UNA3_TB30 羽ばたき解析 その２

先日の飛行会で撮影した動画からコマ取りして、羽ばたきについて調べてみました。


エレベーターをフラットにするため重心位置を後ろに下げた「前縁46mm(MAC:28%)から前縁70mm(MAC:47%)に」飛行と、翼開長延長のため風切り羽を装着した飛行を行っています。
UNA3_TB30 スペックデータ
　翼開長：800mm
　翼面積：10.4dm2
　体重：34.0g
　翼面荷重：3.3g/dm2
　重心位置：前縁70mm(MAC:47%)
翼開長延長UNA3_TB30 スペックデータ
　翼開長：1000mm
　翼面積：12.1dm2
　体重：36.0g
　翼面荷重：3.0g/dm2
　重心位置：前縁70mm(MAC:47%)
UNA3_TB30(エレベーターフラット)水平飛行

羽ばたき周波数：3.0Hz
羽ばたき下げ時間比率：50%
モーターの回転数：24300r.p.m

前回の飛行では3.3Hz。
重心が下がって尾翼のマイナス揚力がなくなった分、羽ばたき周波数は小さくなっているようです。
羽ばたき下げ(フレームNo04)と、上げ(フレームNo07)を比較してみます。

主要強度部材(カーボン変え穂先)は翼の前縁にあるので、羽ばたき下げ時には捻り下げ、上げ時には捻り上げの力がかかる。その為、翼端部分はかなり捻り下げ、捻り上げ状態になっている。これが、推力を生み出していると思われる。
鳥もこれと同じ動きをしている。その他に、羽ばたき上げ時の折りたたみ、羽ばたき時のT方向移動(下げ時に前進角、上げ時後退角)などの羽ばたきをしている。これらが羽ばたき効率を上げているし、何より鳥らしく羽ばたくことになっていくと考えています。




UNA3_TB30主翼ルート後縁フリー

羽ばたき周波数：3.2Hz
羽ばたき下げ時間比率：50%
モーターの回転数：25500r.p.m

エントリー最初の画像は、この羽ばたきの３フレーム目で羽ばたき下げて前進角が一番大きくなっているところです。羽ばたき上げ時は、主翼後縁ルート部分と胴体が干渉して後退させることができていません。しかも、羽ばたき下げ時に前進角になっているのは好ましいのですが、後縁が跳ね上がって揚力を失っているのはマイナスに思えます。
UNA3_TB30翼開長1000mm

羽ばたき周波数：2.7Hz
羽ばたき下げ時間比率：64%
モーターの回転数：22000r.p.m

翼開長が25%長くなっている分、羽ばたき周波数は小さくなっているようです。
羽ばたき上げ時間が小さくなっているので、羽ばたき効率も良くなっていると思われます。
風切り羽の素材は0.5mmスチレンペーパーを使っている。その剛性が主翼素材(60倍EPP3mm)より小さいのが効いていると考えています。
飛行パワー
水平飛行時のパワーがリアルタイムで測定すれば可能です。しかし、テレメトリーとかEmeter2のRDUがないので測定できません。
しかし、フルパワーでのモーターベンチテストはできるので、そこから上昇飛行時の飛行パワーは計算できることになります。(正確性は疑問ですが、水平飛行時のスロットル位置を覚えておいて、そのスロットル位置でベンチテストすれば水平飛行パワーも推測できます)
フルスロットル時の羽ばたき周波数もコマ取りしました。この後、ベンチテスト結果から上昇飛行時の飛行パワーを計算していきます。結果がでたら別エントリーにアップするつもりです。
UNA3_TB30 フルスロットル飛行

羽ばたき周波数：3.8Hz
羽ばたき下げ時間比率：50%
モーターの回転数：30400r.p.m









UNA3_TB30翼開長1000mm フルスロットル飛行

羽ばたき周波数：3.3Hz
羽ばたき下げ時間比率：67%
モーターの回転数：27000r.p.m

羽ばたき用モーターユニット解析 その4

栗田さんにベンチテストしてもらった。
小型モーター(AP02-7000kv、AP03-4000kv、AP03-7000kv、hexTronik 2g 7700kv)
羽ばたきモーターユニットに使う場合を考えてみました。


