Projekt Concept-Octo-Copter 88

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    • Projekt Concept-Octo-Copter 88

      Hallo Zusammen!

      Ich möchte hier gerne mein Projekt des Concept-Octo-Copter 88 vorstellen. Ein Multicopter der nicht der Steuerung eines üblichen Quadrocopter entspricht und mit 8 Antriebsmotoren ausgestattet werden soll. Bisher bin ich noch in der Planungsphase und stoße dabei schon auf Probleme, die nach Lösungen verlangen.

      Zur Geschichte, ich arbeite in China in der Leuchten-Branche. Im Jahre 2007 hatten wir einen Auftrag über einfache Salzkristall Leuchten, die in Pakistan gefertigt wurden. Der Transport der Container von der Fabrik bis zum 200km entfernten Hafen, in dem die Container verschifft werden sollten, brachte uns arge Kopfschmerzen, denn der Transport dauerte ganze 5 Tage - ja genau, für 200km - das macht 40km pro Tag. Der Grund war, das es keine wirklichen Straßen gab.
      Auf Grund dieser Erfahrung kam mir eine Idee zu einem Luftfahrzeug - ich weiß, es gibt derer schon viele, doch ein Flugzeug benötigt eine Start und Landebahn. Ein Helicopter bzw. ein "Bananen-Hubschrauber" kann zwar senkrecht starten und landen, ist aber in der Ansteuerung der Rotorblätter mittels Taumelscheiben doch mechanisch sehr anfällig und wartungsintensiv. Auch benötigen Hubschrauber durch die langen Rotorblätter einen großen und freien Landeplatz. Quadrocopter können senkrecht starten und landen, haben keine mechanisch beweglichen Teile und benötigen durch die kleineren Rotoren auch weniger Platz und Sicherheitsabstände - perfekt? Nein nicht ganz, denn Quadrocopter müssen zur Bewegung in einer Richtung ihre horizontale Fluglage ändern - Güter in einem Container würden so leicht verrutschen.
      Also muss etwas her, das zwischen Helicopter und Quadrocopter liegt, mit der stabilen Fluglage und dem robusten Aufbau. Ein Quadrocopter dessen Rotoren H-förmig angeordnet sind und sich in Längsrichtung zur Flugachse verdrehen lassen um nicht das ganze Fluggerät zur Fortbewegung in der horizontalen Lage zu bewegen, sondern nur die Antriebseinheiten, die ich im Folgenden "Gondeln" benenne. Um eine erhöhte Schubleistung zu erhalten werden pro Gondel zwei Propeller eingesetzt, die sich mit (CW) und gegen (CCW) den Urzeigersinn drehen müssen damit die Propeller nicht gegenseitig zum Strömungsabriss führen. Der untere Propeller muss stets ein Druck-Propeller sein und der obere Propeller stets ein Zug-Propeller. Nach dem Quadrocopter Prinzip drehen die Hälfte der Propeller CW und die andere Hälfte CCW, so heben sich die rotierenden Drehmomente aus und das Fluggerät erhält auch ohne ausgleichenden Heckrotor eine stabile Fluglage. Die kleineren Propeller können ummantelt werden und sind so vor äußeren Beschädigungen besser geschützt.

      Ein befreundeter Konstruktions-Designer hat meiner Idee ein Gesicht gegeben. Ein Gesicht das mir von Anfang an so gut gefiel, das sich die komplette Konstruktion darauf hin aufbaut. Eines möchte ich noch erwähnen, das Projekt ist von mir nie als realisierbares Transportgerät vorgesehen, sondern lediglich eine Idee. Und doch möchte ich versuchen die Idee in ein funktionierendes Modell umzusetzen - einfach aus Spaß an der Sache., Deswegen habe ich auch letztendlich die Möglichkeit des Containertransportes außer Acht gelassen und das Design meines Freundes doch etwas vereinfacht. Hier mal ein paar Bilder dazu:

      Nachdem Edison erfolgreich einen Glühfaden hergestellt hat, soll er gesagt haben: "Ich kennen jetzt 1999 Wege wie es nicht funktioniert." :P
    • Die abgespeckte Modellversion

      Ich bin weder Ingenieur, noch Profi Flieger oder sonstiges in der Richtung, sondern einfach nur ein bekloppter Mann der sich gerne selber Probleme macht und das dann Hobby nennt --- alles andere wäre doch langweilig und schnöde - oder? Vor'm Fernseher fett und alt werden können andere machen.

