Avión RC de ala fija de elevación pesada DIY: 11 pasos (con imágenes)

2023 Autor: Alyssa Boolman | [email protected]. Última modificación: 2023-11-26 21:02

Para maximizar la capacidad de carga útil de la aeronave, se requiere un diseño de aeronave muy minimalista al tiempo que se minimiza la resistencia parásita. También se utilizan ciertos dispositivos de gran sustentación para aumentar la cantidad de sustentación que puede producir el ala.

El diseño de la aeronave presenta un fuselaje que consta de dos vigas de madera de pino de 48 pulgadas que corren paralelas entre sí a 2 pulgadas de distancia y conectadas por espaciadores. Se construiría una pequeña jaula de madera hacia la punta para albergar la mayoría de los componentes eléctricos y actuar como un soporte para el motor. El ala era una sola ala con una envergadura de 54 pulgadas y estaba construida con espuma aislante XSP con largueros de madera insertados para estabilidad estructural. Las puntas de las alas también se lijaron en puntas de las alas Hoerner. Los alerones estilo Junker se extendían desde debajo del borde de fuga, y se montaron listones de borde de ataque fijos en el borde de ataque para mejorar la sustentación. La cola era una cola en V, las dos aletas unidas al fuselaje por una manga impresa en 3D y en un ángulo de 40 grados por encima de la horizontal. Cada aleta de cola se hizo con un marco de balsa de 6x6”envuelto en papel de aluminio, pero se agregaron extensiones posteriores y los elevadores (superficies de control) para llevar el área final hasta 10” x9”. El tren de aterrizaje de la aeronave presentaba dos ruedas colocadas debajo del ala, y el soporte de cola se doblaba como un arrastre de cola. La carga útil del cohete de la botella de agua se montaría entre las ruedas delanteras y se ajustaría para garantizar un centro de gravedad estable.

Suministros

S.no1 Tacos y brochetas de madera - Lowe's - $ 38.58 (12 pies de madera de pino de 1/4"

2 viaje en Uber - Lowe's - $ 18

3 XPS - Espuma Lowe's - $ 44.19

4 cuerdas de guitarra - Centro de guitarra - 5,49 (para corte de alambre caliente)

5 Gorilla Glue - Tienda Slocum Hall - $ 2.58

6 trozos de madera de balsa / sobrantes - $ 0 (secciones de la superficie de control, cuñas, bloques de borde redondeado, secciones cuadradas de 1/4 ", 1/8" y 1/16 "~ 4 pies de cada una)

7 Fuente de alimentación de 12V - (Prestado de Link 043) - $ 0 (Corte de alambre caliente)

8 Papel de aluminio - CVS - $ 3.00 (construcción de la cola)

9 Herramientas de construcción - Prestadas - $ 0

10 Botella de 2L - CVS - $ 1.89 (Carga útil del cohete)

11 impresiones 3D - Syracuse University MakerSpace - $ 0 (Construcción / Prototipos)

12 tuercas, pernos y misceláneos. Hardware - Link Machine Shop - $ 0

13 hélice de repuesto - FliteTest - $ 6.89

15 Tren de aterrizaje de aluminio - Link Machine Shop - $ 0

16 Motor sin escobillas (2215 1100kV), ESC (20-25A), Combo de hélice (8-9 ) - FliteTest - $ 40

17 11.1V 1300mAh 20C LiPo - FliteTest - $ 20

18 4x 9g Servos - Ebay - $ 10

19 Radio y receptor Spektrum DXe - $ 99

20 bocinas de control, bisagras CA, varillas de empuje roscadas y llaves - Ebay - $ 10

21 trozos de plástico corrugado - $ 0

22 Impresora 3D y cortadora láser (opcional)

23 Globos - CVS - $ 3

Paso 1: Evaluación del diseño del ala para una alta capacidad de carga útil

En este paso, hice una lista de opciones potenciales para el diseño del ala y de la superficie de control para su efectividad y, en base a las prioridades de mi misión, seleccioné los listones de borde de ataque fijos, los alerones junker del borde de salida y un diseño de ala alta.