静止推力装置での計測結果ではうまく計算できないので、Emeter IIと私の計測したEmeter 1の結果を解析しました。
モーターのトルクと回転数は１次関数の関係にあるので、この２点を結んで、最大パワーとその回転数を求めました。
AP02-7000kv
　最大パワー：0.7w
　回転数：7000r.p.m
AP03-4000kv
　最大パワー：1.0w
　回転数：7500r.p.m
AP03-7000kv
　最大パワー：1.4w
　回転数：11000r.p.m
hexTronik 2g 7700kv
　最大パワー：1.2w
　回転数：16500r.p.m
UNA3_TB30 と同じ空力特性だと仮定した場合のこれらのパワーで飛行できる重量での羽ばたき周波数と、その時のギヤー比を求めた。
AP02-7000kv
　体重：42g
　羽ばたき周波数：3.7Hz
　ギヤー比：32
AP03-4000kv
　体重：54g
　羽ばたき周波数：4.2Hz
　ギヤー比：30
AP03-7000kv
　体重：67g
　羽ばたき周波数：4.6Hz
　ギヤー比：40
hexTronik 2g 7700kv
　このモーターはUNA3-TB30に搭載されているモーターです。
　体重：60g
　羽ばたき周波数：4.4Hz
　ギヤー比：63

羽ばたき用モーターユニット解析 その3

小型モーターの１セルベンチテスト結果から羽ばたきモーターユニットに使う場合を考えてみました。


トルク測定されているプロペラ(GWS5030,GWS6030)でのベンチテスト結果から、トルクと回転数の２点が解る。モーターのトルクと回転数は１次関数の関係にあるので、この２点を結んで、最大パワーとその回転数が求められる。
AP05 3000kv
　最大パワー：1.8w
　回転数：5800r.p.m
EM-1304 2250kv
　最大パワー：1.48w
　回転数：4500r.p.m
HXM1400-2000
　最大パワー：1.7w
　回転数：5000r.p.m
次にUNA3_TB30 と同じ空力特性だと仮定した場合のこれらのパワーで飛行できる重量での羽ばたき周波数と、その時のギヤー比を求めた。
AP05 3000kv
　体重：80g
　羽ばたき周波数：5.1Hz
　ギヤー比：19
EM-1304 2250kv
　体重：70g
　羽ばたき周波数：4.7Hz
　ギヤー比：16
HXM1400-2000
　体重：77g
　羽ばたき周波数：5.0Hz
　ギヤー比：17
ギヤーユニット(モジュール変更or厚いものに変更)や、翼補強による重量増加しても重量的には余裕が持てそうです。

ガル羽ばたき 解析

昨年の暮れ見学したHiroさん試作二号機を解析してみました。


試作二号機 スペック
　翼開長：1363mm
　翼面積：27.6dm2
　体重：166g
　翼面荷重：6.0g/dm2
　水平尾翼面積：3.4dm2
　テールモーメントアーム：249mm
　重心位置：前縁から100mm
まず、後方限界重心位置を計算してみると、MAC27.6%(前縁から55.8mm)。
計算上この重心位置だと安定が負となってしまう。私の計算はテールモーメントアームの長い、グライダーで長年使った実績のある式です。しかし、今回は主翼のすぐ後ろにアスペクト比が小さい尾翼があり、しかも羽ばたき飛行している。尾翼面積を写真から求めて正確性に欠けるが、差が大きすぎる。そういえば、としちゃんTB30では、ずいぶん大きく重心を動かしていたので、羽ばたきにはこの式が使えない可能性があります。
羽ばたき周波数
エルロン連動ありとなしを横からと後ろからの計４ケースのコマ取りしてみました。
エルロン連動あり
横

羽ばたき周波数：2.7Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.63
モーターの回転数：11876r.p.m










後ろ

羽ばたき周波数：3.0Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.7
モーターの回転数：13064r.p.m









エルロン連動なし
横

羽ばたき周波数：3.0Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.7
モーターの回転数：13064r.p.m









後ろ

羽ばたき周波数：3.3Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.78
モーターの回転数：14515r.p.m