      Wie schon erwähnt, gefällt mir das Design, nur eben der Container muss weg. Weiterhin war in meiner Planung den Concept-Octo-Copter - kurz COC-88 in Modulbauweise zu gestalten, bestehend aus Cockpit, Heck, zwei Antriebseinheiten und dem Mittelstück, das in verschiedenen Ausführungen zu verschiedenen Zwecken genutzt werden kann. Ob es nun als reines Transportmodul, oder mobiler OP oder einer Wasseraufbereitungsanlage in Katastrophen Gebieten eingesetzt werden soll. Die Antriebseinheiten sollen dabei identisch sein um die Ersatzteil-Logistik so einfach wie möglich zu gestalten --- Extrawürste sind unerwünscht. Einfach, knackig und trotzdem lecker...



      Als Antrieb gibt es mehrere Konzepte:
      1. Ein Mittelmotor der über ein Mittendifferential mit zwei Differentialen in den Antriebseinheiten verbunden ist. Von den Differentialen geht je eine Halbwelle zu jeder Gondel und dort zu einem Getriebe das die Antriebsbewegung auf den Schub- und Zug-Propeller überträgt. Benötigte Drehzahländerungen oder Schubveränderungen pro Gondel werden in den Antriebssträngen mit Wirbelstrombremsen bewerkstelligt. Somit sollte sich der COC-88 ähnlich einem Quadrocopter Mithilfe von einer Giro-Einheit stabil in der Luft halten.
      Nachteil dieser Antriebsversion, viele Wellen und Lagerungen, die auf den Wirkungsgrad drücken. Spricht gegen die Idee des modularen Aufbau. Wird wartungsintensiv sein und gefährlich - wenn der Motor ausfällt war's das mit in der Luft bleiben.
      2. Pro Antriebseinheit ein Motor, der Rest wie beim Vorgängermodell. Entspricht dem modularen Aufbau, ist aber immer noch nicht flugsicher.
      3. Möglichkeit, ein Motor pro Gondel. Vereinfacht die Sache ungemein, denn jetzt können Schubunterschiede der Gondeln elektronisch ausgeglichen werden. Die Ersatzteilversorgung wird wieder vereinfacht, denn eine Gondel plus Motor passt an jeden der 4 Punkte. Bei der Flugsicherheit sieht es immer noch nicht so gut aus, aber wenn eine Gondel ausfällt ist es durch Schubreduzierung der diagonal gegenüberliegenden Gondel und Schubangleichung der anderen beiden Gondeln möglich den Copter Notzulanden.

      Die finale Lösung für das Modell besteht in dem Einsatz von zwei Motoren pro Gondel, sprich jeder Propeller wird durch einen Motor angetrieben. Die komplette Mechanik wie auch das Getriebe in der Gondel entfallen. Fällt nun ein Motor aus, kann der verbleibende Motor der Gondel je nach Belastung immer noch einen stabilen Weiterflug bedeutet.

      Und nun beginnen die Probleme!

      Auf dem Markt gibt es zig BL Außenläufer die im Quadrocopter Bereich Verwendung finden. Doch kann ich mit den kleineren Motoren bis 40mm Durchmesser das Design der Gondeln nicht verwirklichen. Warum? Weil alle Motoren bis dahin mehr als 20mm Statorlänge und mehr als eine Gesamtlänge von 40mm haben. Zwei Motoren mit Propelleraufnahme machen dann schon eine Gesamthöhe von über 100mm oder mehr aus. Die Ummantelung der Propeller muss mindestens nochmal 20% mehr ausmachen, wo ich bei einem geschminkten Verhältnis Durchmesser zu Höhe bei 2:1 wäre - das passt nicht.

      Die erste und kleinste Baugröße an BL Außenläufern wäre 5010 betrieben mit einem 15 Zoll Propeller. Die Konstruktionsumsetzung zeigt einen Mantel, der 15cm hoch und 42cm im Durchmesser ist, die Proportion passt. Gestalte ich dann im Verhältnis des Design den kompletten Copter, so wird das Biest 2,5m lang und 1,4m breit - jetzt weiß ich zumindest warum ich die Idee zur modularen Bauweise hatte.

      Hier mal ein paar Impressionen der Konstruktion. Die Zeichnungen sind mit dem 3D Zeichenprogramm SketchUp gemacht, das übrigens eine Free-Download Software ist.

      Nachdem Edison erfolgreich einen Glühfaden hergestellt hat, soll er gesagt haben: "Ich kennen jetzt 1999 Wege wie es nicht funktioniert." :P

      Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von Lifthrasir ()

    • hi

      Das ganze klingt sehr Spannend, sowohl die Version für den Transport
      als auch die "ABGESPECKTE VERSION".