Paso 2: Construcción del ala central a partir de espuma XPS

Basándome en una investigación preliminar, descubrí que la Clark Y era la más adecuada para mi aplicación, ya que proporcionaba muy buenas características de elevación y era adecuada para el corte de alambre caliente. Descargué las coordenadas del archivo airfoiltools.com y las imprimí en papel. Después de imprimir el perfil aerodinámico, lo pegué en un cartón de desecho y corté la plantilla. Esta plantilla es útil ya que sirve como guía mientras el alambre caliente corta la espuma.

Hubo varios factores limitantes como la salida de la fuente de alimentación utilizada para calentar el cable, la longitud y la resistencia del cable disponible, la precisión del corte al escalar, etc. Para nuestros propósitos, después de haber probado el cable del elemento calefactor desde un calentador de mesa, cuerdas de guitarra, entre muchos otros, encontramos que la cuerda G del cable de guitarra funcionaba mejor. El voltaje utilizado fue de 12 V y la corriente a través del cable fue de 1,3 A, por lo que se encontró que la resistencia del cable era de aproximadamente 9 ohmios. Para cortar el ala en la forma deseada, las plantillas de cartón recortadas se mantuvieron en su lugar usando clavos en los extremos opuestos del núcleo de espuma. Los cortes de cartón sirvieron como plantilla y permitieron pasar el alambre caliente sobre ellos sin quemarlos mientras cortaban la espuma. Experimentando con varios tipos de espuma, me decidí por la espuma aislante XPS Lowes de 2”de espesor para que funcionara mejor, ya que era densa, rígida y fácil de trabajar. Después de muchos intentos, encontré la velocidad y la coordinación adecuadas para cortar el ala deseada sin imperfecciones con la ayuda de Buddy. Debido a la restricción de tamaño del alambre y los problemas de escalabilidad del proceso, pude cortar solo secciones de 18”del núcleo del ala, por lo que en el siguiente paso uní tres secciones con un larguero de madera de pino (clavija de 1/8 de diámetro) y largueros de refuerzo agregados (clavija de 1/16 de diámetro) en las juntas de las alas, lo que le da a la estructura más rigidez.

NOTA: use pesas en la parte superior del bloque de espuma para evitar que se mueva.

Paso 3: Unir las secciones del núcleo del ala, agregar componentes electrónicos y superficies de control

Debido a la restricción de tamaño del alambre y los problemas de escalabilidad del proceso, pude cortar solo secciones de 18”del núcleo del ala, por lo que en el siguiente paso uní tres secciones usando un larguero de madera de pino (taco de 1/8” de diámetro, también puede usar secciones cuadradas) y largueros de refuerzo agregados (clavija de 1/16 de diámetro, también puede usar secciones cuadradas) en las juntas de las alas, lo que le da a la estructura más rigidez. Una vez que el ala estuvo alineada y pegada, se lijó para eliminar las imperfecciones debidas al proceso de corte con alambre caliente. Las puntas de las alas también se lijaron para que funcionen como puntas de las alas, aumentando la envergadura efectiva.

Se agregaron láminas recortadas de balsa en el LE y TE de la sección central del ala para que no se comprimieran al usar bandas de goma para montarlo en el fuselaje. Una buena técnica al doblar láminas de balsa es frotar un paño húmedo en el lado que desea curvar hacia afuera y soplar aire caliente con un secador de pelo en el lado cóncavo. Repita el proceso hasta lograr la curvatura deseada. Después de colocar las láminas de balsa en su lugar y lograr un buen ajuste, use cinta adhesiva sobre ellas, esto brinda protección adicional.

