Nupin osat ja toiminta

Tässä artikkelissa toimii mallikopterina T-Rex 600N. Kyseessä on siis muuttuvilla lapakulmilla varustettu 3D kopteri. Sen nupin rakenne on esimerkillisen selkeä, säätäminen suoraviivaista ja helppoa. Swashplaten liikkeet on toteutettu CCPM 120 tekniikkaa käyttäen. Tästä lisää myöhemmin. RC kopterin nuppi näyttää äkkiseltään aika monimutkaiselta. Sen toimintaan kannattaa kuitenkin tutustua, koska se tekee tulevasta säätämisestä huomattavasti helpompaa.

Nupin osat

Käydään aluksi läpi pääpiirteittäin nupista löytyvät osat, niiden nimet ja lyhyt kuvaus osan tehtävästä.



1. Head stopper. Tästä voi pysäyttää kopterin lapojen pyörimisen esimerkiksi laskeutumisen jälkeen, jos ei jaksa odottaa lapojen pysähtyvän itsestään.
2. Main rotor housing / Main rotor hub /roottorin keskiö. Tämän osan sisällä on lepatuskumit.
3. Main rotor holder / main blade holder / blade grip / päälavanpidin. Tämä osa on laakeroitu ja kiinnitetty lepatusakseliin. Siihen kiinnitetään kopterin päälavat.
4. Feathering shaft / spindle shaft / lepatusakseli. Lepatusakseli kelluu roottorin keskiön sisällä olevien lepatuskumien varassa. Se lukitsee päälavanpitimet. Lepatusakseli keinuu ylös-alas kumien varassa.
5. Seesaw holder. Osa on laakeroitu ja kiinnitetty roottorin keskiöön. Mahdollistaa flybar cagen keinumisen.
6. SF mixing arm / upper mixing arm. Tämä osa välittää swashplaten kallistukset tai vertikaaliset liikkeet lapakulman muutoksiksi.
7. Flybar cage / flybar arms. Stabilointitanko on kiinnitetty flybar cageen. Stabilointitanko menee seesaw holderin ja roottorin keskiön läpi.
8. Flybar rod / stabilizer bar / stabilointitanko. Stabiloinnista lisää myöhemmin.
9. Flybar paddle / paddle/ stabilointilapa. Stabiloinnista lisää myöhemmin.
10. Phasing pin. Näiden asennolla voi säätää nupin ajoitusta. Joissakin malleissa pinnit ovat kiinteitä, jolloin niitä ei voi säätää.
11. Washout base.
12. Washout control arm. Välittää swashplaten kallistukset tai vertikaaliset liikkeet flybar cagen (ja samalla siis stabilointitangon ja -lapojen) asennon muutoksiksi ja päinvastoin.
13. Main shaft / pääakseli. Moottori pyörittää välityksen kautta pääakselia.
14. Linkkitanko. Linkkitankojen pituutta muuttamalla säädetään nupin osien asentoa.
15. Swashplate (kallistuslevy), muuttaa nupin linkistön ja armien avulla kallistukset ja vertikaaliset liikkeet lapakulmien muutokseksi.

Kokonaisuudessaan tämän kopterin nupissa on noin 55 erilaista osaa, joten ihan kaikkia ei ole järkevä käydä läpi.

Miten kopteri liikkuu?

Tässä artikkelissa on pyritty yksinkertaistamaan hieman kopterin nupin toimintaa eikä kaikkia vaikuttavia fysiikan ilmiöitä, esimerkiksi 90-asteen hyrräviivettä, oteta sen kummemmin huomioon. Helikopteri pystyy liikkumaan erittäin monipuolisesti taivaalla ja kaikki liike perustuu pääroottorin ja peräroottorin lapakulmien muutoksiin. Koko nuppi swashplaten ylemmästä osasta ylöspäin pyörii kovaa vauhtia ja kokonaisuuden osat muuttavat lähettimen tikuilla tehtävät ohjausliikeet päälapojen kulmien muutokseksi.