      Ich nehme das mal ins Abbo und bleibe dabei! :)
      GRUß DIETER

      HALT! Nicht wegwerfen, Ich kann das noch brauchen! :)

      Aerodynamik ist für Leute, die keine Motoren bauen können. - Zitat von ENZO FERRARI

      Ein Leben ohne Modellbau ist möglich, aber nicht sinnvoll!
    • Schaue ich in den Tabellen der Hersteller nach, so hat eine Kombination BL Außenläufer 5010 mit Prop 1555 etwa 1000g Schub bei 50% - das wird zu wenig, denn ich will ja auch die Flugsicherheit verwirklichen. Das bedeutet wenn ich die Motoren durch ein konstruktives Abfluggewicht schon mit mehr als 50% Trust belaste, so könnte bei einem Ausfall eines Motors der verbleibende Motor nicht die nötige Schubleistung bei Volllast erzeugen die benötigt würde.

      Da die Gondeln beweglich sein müssen und der bewegliche Aufhängung auch noch die tragende Hauptrolle in dem Abenteuer zugedacht ist, muss ich Kugellager einsetzen. Im Außendurchmesser der Aufnahme hatte ich ein Lager 6820-2RS (d=100mm D=125mm B=13mm) vorgesehen, das alleine schon ein Gewicht von knapp 300g hat.



      Hier stockt es im Moment, denn zuerst muss ich das Problem der Schubleistung zur Größe lösen...

      ...das führt zu einem anderen Problem, wie kann ich den Wirkungsgrad und die Effizeinz eines BL Motor erhöhen? Denn klar ist, das die Serien Motoren aus der Masse optimiert oder besser gesagt getunt werden können - nur wie?

      Ich bin kein Fachmann, alles was ich bisher weiß musste ich mir mühsam zusammen suchen und erarbeiten. Ich habe mir auch schon ein paar Bücher gekauft, doch bisher keine zufriedenstellenden Antworten auf meine Fragen bekommen. Auch Anmeldungen in speziellen Foren für Quadrocopter brachten leider keine Ergebnisse. Das Tuning wäre wohl ein gesondertes Thema für den Bereich "Antriebe"?
      Nur zum Hinweis, mache ich mir Gedanken über den Magnet-Füllfaktor in der Glocke, eventuell eine Magnetanordnung im Halbach Array. Wie kann ich das Rastmoment verringern oder gar komplett eliminieren ohne auf das Eisen im Motor zu verzichten? Um welchen Faktor erhöht sich die Leistung wenn ich anstatt von N35 Magneten N52 nutze? Bringt es etwas versilberten Kupferdraht als Wickeldraht zu nehmen- Stichwort Skin-Effekt von Leitern? Lohnt es sich anstatt normaler Stahl-Kugellager auf wesentlich teurere Keramik-Kugellager zu wechseln?

      Da ich bisher keine Antworten auf diese Fragen habe, beginne ich damit selber danach zu suchen. Ich bin dabei mir einen Leistungsprüfstand zu bauen - hadere noch damit ob ich tiefer in die Tasche greife und mir auch gleich ein Oszilloskop anschaffe? Wenn ich Motoren selber baue, brauche ich ein paar CNC gefräste Aluteile, speziell das Lagerschild. Das Problem ist, das ich mit SketchUp (ich habe schon die Pro Version) keine Step-Dateien ausgeben kann, also muss ich mich erst in den Gebrauch von CAD Software einarbeiten, zum Glück gibt es brauchbare Free Download Software wie FreeCAD, die nach meinen Informationen auch in der Lage sind über .stl Dateien mit anderen Programmen zu kommunizieren.
      Und zuerst kommt CNY, da ist sowieso jede Zeit für das bekloppte Hobby-Rätseln gestrichen...

      Wenn jemand Anregungen hat, wäre ich dankbar. In diesem Sinne wünsche ich Euch eine schöne Zeit!
      Nachdem Edison erfolgreich einen Glühfaden hergestellt hat, soll er gesagt haben: "Ich kennen jetzt 1999 Wege wie es nicht funktioniert." :P
    • Lifthrasir schrieb:

      Ich bin weder Ingenieur, noch Profi Flieger oder sonstiges in der Richtung, sondern einfach nur ein bekloppter Mann der sich gerne selber Probleme macht und das dann Hobby nennt --- alles andere wäre doch langweilig und schnöde - oder? Vor'm Fernseher fett und alt werden können andere machen.
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      Dankeschön für diesen schönen Lachanfall! Habe ja schon Deine Vorstellung im Forum mit größtem Interesse verschlungen, jetzt wird`s auch hier interessant! Da bleibe ich dran....

      Gruß, Peter