Entwicklung und Bau eines Cyclocopters, mit Analyse des Ground-Effects.

 

Physik  |  Technik

 

Caeden Lenny Springer, 2004 | Wolfhausen, ZH

 

In dieser Arbeit wurde ein Cyclorotor mit überwiegend 3D-gedruckten Komponenten entwickelt und optimiert. Ein Cyclocopter ist eine spezielle Form eines auftriebserzeugenden Fluggeräts, bei dem im Gegensatz zu herkömmlichen Propellern die Flügel nicht senkrecht, sondern parallel zur Rotationsachse angeordnet sind. Der entwickelte Cyclorotor wurde verbessert, bis schließlich ein Fluggerät mit vier Rotoren realisiert werden konnte. Dieser Cyclocopter wurde mit einem Flugregler auf Basis eines Teensy 4.1 ausgestattet, und ein PID-Regelkreis wurde entsprechend abgestimmt. Zudem wurde eine Teststation entwickelt, um verschiedene Cyclorotoren miteinander zu vergleichen und den Einfluss des Ground-Effects auf den Auftrieb und die Effizienz zu untersuchen.

Fragestellung

Lässt sich ein flugfähiger Cyclocopter mit einfachen Produktionsmethoden realisieren, und welchen Einfluss hat der Bodeneffekt auf den Auftrieb und die Effizienz der eingesetzten Cyclorotoren?

Methodik

Der entwickelte Cyclorotor besteht überwiegend aus 3D-gedruckten Komponenten, die mit einem Bambulab P1P gefertigt wurden. Einige kleinere Bauteile, insbesondere solche, die höheren mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wurden aus Aluminium mit einer CNC-Fräse hergestellt. Zur quantitativen Analyse und zum Vergleich verschiedener Cyclorotor-Konfigurationen wurde eine Teststation entwickelt, die auf einem Arduino und einer selbst entwickelten Leiterplatine basiert. Sie ermöglicht die Messung von Auftrieb, Spannung, Strom und der Drehfrequenz des Rotors; zudem kann sie einen Motor und einen Servomotor ansteuern. Für die Tests mit dem Ground-Effect wurde der Cyclorotor auf unterschiedlichen Höhen über dem Boden betrieben und dabei über den gesamten Frequenzbereich hinweg gesteuert, während Messwerte aufgenommen wurden.
Als ein Rotor ausreichend Auftrieb produzierte, um ein Flugobjekt zu tragen, reichten minimale Anpassungen, um daraus einen Cyclocopter zu entwickeln.
Die Basis des Flugreglers besteht aus einem Teensy 4.1 Microcontrollerauf dem eine angepasste Version des Dhrem Flight-Codes von Nicholas Rhem läuft.
Das Tunen des PID-Loops des Cyclocopters erfolgte, als der Copter von oben und unten mit einer Schnur fixiert wurde. Dies ermöglichte ein Tunen ohne den Copter zu beschädigen.
Zu Beginn wurden die Flügel aus Schaumstoff gefertigt, später wurde mit der Fertigung von 3D-gedruckten Flügeln experimentiert. Diese Flügel, mit einer inneren Struktur wurden in Vase-Mode mit LW-PLA gedruckt und danach mit einer Schicht Glasfaser verstärkt.

Ergebnisse

Der entwickelte Cyclorotor erreichte einen maximalen Auftrieb von ca. 8 N. Dies entspricht einem Auftriebs-Gewichts-Verhältnis von nahezu 4. Zudem hat der Cyclorotor eine Effizienz, die mit der eines Propellers vergleichbar ist.
Der Cyclocopter konnte erfolgreich abheben und einen Schwebeflug von etwa einer Minute erreichen. Der Flugverlauf war jedoch instabil, was auf die schwierige Abstimmung des PID-Regelkreises zurückzuführen ist.
Die Experimente zur Untersuchung des Ground-Effects zeigten über unterschiedliche Distanzen zum Boden keine signifikanten Veränderungen beim Auftrieb oder in der Effizienz des Cyclorotors.

Diskussion

Das Verhältnis von Auftrieb- zur Schwerkraft eines Cyclorotors, von ca. 4 ist im Verhältnis zu anderen Cyclorotoren sehr hoch, etwa beim Cyclorotor vonCycloTech, wurde nur ein Verhältnis von 2.5 erreicht.
Die schlechte Abstimmung des PID-Loops kann darauf zurückgeführt werden, dass Cyclorotoren ihre Drehfrequenz im Vergleich zu Propellern nur sehr langsam verändern können und somit auch den Auftrieb nur träge anpassen.
Die Untersuchung des Bodeneffekts lieferte hingegen nur begrenzte Erkenntnisse. Um genauere Aussagen über die aerodynamischen Wechselwirkungen in Bodennähe treffen zu können, wären weiterführende Untersuchungen, etwa durch Strömungsvisualisierung, erforderlich. Dennoch lässt sich auf Basis der vorliegenden Daten festhalten, dass der Bodeneffekt bei Cyclorotoren deutlich geringer ausfällt als bei herkömmlichen Propellern oder Flugzeugen.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Entwicklung eines flugfähigen Cyclocopters mit einfachen Produktionsmethoden möglich ist. Die überwiegend 3D-gedruckte Herangehensweise bietet zudem Potenzial für kostengünstige und schnelle Iterationen.
Die Untersuchungen vom Ground-Effect waren zwar etwas ernüchtern, zeigen jedoch, dass es in diesem Feld noch nicht vollständig verstandene Phänomene gibt.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Dr. Adrian Koller

Herr Springer eröffnet mit seinem Projekt zum Cyclocopter neue Perspektiven auf innovative Antriebstechnologien in der Luftfahrt. Mit grosser Sorgfalt hat er ein funktionales Modell entwickelt und die zugrunde liegenden aerodynamischen und mechanischen Prinzipien fundiert dokumentiert. Besonders hervorzuheben ist die systematische Erhebung experimenteller Daten zu Auftrieb und Bodeneffekt. Die Arbeit vereint analytische, konstruktive und kreative Leistung mit Innovationskraft.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis «I-FEST²» gestiftet von der SJf-Trägerschaft

 

 

 

Kunst und Sport Gymnasium Rämibühl, Zürich
Lehrerin: Dr. Axelle Krayenbühl-Tapponnier