Vznášedlo amatérsky

8.12.2004

 

   Po mnoha opakujících se dotazech jsem překonal lenost a sepisuji svoje know-how ohledně vznášení. Předem upozorňuji čtenáře, že tento dokument je ryze účelový. Stížnosti na neexistující webdesign si nechte do lampárny. Rovněž tak předem deklaruji, že obrázky jsou zde pouze pro ilustraci, od ruky, skenované, hnusné. Prostě a jednoduše se kvůli návodu na vznášedlo nehodlám učit s CAD programem. Komu se to nelíbí, ať to nečte.


   Dokument je pojatý jako otázky a odpovědi. Prostě se snažím vyzpovídat sám sebe. Má-li někdo ze čtenářů pocit, že jsem něco důležité opomněl, nechť se ozve. Podnětné dotazy zodpovím a doplním.


Kapitoly


Proč to děláš?

   Protože jsem magor . Vznášedla a jejich neurčitý plovoucí pohyb se mi líbí někdy z doby pozdního dětství. Dokonce jsem tenkrát postavil prototyp vznášedla podle ABC mladých techniků a přírodovědců. Ten krám měl tvar obráceného trychtýře z balzy a kladívkové čtvrtky. Nikdy se mi nepodařilo ho zprovoznit, protože jsem nedokázal vyrobit vrtuli dmychadla.

   Na modelářské diskuzi (dále jen diskuze; http://www.mojehobby.cz/ - experimentální stroje) se sem tam objevovaly základní dotazy na principy vznášedel. Ptal jsem se pak i já, ale ukázalo se, že nikdo z přítomných skutečnou zkušenost se stavbou vznášedla nemá. Pustil jsem se tedy na vlastní pěst do zkoumání internetu.

   Po několika letech latentního růstu myšlenky na postavení vlastního stroje a sbírání podkladů jsem se jednoho letního dne roku 2004 sednul a během jednoho večera zplodil první pokusný vehikl. Postupně přes několik vývojových verzí jsem se dopracoval k funkčním stroji.

 

 

Video z prvních pokusů  

Video funkčního vznášedla

 

   Základ je deska z Coroplastu (dutinková deska z odolného plastu používaná jako nosič reklamy). Zbytek je z extrudovaného polystyrénu tzv XXX-pronu. Konstrukční detaily vyplynou postupně.


Budeme dokument prokládat také trochu teorie. Jak to funguje ?

   Pod trupem vznášedla je udržován polštář stlačeného vzduchu. Jednoduchý fyzikální vzoreček nám říká „Síla=Plocha*Tlak“. Plocha je dána velikostí trupu, síla odpovídá tíze tlak nám z toho vyjde. Ve chvíli kdy tuto fyzikální podmínku splníme, vznášelo se nadlehčí a začne prakticky bez tření plavat nad povrchem. K pohybu pak slouží klasická vzdušná vrtule a kormidla.


Jak se udrží stlačený vzduch pod trupem ?

   To je právě nejtěžší prvek konstrukce. V podstatě jde o to, udělat na obvodu svislou planžetu, která bude tvarem kopírovat nerovnosti terénu. V ideálním případě je mezi planžetou a terénem malá mezera, kterou vzduch z pod vznášedla uniká. Únik je nahrazován dodávkou nového vzduchu pomocí dmychadla.


Jak postavit dmychadlo ?

   Dmychadlo musí dodávat objem a tlak. Obě veličiny jsou na sobě pochopitelně závislé. Tlak je předem daný viz „Jak to funguje“. Objem musí pokrýt ztráty které vznikají únikem vzduchu pod spodkem stroje. Protože „profuk“ rychle roste s výškou mezery mezi planžetou a terénem, nemá smysl se snažit o nějaké zásadní zvětšování výšky planžety nad terénem. Např. u mého stroje jsou poměry tyto:

-          10W příkonu = Právě nazdvihnutá mašina, plave nad povrchem, mezera nepravidelná do 2mm

-          35W příkonu = mezera naroste na 2-4mm

-          tj. růst příkonu na 3,5 násobek má za následek zvednutí stroje pouhé 2mm!