Ylös ja alas

Kopteri tarvitsee ilmaan päästäkseen nostetta. Tämä tarkoittaa, että pääroottoriin on saavata positiivista lapakulmaa. Positiivisella tarkoitetaan lapakulmia nollakulman yläpuolella. Nollakulmillla ei synny nostetta vaan lavat halkovat ilmaa tasaisena kehänä. Negatiiviset lapakulmat ovat tietysti nollakulman alapuolella eli normaalissa tilanteessa painavat kopteria maata kohti. Nosteen muodostaa koko swashplaten liikkuminen pääakselia (kuvissa akseli, joka menee swashplaten ja washout basen läpi) pitkin ylös ja alas. Tämä liike muuttaa suoraan päälapojen kulmia tasaisesti molemmin puolin. Leijuakseen kopteri tarvitsee kierroksista riippuen noin 4-5 astetta lapakulmaa.

Kallistukset

Ajatellaan, että katsotaan kopteria leijunnassa takaa. Jos nyt halutaan liikuttaa kopteria oikealle kuitenkin pitäen sen perä saman suuntaisena kuin aikaisemmin, niin täytyy swashplatea kallistaa oikealle. Nyt swashplaten vasemman nurkan ollessa korkeammalla kuin oikean välittyy nupissa linkistön kautta ylöspäin suurin lapakulma pääroottorin kehällä vasemmalle puolelle. Tämä aiheuttaa kopterin vasemmalle puolelle enemmän nostetta kuin oikealle, joten kopteri alkaa liikkua oikealle. Sama periaate toistuu kaikissa kallistuksissa. Jos kopterin haluaa menevän eteen ja vasemmalle, täytyy swashplatea kallistaa eteen ja vasemmalle. Tällöin swashplaten oikea takanurkka on korkeimmalla ja välittää suurimman lapakulman roottorin kehällä siihen pisteeseen. Koska suurin noste on siellä, alkaa kopteri liikkua eteen ja vasemmalle. Swashplaten liikkeitä tutkaillessa sen voi rinnastaa suoraan roottorin kehään. Mikä kohta swashista onkin korkeimmalla tuottaa suurimman lapakulman samaan kohtaan roottorin kehällä.

CCPM eli Cyclic/Collective Pitch Mixing

Nyt on jo selvillä, että swashplaten asennon muutokset ohjaavat kopteria pääroottorin lapakulmia muuttamalla. Mutta miten ohjaajan lähettimen tikun liikkeet saadaan liikuttamaan swashplatea halutulla tavalla? Tähän on monia ratkaisuja ja tässä käymme nopeasti läpi vain yhden niistä. Se on nykyisin 3D koptereissa suosittu toteutustapa eli CCPM 120 astetta. Siinä kolme servoa on yhdistetty linkkitangoilla swashplaten alempaan osaan. Kiinnityskohdat ovat ympyrän kehällä 120 asteen välein (yläpuolella kuvissa näkyy etualalla kiinnityspisteistä ympyröitynä kaksi, alapuolella kuvassa näkyy selvemmin).



Tässä mallikopterissamme on swashille menevien linkkitankojen liikuttaminen toteutettu push-pull linkistöllä ja välivivuilla, mutta joissakin toteutuksissa voivat linkkitangot mennä servoilta suoraan swashiin. Mekaanisesti CCPM on yksinkertainen toteuttaa, mutta vaatii lähettimeltä tuen kyseiselle miksaukselle. Toisin sanoen servojen ja siten myös swashplaten oikeat liikkeet muodostetaan lähettimessä softalla.