1回目飛行が連動ありで２回目飛行が連動なしで、その間にバッテリー交換をしたのと、
後ろショットはランチ直後なので、羽ばたき周波数の幅(2.7〜3.3Hz)が出ていると思われる。
ガル運動のリンク比を工夫して、羽ばたき上げる時にガルになるようにしている。
このことが、羽ばたき効率を上げ、羽ばたき上げ時間を短縮している（羽ばたき下げ時間比率が大きくなっている）と思われる。
エルロンの連動とは、羽ばたき下げる時に両翼端を捻り下げ、羽ばたき上げる時に捻り上げる動作を入れていることです。
しかし、後ろショットの３番目を見ても、あまり大きく違いが認められないので、もっと捻り動作を大きくしないと、効果がでないと思われる。
飛行時、モーターの軸出力は６wぐらいは出ていると想像できる。
しかし、モーター(enPower1804-2700)のベンチテストデータがないので、飛行時の回転数でこのモーターの効率が良いかどうかは判断できません。

羽ばたき用モーターユニット解析 その２

まず、UNA3_TB30に搭載しているモーター(hexTronikD1000)のベンチテスト結果を詳しく見てみます。


定常飛行している羽ばたき周波数(3.3Hz)から求めたモーター回転数(27000)はオーバー回転状態のことが確認できる。ただし、モーター効率としては良いので、パワー的に問題ないのなら、このギヤー比でも悪くないかもしれない。
最大パワー回転数(16500rpm)は意外と大きいことがわかりました。
羽ばたき性能の比較

UNA3_TB30の軸出力パワーが約0.5wと非常に小さい。
Bird1.5と比較してみると性能の違いが見えてきます。
同じ空力特性とは、翼平面形が同じで、羽ばたき方も同じと言う事。
UNA3_TB30とBird1.5はまったく違うので、そのまま比べるのは無理がありますが、UNA3_TB30はBird1.5の半分ぐらいのパワーで飛行できそうです。
モーター(hexTronikD1000)はパワーに余裕があり、50gぐらいまでは飛行できそうです。もっとも、モジュール0.3mmのギヤーユニットが強度的に厳しいかもしれません。
まだ、比較サンプル数が少なすぎて、把握できる域には至っていない。
今後、サンプルデーターを増やしていくつもりです。

羽ばたき用モーターユニット解析 その１

羽ばたきモーターユニットを考える場合、軸出力パワーが明確になっていないと検討できない。
以前、ベンチテスト計測装置にはトルクが測定できるようにしていた。

当時のプロペラ性能（回転数、静止推力、トルク）をまとめていたものが残っていた。

当時の計測装置は大きなトルクが計測できなかったので、使えそうなデータはGWS5030、GWS6030でした。
このプロペラを使った小型モーターのベンチテスト結果をまとめてみました。

残念ながら、１セルでのテストは１ケースしかありません。しかも、UNA3_TB30のモーターテストもなく比較検討ができません。
しかし、Bird1.5のパワーが推測できるデータがありました。
今後、UNA3_TB30のパワーが推測できるように、１セルのベンチテストをしていくつもりです。

ガル羽ばたき 見学

スマートバードに触発されて、ガル翼動作の羽ばたき機を独学で完成させたあのHiroさんに会ってきました。


リブ、ギヤー、ギヤーボックス、ジグ全て、CAD+ＮＣフライスを使った工作。普通の人ではとてもまね出来ない精度で製作されています。
開発期間は約半年。試作品の数の多さにもビックリ。数回失敗したぐらいでは全くめげない精神力の強さと製作の早さには驚きとともに、私も見習わなければならないなと感じました。
飛行しているのは試作二号機です。

イメージの共有
私もHiroさんも、「鳥フライングモデルを作りたい」と言うことです。
現時点での私たちの知識経験はまだ不足している。
定期的に情報交換して鳥の羽ばたきに関するイメージを共有して鳥に近づけていく長い道のりを歩いていくことでイメージは一致しました。
Hiroさんから試作二号機のスペックが届いたら、動画のコマ取りでの羽ばたき解析を別エントリーでアップします。