Después de que el ala esté en una sola pieza, corte longitudes de 22 "de la sección de balsa en forma de perfil aerodinámico simétrico (también puede usar una tabla de espuma y cortar secciones de 2x 22" de largo y 2 "de ancho) para los alerones. Corte 2 ranuras en el borde de ataque de la superficie de control e inserte la mitad de la bisagra CA en ella. Ahora, con una impresora 3D, corte una sección similar que desplace su alerón en el eje y desde el ala 1/2 "-1" (también podría haz una sección en forma de cuña usando balsa para lograr este desplazamiento) y pégalas al otro extremo de la bisagra CA. Pega la superficie con las protuberancias presionadas en la espuma en la parte inferior del ala, asegurándote de que los extremos de los alerones estén alineados con las puntas de las alas.

A distancias iguales de la línea central del ala, monte las bocinas de control y péguelas / atorníllelas en su lugar en la sección inferior de las superficies de control. Después de hacerlo, coloque la varilla de empuje con la ayuda de una llave y aproxime la posición del servo 9g con su engranaje hacia arriba y márquelo en el ala.

Ahora haga una plantilla de un servo de 9g trazando su perfil inferior en una hoja de balsa y recórtelo con un cuchillo de hobby. Corta un poco de espuma sobrante para que el servo pueda caber en el ala y traza para enrutar su cable. Pegue la plantilla en la superficie inferior del ala y verifique el ajuste. Si todo encaja bien, está listo para comenzar. De lo contrario, atornille o desenrosque la llave para ajustar la longitud de la varilla de empuje.

Paso 4: Fabricación y ensamblaje de listones LE fijos

Este paso requirió bastante experimentación y pensamiento, ya que cortar con alambre caliente la sección LE no funcionó y tener listones completos impresos en 3D sería demasiado pesado. Al final, decidí cortar con láser la plantilla de la sección del perfil aerodinámico del listón en madera de balsa y hacer una carcasa de lámina de balsa. Se cortaron con láser alrededor de 10-12 nervaduras para cada listón LE y se pegaron equidistantes entre sí en dos brochetas de madera de pino de 1/8”. Luego se cortó una hoja de balsa de grano horizontal (asegúrese de la orientación del grano de balsa) con las dimensiones adecuadas para envolver la estructura del perfil aerodinámico. Al humedecer la balsa con papel tisú y agua, pude crear curvaturas en las direcciones y en el grado requerido utilizando la misma técnica mencionada en el paso anterior, es decir, humedecer la superficie convexa y soplar aire caliente en la superficie cóncava. Después de que la hoja tomó la forma deseada, pegamos las costillas entre esta concha de balsa. Estos listones LE se montaron luego en el ala con soportes impresos en 3D de 3x para cada lado del ala y una cinta de doble cara montada equidistantes entre sí.

Paso 5: Construcción del fuselaje

El fuselaje de nuestra aeronave está construido con tacos cuadrados de madera de pino de 3/8”y secciones impresas en 3D.

La estructura principal del fuselaje se construyó con tacos de madera cuadrados de 3/8 "que se compraron a Lowe's. Cada sección tenía una longitud de 36 "y para construir la longitud total del fuselaje, se imprimió en 3D un adaptador para unir las secciones de 36" con secciones adicionales de 12 "separadas por 1 1/4" de manera que el ancho exterior las dimensiones del fuselaje eran de 2”y la longitud total era de 48”. Se colocaron espaciadores de 1 1/4”entre las dos clavijas para brindar resistencia y estabilidad a la estructura. Los soportes de cola en V impresos en 3D se montaron en el extremo del fuselaje separados entre sí por 6”y se pegaron en su lugar con la expansión de madera Gorilla Glue.

Para la caja de la carcasa de la electrónica y el montaje del motor, se cortó una placa de madera de pino de 2 "x 2" x 1/4 "de una hoja de madera de pino de 1/4" de espesor (también se pueden usar otros restos de madera) y se perforó con el motor patrón de orificios de montaje. Luego se pegó esta placa al frente del fuselaje y se construyó la carcasa de la caja de madera 12”x 2” x 2”colocando dos secciones adicionales de 12” de las clavijas de madera como se muestra con soportes de clavija de madera de 1 1/4”en el extremo de la estructura de la caja de madera.