Z toho plyne, že mnohem důležitější než objem dodaného vzduchu je zajištění rovnoměrné vzdálenosti planžety od povrchu. Kdo se chce vznášet výše, ať si pořídí vrtulník :-)

Pojďme ale zpátky k dmychadlu.

První verze byla postavená podle obrázků viděných na webu s motorem S280 a vrtulí GWS4540 v prstenci s průměrem 120mm. Brzy se ukázalo, že režim dmychadla je o dost jiný, než režim vrtule ve volném vzduchu. Velké množství vzduchu se vrací podél vnějšího okraje díry zpět. Projevuje se protitlak pod trupem, který dvoulistá vrtule neumí překonat.

Řešením by bylo mnoha lopatkové nebo odstředivé dmychadlo, ale nechtělo se mi ho stavět. Místo toho jsem uplatnil invenci a dvoulistou vrtuli jsem převedl do režimu napůl odstředivého dmychadla přidáním prstence v šířce 20mm do sacího otvoru. Takto upravené dmychadlo má charakteristiku objem/tlak posunutou více do oblasti tlaku, což je přesně to, co potřebujeme.

Po zkušenosti z provozu, se ukázalo, že pracovní bod na nerovném terénu je někde okolo 4A do motoru dmychadla. To je na S280 poměrně dost a motor znatelně hřeje. Vyměnil jsem tedy motor za S400/6V, který má podobné otáčky na volt, ale při 4A pracuje v režimu výrazně lepší účinnosti. Nárůst hmotnosti o cca 25g mne na vznášedle netrápí.

 

 

Možná časem realizuji čtyřlistou dmýchací vrtuli.


Planžeta, vak, sukně prstíky ... wo co gou ?

   Již bylo řečeno, že hlavní problém je udržení polštáře tlakového vzduchu pod trupem. Druhotný problém se ukázal až v praxi. Při reálném provozu dochází přejezdu nerovností či dokonce skokům, kdy se spodní strana trupu otevře do volné atmosféry a nosný polštář krátkodobě zanikne. Po návratu trupu do polohy, kdy má polštář nést musí být planžeta v poloze a tvaru schopném polštář zachytit.

... to zní hrozně ...

Prostě se nesmí stát, že by planžeta „splaskla“ a ztratila tvar i když stroj zvedneme a položíme vzhůru nohama. :-) Jinak stačí i malé poskočení za jízdy a následuje pád naplacato trupem až na zem, rána, ztráta rychlosti, nové budování polštáře, rozjezd.


Co je tedy vak ?

   Vak je vlastně tvarovaný „balón“ po kraji trupu, který vytváří svislou rovinu planžety. Nafouknutý vak místo pevné přepážky proto, že je deformovatelný. Princip fungování je takový, že tlak vzduchu ve vaku je dostatečný na jeho nafouknutí a udržení tvaru, ale při přejezdu nerovnosti se vak může místně deformovat a tím pomáhá těsnit nosný polštář i při překonávání větších nerovností.

 


Jak je to s tlakem ve vaku ?

   Tlak ve vaku musí být malý, právě dostatečný k jeho nafouknutí, ale větší než tlak nosného polštáře. Jinak by vzduch nosného polštáře deformoval vnitřní stěnu vaku a tím způsobil jeho kolaps. Řešením je svázat tlakové poměry vaku s tlakem pod trupem. Definujme tlak pod trupem jako P1 a tlak ve vaku jako P2. Vždy musí platit P2>P1.

Hledáme takové konstrukční řešení, které v ideálním případě zajistí, že P2-P1=konst. Když je nosný polštář vytvořen, P1>0, ve vaku je tlak dostatečný na udržení tvaru P2=P1+konst. Když je spodní strana stroje bez nosného polštáře, P1=0, stále zbývá na udržení tvaru P2=0+konst.