TB30 羽ばたき解析

ＩＡＣ－ＡＳＯ飛 行会で撮影した動画からコマ取りして、羽ばたき周波数を調べてみました。

ふしみさんTB30
スペックデータ
　翼開長：900mm
　翼面積：8.2dm2
　体重：30.5g
　翼面荷重：3.7g/dm2
動画では、としちゃんの主翼を使用しています。スペックデータはTB30-F2S　ふしみ２号機　ストレート翼です
羽ばたき周波数：1.9Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.75
モーターの回転数：15188r.p.m

としちゃんTB30
羽ばたき周波数：2.0Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.73
モーターの回転数：16200r.p.m

UNA3_TB30
スペックデータ
　翼開長：800mm
　翼面積：10.4dm2
　体重：34.0g
　翼面荷重：3.3g/dm2
羽ばたき周波数：3.3Hz
羽ばたき下げ時間比率：0.66
モーターの回転数：27000r.p.m

軽量ギヤーユニット作成

軽量羽ばたきギヤーユニットの為のギヤーユニットを作成しました。


先日入手したメインギヤー歯数は136、8歯ピニオンギヤーで減速すると、17:1となる。このギヤー比なら、以前使っていた遊星ギヤー付きモーターを再利用できるかも。
という事で、AstroFireflyのモーター部分を分解し、そこに先日入手したOneDimeモーターを装着しました。

かもめ 開発スタート

現在、羽ばたき効率を上げるためのギヤーボックス作成中。尾羽のテストは始められない状態でした。ここで、救世主登場。
栗田さんが尾羽のテストを引き受けてくれたのです。


尾羽のテストは、鳥型グライダーで行うのですが、ベースとなる鳥を選ばなければなりません。
先人達を見ると、色々やって結局透明な垂直尾翼を付けたり、Ｖ尾翼にしたり、とうまくいってないようです。
少数の成功者には、横操舵にドラッグを使ったパターンか、後退角無尾翼方式にしているようです。
ドラッグを使いこなすのは難しいので、後退角に注目しました。
鳥は通常飛行している時は、尾羽を傾けて横操舵をしています。しかし、高速クルージング飛行をしている時、翼の先端（第一風切り羽）を後に傾け、尾羽をたたみ、後退角無尾翼のように飛んでいる時があります。
この飛び方をするのは、「かもめ」と「ハヤブサ」です。
栗田さんが見つけてきたPlanは、かもめで後退角を大きめにデフォルメしたものです。
しかし、このプランには、「Tiplets」(翼端板）が付いていました。
何とか、翼端板なしでいけないか、小型模型を作ってテストしてみました。
指定の重心位置がどうかをＭＡＣ（空力平均翼弦）計算して、何％に設定しているか調べてみました。
すると、MACの12%。無尾翼としても、前気味の設定です。ＲＣでリッジソアリングする人で前気味の重心位置を好む人がいますが、尾翼を有効に使わないこの設定には別な理由があると思われます。
ここからは私の想像ですが、当初かもめと同じ後退角にしてテストしたのですが、垂直尾翼なしでは、飛行が安定しない。そこで、かもめの肩の関節を後に回すかたちで後退角をつけていったのではないでしょうか。すると、後退角を大きくすると、重心位置も後にずらさないと適正ピッチ安定にはなりません。しかし、重心を後にずらすと、胴体の垂直面積が前面の方が大きくなり横不安定になります。垂直尾翼がなくても横安定を取りたくて、翼を後退させたのに目的が達成できません。色々試行錯誤した結果が「MAC12%+Tiplets」なのではないでしょうか。
小型模型は、翼のみプランどおり重心位置の無尾翼飛行実験とかもめ飛行実験を行い。
次に、MAC23%重心位置での無尾翼飛行実験と翼を前へずらしたかもめ飛行実験を行いました。
プランどおり重心位置の無尾翼飛行実験

プランどおり重心位置のかもめ飛行実験

MAC23%重心位置での無尾翼飛行実験

MAC23%重心位置で翼を前へずらしたかもめ飛行実験

翼と胴体の位置がわかるように、プランの上に胴体の型紙をずらした位置に置いています。

Bird 動くおもちゃ その３

風切羽を装備しました。


初列風切羽、次列風切羽、三列風切羽をそれぞれ１枚づつ装備しました。
猛禽類の風切羽は
初列風切羽：１０枚ぐらい
次列風切羽：１０枚ぐらい
三列風切羽：５枚ぐらい
です。
今回は１つ１つの風切羽が大きいので、少ししか折りたたむことが出来ません。
しかし、これだけ折りたためれば
・羽ばたき中の翼折りたたみによる羽ばたき効率アップの有無
・片方のみ折りたたむことによる、ロールコントロールの有効性
は確認できます。