Se cortaron dos secciones de 4”de largo de madera de pino de 3/8” y se pegaron a 12”y 22” del cortafuegos del fuselaje en la parte inferior. Estos servirán como puntos de montaje para las bandas elásticas que mantendrán el ala en su lugar.

Paso 6: Construcción de cola en V

La cola en V consta de tres componentes, a saber, la superficie de la cola, las superficies de control y los soportes de la cola en V.

Inicialmente, la superficie de la cola se construyó como se muestra a continuación con secciones cuadradas de balsa de 1/4”y 1/8” con dimensiones de 6”x 6”. El diseño estructural de la superficie de la cola no se decidió con anticipación. Fue un proceso iterativo y diseñado de manera que fuera lo suficientemente rígido. Se utilizó pegamento para madera para unir las piezas, lo que permitió que se secara y que nosotros tuviéramos tiempo para moverlo, lo que no es el caso con el pegamento CA. Luego se cubrió con papel de aluminio y cinta transparente ya que no tenía acceso a la película de monokote ni a la plancha de calentamiento para cubrirlo con técnicas convencionales. Después de ejecutar simulaciones, descubrí que el margen estático para recortar no era lo suficientemente grande y debía mejorarse. Esto se hizo agregando extensiones recortadas de cartón pluma depron que luego se pegaron en la cola para aumentar su relación de aspecto y área de superficie. Las dimensiones finales de la superficie de la cola son 10 "x 9".

Usando cuñas de balsa de 1/4”de espesor y placas de 1/4”, se construyeron superficies de control de dimensiones 3”x 6” como se ve. Los bordes de la placa se redondearon con papel de lija para que no se pegaran al girar. Aproximadamente a 1 "del extremo de la superficie de control (borde ahusado de la superficie de control que se monta hacia el interior del fuselaje) se montaron bocinas de control y se perforaron agujeros para montarlas con tuercas y pernos. Se cortó plástico corrugado para formar pequeños 1" x 1/4”y dobladas para que funcionen como bisagras. Luego se cortaron ranuras en el borde posterior de las superficies de la cola y el borde anterior redondeado de las superficies de control donde estas bisagras se insertaron y pegaron en su lugar con pegamento CA.

Los soportes de cola en V se construyeron en Fusion 360 y se imprimieron en 3D de manera que tuvieran una separación de 100 grados y brazos de 2”para soportar la superficie de la cola. Una vez que los soportes de cola en V se habían pegado al fuselaje, se perforaron agujeros de montaje en él y en las superficies de control para proporcionar un punto de montaje rígido. Se utilizaron tacos de madera de pino de 1/4”de diámetro para alinear las superficies de la cola con los soportes de la cola en V y se pegaron en su lugar.

Paso 7: agregar servos al fuselaje para el control de cola en V

Se cortaron cuatro placas de 1 "x 3/8" x 1/4 "de la hoja de madera de pino de 1/4" y se montaron y pegaron de manera que los servos se mantuvieran en su lugar permitiendo que las varillas de empuje alcanzaran los cuernos de control en las superficies de control en la cola. Una vez que estos se pegaron en su lugar, se utilizó un taladro manual para perforar orificios de diámetro adecuado para atornillar los servos en su lugar. Se construyó una estructura de celosía para brindar soporte a la carcasa de plástico en las varillas de empuje para evitar que se flexionen cuando están bajo carga.