Ajatellaan noita yläpuolella läpikäytyjä esimerkkejä kopterin liikkeistä tämän kuvan avulla. Tässä kopterissa keula on sillä puolella, missä sijaitsevat nuo kaksi CCPM-servoa. Kopterin nostetta eli tasaisia positiivia ja negatiivisia lapakulmia lähettimen tikulla säädettäessä käskyttää lähetin kaikkia kolmea servoa työntämään tai vetämään swashplatea pitkin pääakselia. Kallistukset: esimerkissä kopteria halutaan siis liikuttaa oikealle, joten lähettimen tikkua käännetään oikealle. Lähetin käskyttää kahta etummaista servoa, joista oikealla oleva vetää linkkitankoa alaspäin ja vasemmalla oleva työntää ylöspäin. Takimmainen servo ei tee mitään. Nyt swash plate on kallellaan oikealle. Toisessa esimerkissä eteen ja vasemmalle servojen liikkeet ovatkin jo asteen monimutkaisemmat. Kuvassa olevan takimmaisen servon täytyy vetää swashin etureunaa alas samalla kun (riippuen vasemman kallistuksen määrästä) molempien edessä olevien servojen on työnnettävä swashin takareunaa ylöspäin, mutta oikean enemmän kuin vasemman, jotta swash jäisi kallelleen vasemmalle.

Swashplaten toiminnasta kertova artikkeli toisessa wikissä

Stabilointi

Stabilointia käytetään kopterin käyttäytymisen hillitsemiseksi. Yleensä tähän käytetään stabilointitankoa ja -lapoja, mutta on olemassa myös elektronisia stabilointitoteutuksia, jotka eivät kyseisiä osia tarvitse. Normaalitilassa nupin pyöriessä pyrkivät päälavat ja stabilointitanko sekä -lavat olemaan 90 asteen kulmassa pääakseliin nähden. Ulkoisten tekijöiden tai ohjausliikkeiden vaikutuksesta stabilointilapojen kehän ja päälapojen välinen kulma muuttuu. Tässä tilanteessa stabilointilavat pyrkivät tekemään päälapojen kulman muutosta korjaavaa liikettä. Käytännössä siis stabilointi myötäilee kopterin ohjausliikkeitä, mutta samalla vastustaa niitä.

Lepatus

Lepatus-käsite tulee vastaan yleensä, kun puhutaan nupin lepatusakselista. En tässä yhteydessä ala selvittää kovin tarkasti lepatuksen yksityiskohtia, mutta se on kuitenkin kopterin toiminnan kannalta välttämätön ominaisuus. Lepatusakseli ja lepatuskumit sallivat roottorin kehän kallistumisen siten, että toinen puoli kehää kulkee alempana kuin toinen. Lepatusta tarvitaan roottorin kehän kohtaamien erilaisten ilmavirtausten takia. Alla olevassa kuvassa näkyy kuinka lepatusakseli menee roottorin keskiön läpi ja kelluu lepatuskumien varassa.

Lead lag

Roottorin lavat ovat kiinni lavanpitimissä vain yhdellä pultilla. Tämä johtuu lead lag -ilmiöstä. Lead lag liittyy myös lepatukseen, koska alempana roottorin kehällä oleva lapa pyrkii vääntymään taaksepäin ja ylempänä eteenpäin. Lapojen pitää siis pystyä kääntymään suhteessa lavanpitmiin ja pääakseliin. Kopterin kulkiessa 100km/h ilmassa eteenpäin se kohtaa myös suuren vastaan tulevan ilmavirtauksen. Roottorin pyöriessä myötäpäivään kohtaa takaa eteenpäin tuleva lapa tuon vastaan tulevan ilmavirtauksen, mutta edestä taakse menevä lapa saakin saman virtauksen myötäsuuntaan. Tästä syystä takaa eteen tuleva lapa pyrkii jäämään taaksepäin. Ilmassa kulkevan kopterin lapakehä ei siis ole täysin pyöreä.

Kopterin nupin perusasiat pitäisi olla nyt käyty läpi. Varmasti on vielä paljon asioita, joita ei ole tässä yritettykään tai osattukaan selventää, mutta näillä eväillä on halukkailla mahdollisuus alkaa etsiä lisää tietoa ja tulla tietysti lisäämään sitä ja linkkejä tähän artikkeliin.

Matti

---