Tlak uvnitř vaku se tedy musí přizpůsobovat tlaku nosného polštáře pod trupem. Udělat vak pevně nafouknutý na P2=konst není dobré řešení, protože při najetí na nerovnost klesne P1, ale vak natlakovaný na konstantní P2 bude špatně kopírovat nerovnost -> větší mezera -> ještě větší pokles P1. Následuje drhnutí stroje, který není dostatečně nadnášen, o terén.

Konstrukčně lze uvedené tlakové poměry realizovat dvěma cestami.

-          dmychadlo fouká dutým trupem do vaku; pod trup se vzduch dostává otvory na vnitřní straně vaku. Tlakový spád je zajištěn odporem průchodu vzduchu otvory vaku.

-          dmychadlo fouká přímo pod trup, doplňkový mechanismus zajišťuje „přefouknutí“ části vzduchu z pod trupu do utěsněného vaku

Já šel cestou neprodyšného vaku a odběru tlakového spádu z dmychadla z důvodu menších ztrát a jednodušší konstrukce. Tlakový spád realizuji na odstředivé části dmychadlové vrtule přidáním druhého mezikruží na výstupní stranu dmychadla. Do vaku je tlakový vzduch přiváděn kanály v trupu.

Pro úplnost dodám, že na reálném stroji mám v tomto místě také krycí síť zabraňující odletujícím předmětům z terénu (kamínky, větvičky) vnikat do prostoru dmychadla a poškozovat vrtuli.

Konstrukční problém vaku je okraj, kde jde materiál vaku vodorovně s terénem. Na suchém povrchu to nevadí. Jakmile se ale spodní strana vaku dostane na vodu, či mokrý povrch, dojde k  smočení povrchu vaku, přilnutí vody, prudce vzroste odpor proti pohybu. Vznášedlo se „přilepí“ na vodu a místo skluzu se jen plouží.


Jak tedy jinak, když vak není dokonalý ?

   Jiné řešení planžety jsou tzv. prstíky (anglicky „finger skirt“; máte-li někdo lepší překlad, sem s ním). Prstíky jsou vlastně „uříznutá vnější stěna vaku“ bez dna. Kdybychom ale vak bez úprav jen tak rozřízli, nebude držet tvar. Proto vznikla řada konstrukcí, kdy je stěna rozdělená na segmenty‑prstíky, které každý individuálně, tvar drží.

Důvody proč se používají tak šíleně složité komponenty jsou dva

-          Spodní hrana planžety s prstíky je ve styku s povrchem v linii, ne v ploše, takže nemůže dojít ke smočení a „přilepení“ na vodu

-          Individuální prstíky mohou nezávisle kopírovat terén a tím zlepšit těsnění nosného polštáře při přejezdu nerovností terénu

Závodní vznášedla používají dokonce pouze prstíkovou planžetu bez vaku. Konstrukce prstíků je sice komplikovanější, ale stroj je pak schopen extrémních výkonů.

Stále ale platí podmínka zajištění tvaru planžety i v případě zániku nosného polštáře. V případě kombinace vaku a prstíků, můžeme prstíky nechat splasknout, protože vak stále existuje a zabraňuje kontaktu dna trupu s terénem (viz dopravní vznášedla na LaManche). Pokud je planžeta bez vaku, jako u závodních strojů, musí dmychadlo foukat přes důmyslně tvarované dno trupu „do prstíků“ a tím je napínat do potřebného tvaru.

Můj stroj má prstíky vyrobené z odstřižených konců chirurgických rukavic. Foukání do prstíků jsem neřešil. Mám tam vak a navíc prstíky z latexu samy od sebe tvar drží i vez vnější pomoci.

 

 

Ideální by byly prstíky vyšší viz tento obrázek. Zde vyfocený materiál (padákovina) je však příliš nepoddajný.

 

 

Bohužel jsem nenašel materiál, který by byl dostatečně odolný + ohebný + neprodyšný + dostupně sehnatelný. Jakmile najdu takový materiál, čeká mne několik večerů s nůžkami a lepidlem :-)


To by tedy bylo k podstatě a co ostatní ? Například pohon ?