Bird 動くおもちゃ その２

各関節にはボールベアリングを装着、ひじ部分にスプリングとサーボを装備しました。


飛行中に翼を左右別々に少し折りたたみエルロンと同じ機能を
着陸後、同じサーボを大きく動かして翼を折りたたみできる。
動くおもちゃを作ってみました。

ねじりコイルばね ゲット

ソテック（スプリングメーカー）からBird用の羽折りたたみ用スプリングを入手しました。

翼膜 素材

日曜大工店で伸縮性素材(ゴム)を入手しました。
鳥手羽は、翼膜という非常に伸縮性のある皮膚で覆われています。この伸縮があるので羽をたたんだり広げたりしてもしわがよらないのです。
今回入手した素材で目的が達成できるか、まず手で触って、感触を確かめていきます。

動くおもちゃ

新しい機構や構造を考える時、「動くおもちゃ」を作ります。
実際に手で触れて動かしてみると、イメージを膨らませることができるのです。

写真はBirdの新しい翼を、考える為に作成したものです。
上は、Bird01と同じ翼で、翼端（風切羽）部分を動作させるもの、
下は、折りたたみできる翼です。
実現性では言うまでもなく上です。
しかし、鳥模型を目指すのに、折りたたみ翼は避けて通れません。
しばらく、折りたたみ構造で粘ってみるつもりです。

羽ばたき 解析

飛行会で撮影したBird01と、多摩動物公園で撮影した鳥との羽ばたきを比べてみました。


Bird01、鳩、クロトキを210fpsのハイスピード動画で撮影し、その動画から羽ばたき１回分の静止画を取り出してみました。Bird01の羽ばたきが鳥の離陸時に印象が近いので、鳥は離陸シーンを撮影しています。
また、静止画は離陸直後ではなく、２～３回羽ばたいた後をサンプルしました。
Bird01






鳩






クロトキ









まず、スペックデータを記します。ただし、実際撮影した鳥のデータは採れないのでwebからの参考データです。
Bird01
　翼開長：846mm
　翼面積：15.7dm2
　体重：220g
　翼面荷重：14.0g/dm2
鳩
　翼開長：668mm
　翼面積：6.2dm2
　体重：390g
　翼面荷重：62.9g/dm2
クロトキ
　翼開長：1344mm
　翼面積：26.9dm2
　体重：1500g
　翼面荷重：55.8g/dm2
静止画にタイムを記しました。29fpsで再生しているので、羽ばたき周波数が計算できます。
羽ばたき周波数(Hz)
　Bird01：8.037
　鳩：9.052
　クロトキ：4.718
羽ばたき下げ時間比率
　Bird01：0.556
　鳩：0.459
　クロトキ：0.543
羽ばたき方向
鳥もBird01も後上から前下に羽ばたいている。Birdは翼付け根のT方向(前後方向)の曲げ剛性が小さいので上下に羽ばたいているが前後に翼端は移動している。
鳥は、離陸直後は前後に羽ばたいているが徐々に上下方向に移行していくようです。
迎角
鳥もBird01も風圧で、羽ばたき下げ時は捻り下がり、上げ時には捻り上がっている。
鳥は羽ばたき上げ時、翼をたたみぎみにして羽ばたき効率を上げているようです。
Birdは捻り剛性が小さいので羽ばたき下げ時、大きく捻り下がっている。
これが、羽ばたき飛行時にダウンセッティングになっている理由のようです。
ただし、Birdは羽ばたき上げ時に翼をたたむことができないので、この大きな捻り下げがないと羽ばたき効率が落ちて飛行できなくなると思われます。
羽ばたき周波数
翼開長が大きいほど、翼面荷重が小さいほど、羽ばたき周波数は小さくなる傾向にあります。
Bird01は羽ばたき上げ時の翼たたみ機構がないので、羽ばたき効率が悪く、羽ばたき周波数は大きくなっているようです。