Paso 8: tren de aterrizaje

El tren de aterrizaje se dobló usando una varilla de acero para resortes de 1/16 "en una forma adecuada con una distancia de separación de ruedas de 14". Se usaron pinzas para mantener las ruedas en su lugar y se hicieron piezas impresas en 3D para sujetar el tren de aterrizaje al fuselaje; sin embargo, después de la prueba, este tren de aterrizaje resultó ser demasiado débil y terminé doblando 1/4 "x 1 / 8 "sección rectangular de aluminio de 26" de largo en forma y la usé en su lugar. Una simple búsqueda en Google encontrará muchos resultados sobre cómo doblar su propio tren de aterrizaje RC de aluminio. El enlace que usé está a continuación

www.rcgroups.com/forums/showthread.php?162…

Paso 9: cableado y configuración de la radio

Cada fabricante de RC tiene un código de color diferente para los cables, por lo que se sugiere que siga las pautas del fabricante sobre el cableado; sin embargo, así es como hice el cableado del mío:

Primero soldé un cable 22AWG a cada uno de los servos para asegurarme de que hubiera suficiente cable para llegar al receptor que se iba a montar en la caja de la electrónica en la parte delantera. Después de eso, me aseguré de conectar todos los cables a los canales correctos (1 - Acelerador, 2 - Elevador, 3 - Alerón, 4 - Timón, sin embargo, estos pueden ser diferentes para diferentes sistemas) y los cables del motor y ESC. Después de encender el sistema conectando la batería completamente cargada con la hélice desconectada, centré todos los servos, recorté en neutral y ajusté la longitud de la varilla de empuje y la posición del brazo del servo de manera que todas las superficies de control fueran neutrales en el medio de la palanca. También verifiqué la rotación del motor y resultó que estaba girando en la dirección correcta. En el caso de que esté girando en la dirección opuesta y produciendo empuje en la dirección incorrecta, cambie 2 de los cables de los tres que van desde el ESC al motor (por supuesto, después de asegurarse de haber montado su hélice de la manera correcta).

Luego procedí a configurar una función V-Tail Mixing en mi radio, lo que me permitió mezclar timón y elevador juntos. Me aseguré de obtener 25 grados de lanzamiento en todas las superficies de control y de que ninguna de las superficies de control estuviera atascada.

Recargué la batería y procedí a buscar un lugar adecuado para volar.

Paso 10: prepárate para volar

Mientras instala la carga útil del cohete, llene un globo con la cantidad requerida de agua mientras está dentro de la botella, átelo y fíjelo a la boca de la botella y cierre la tapa. Luego proceda a montarlo debajo del ala usando gomas elásticas. Después de instalar la batería (no enchufada), verifique que el centro de gravedad caiga en el punto 1/4 del ala detrás del borde de ataque equilibrándolo colocando dos dedos a cada lado del ala en la marca 1/4, si no se equilibra, mueva la carga útil para ajustar el CG.

Una vez que se haya ajustado, conecte la batería y pruebe para ver que todas las superficies de control se muevan en las direcciones correctas. La serie de receptores Spektrum A636 viene con tecnología SAFE que autoestabiliza la aeronave cuando se perturba. En el caso de que planee utilizar esta función, asegúrese de que esté configurada correctamente.

Por último, ¡no olvide comprobar su entorno para su seguridad y la de los demás antes de volar!

Paso 11: Respaldar datos y estimar la eficiencia del diseño

Este diseño se realizó como parte de mi proyecto de diseño senior en la universidad, por lo tanto, realicé varios experimentos para respaldar los datos.

Los datos que retiré para mis condiciones de vuelo, es decir, el Carrier Dome de la Universidad de Syracuse, fueron los siguientes.

Peso 3.33 lb

Empuje 1,47 lb

AOA en el suelo 10 grados

X_cg / c 0,19

C_L0 0.37

C_Lalpha 0.0704

C_Lmax 3,1

C_D0 0.1093

V_stall 13,4 pies / s

Factor de carga (n_pos, n_neg) 3,5, -3,5

V_esquina 25 pies / s

R_min 4,6 pies

Coeficiente de fricción de rodadura 0,25

Distancia de despegue 25,9 pies

V_cruise 15,8 pies / s

T_cruise (D_cruise) 0,58 libras

Se puede ver un video del primer vuelo de prueba exitoso con una carga útil de 300 g aquí en caso de que el video incrustado no aparezca:

Segundo premio en el desafío Make It Fly