   Pohon je poměrně jednoduchá věc. Každý ať použije, co najde. Jediné know-how je fakt, že vrtule musí být poměrně malá a co nejníže. Nosný vzduchový polštář je totiž věc poměrně varchlatá a neposkytuje příliš oporu proti naklánění. Pohon tedy nesmí vyvíjet příliš velké klopné momenty ani příčně (reakční moment vrtule) ani podélně (naklonění dopředu protože působiště tahu je nad těžištěm stroje).

Já použil „co šuplík dal“. Pohonný motor je MiniAC 1215/16 s Heli regulátorem TMM. Obojí je bývalá výbava vrtulníku, která se válela v krabici bez užitku. Jakmile pro motor najdu lepší využití, bude mít vznášedlo smůlu. :-)
TMM‑Heli regulátor první generace je pro nestabilitu ve vrtulníku k ničemu, a tady alespoň neleží ladem.

Vrtule jsem zkoušel 5x2, 5x3, 5x4, 6x3 a Gunther jogurtovku. S uvedeným motorem a baterkami, které nedají velké proudy chodí nejlépe 5x3.


Hezky navedeno, co tedy baterky ?

   Používám šrot z notebooků. Konkrétně tam je 2S4P LiIon CGR16850. Je to docela závaží, ale mašině to nijak zásadně nevadí. Aspoň to vydrží jezdit dlouho :-) Kdybych chtěl závodit, jistě by šlo použít něco výkonnějšího a lehčího.

Pro zajímavost: Z uvedených baterek odebírá dmychadlo naplno okolo 4,5A a přitom stroj ještě volně plave na polštáři i po přidání láhve dobré vody (1,5kg)!


Co kormidla ?

   Nic zvláštního. Rovné desky spojené ocelovou strunou na závěsech z lepící pásky se skelným vláknem. Ovládá je jedno servo GWS, první, co bylo po ruce. Původně na stroji byla jen dvě kormidla uprostřed. Účinnost řízení ale nebyla dostatečná, proto jsem přidal na každou stranu ještě jednu desku.

 


A těžiště? Na videu to vypadá, jako by stroj padal na zadek ...

   Ano. Těžiště je záměrně posunuté dozadu. Kompenzuje se tak částečně předklánění stroje způsobené umístěním pohonu nad těžištěm. Přesná poloha je věc kompromisu. Přiznávám, že jsem polohu těžiště měnil snad 10x, než jsem usoudil, že to lepší nebude.


Co ty desky na zádi viditelné na některých záběrech?

   Bez podélné stabilizace má stroj při ukončení zatáčky snahu zakmitnout zadkem. Přidání podélných stabilizátorů zakmitnutí odstranilo a zlepšila se i ochota zatáčet. Jediné co stojí za zmínku je, že stabilizátory nesmí jít až dopředu, jinak stroj místo zatáčení chodí rovnou do piruety.

 


Jak se to chová na různých površích?

   Vak je vlastně tvarovaný „balón“ po kraji trupu, který vytváří svislou rovinu planžety. Nafouknutý vak místo pevné přepážky proto, že je deformovatelný. Princip fungování je takový, že tlak vzduchu ve vaku je dostatečný na jeho nafouknutí a udržení tvaru, ale při přejezdu nerovnosti se vak může místně deformovat a tím pomáhá těsnit nosný polštář i při překonávání větších nerovností.


Na závěr pár parametrů.

-          rozměry 50x33cm výška neměřena

-          hmotnost bez baterek cca 460g s baterkami 840g

-          výška vaku 5 cm

-          výška prstíků cca 2cm

-          dmychadlo S400/6V + GWS4540

-          pohon MiniAC 1215/16 + „noname“ 5x3; tah soustavy cca 330g

-          rychlost neměřena, předpoklad podpořený výpočtem v Motocalcu udává cca 15m/s na dobrém povrchu

-          překonatelná kolmá překážka do 3cm


Zpracoval na základě vlastnoručně prozkoumaných slepých uliček Jan Bareš.

Související články

Vznášedlo amatérsky II.


Převzato se souhlasem autora z adresy: http://www.jaba.cz/Vznasedlo/vznasedlo.htm