmosphere & Earth Parameter
Gravity	9.81 [m/s**2]	Sea level
Air Density	1.225 [kg/m**3]	Sea level
RC kite-1 Plane Design & Assume
Lift coefficient	1
Wing area	0.468 [m**2]	0.21*1.8 + 0.6*0.15 = 0.468
Weight	0.6 [kg]
Lift-drag ratio	14
Custom Set
Bank angle	-0.3 [rad]	Control by aileron
Wire length	30 [m]	Temporary variable parameter
Velocity of wind	10 [m/s]	5級風

     2. Simulation Result :

處女航 

2014/02/06 新莊飛行場 下午

    今天第一次試飛的問題是：無法順利起飛。可能原因：

1. 風速不夠快。可是我沒有風速計來量測今天風多快。先買一台便宜的來用好了。

2. 翼面荷重太大。在地面風速太小無法飛，可是不知道這樣的翼荷重到了高空風速更快是否能靜止飛行於空中。所以事前最基本的起飛重量還是要算一下，起碼把每台風箏的翼面荷重算一下好了(最偷懶最快的方法)。而今天的結果也讓我開始懷疑一些paper他們的飛機是如何起飛的，他們是直接用碳纖維遙控滑翔機來飛，可是那麼重....

3. 起飛姿態不穩定。當拉著風箏線助跑起飛時，機鼻很容易偏掉，就飛歪失速掉下來。因為風箏垂直的姿態時，風向方向並無法使尾翼發揮自然穩定的功能，也難怪Makani的尾翼做那麼高，這樣才可以兼具起飛與垂直盤旋的縱向&橫向穩定。而且風箏提線位置與重心位置也很重要。充氣風箏 (TwingTec & Kiteplane) 重心都在提線後方，起飛容易且穩定；不過其他剛體風箏的重心位置應該位於空氣動力中心 (Aerodynamics Center)的附近，題線位置也跟這兩點接近，可以增加在盤旋時的縱向穩定，但起飛會更加困難，應該參考：How to Launch and Retrieve a Tethered Aircraft

可能解決方式，要分為兩條路同時進行：

1. 買一台空機綁線施放，可以了解起飛穩定性的問題；

    如果順利起飛，更可以了解垂直盤旋穩定性的問題。

    用這些結果略估起飛的最大重量止能到多重才能起飛。

2. 重新設計製作遙控風箏，需要改進&改變的設計：

• 採用雙機身結構，添加45度支架，增加整體剛性
• 雙尾翼可以使風箏垂直站力於地面，方便起飛
• 將尾翼高度提高，增加起飛時的安定性
• 翼面荷重減小，整台飛機還要更輕
• 主翼結構重新設計，珍珠板蒙皮太脆易裂，除非別摔機
• 主翼快拆重新設計，要拆到我騎腳踏車也能攜帶

試飛心得：

無法起飛讓我更快看到問題所在；

摔機更快想出解決問題的可能方法。

失敗為成功之母，共勉之~