처음에는 Jean-Louis Naudin에게서, 이후에는 Ethan Krauss에게서 영감을 받아, 자체 무게와 자체 내장 동력원의 무게를 모두 들어 올릴 수 있는 자체 동력 이온풍 리프터 비행체를 만들어 보겠다고 스스로 도전했습니다. 목표에 거의 도달할 듯한 유망한 순간이 많았지만 늘 아슬아슬하게 목표에 미치지 못했던 1년 반의 여정이었습니다. 그러다 마침내 제 꿈이 현실이 되는 것을 목격했습니다. 아직 조종하거나 고도를 제어할 수는 없지만, 이륙에는 성공했습니다! 제가 배운 것을 공유하고, 다른 사람들이 이를 한 단계 더 발전시키도록 영감을 줄 수 있기를 바라며 이 Instructable을 작성합니다.
변압기가 포화되기 전까지 비행 시간은 약 10초 정도에 불과했습니다. 배터리는 약 45초 만에 방전됩니다. 배터리 전압이 3.2V 이하로 떨어지므로 일반적으로 영구적인 손상이 발생하고, 재충전 후 배터리가 완전히 회복될 가능성도 저하됩니다.
참고: 이 프로젝트는 개념 증명을 위한 것이며 초보자나 경험이 없는 사람이 제작하도록 의도된 것이 아니라는 점을 강조하고 싶습니다. HIGH VOLTAGE를 다루는 데 익숙하지 않다면 제작을 시도하지 마세요. 또한 제작과 구현에는 여기에서 다루지 않은 여러 세부 사항이 있습니다. 직접 제작할 경우 결과가 다를 수 있습니다. 저와 비슷한 사람이라면 이것을 가능한 작업의 실제 예로 활용하고, 이런 종류의 프로젝트를 진행할 때 자신의 창의력과 직관을 발휘하세요.
DeltaX Flier:
36개 - 1.5mm x 1.5mm x 500mm 콘테스트급 발사나무 막대
1롤 - 경량 주방용 알루미늄 포일(두께 10-12 microns)
10미터 - 단심 304 스테인리스 스틸 와이어 .02mm 직경(연질)
두께 1/2인치 Styrofoam 보드
두꺼운 흰색 포스터 용지
#43 AWG 마그넷 와이어
두께 1mm 평평한 발사나무 판재
순간접착제
풀 스틱
전자 부품:
1개 - LiPO 배터리(Gaoneng GNB 300mAh 6.5grams)
1개 - MCP73831 - 배터리 충전 전원 관리 평가 보드
16개 - 2CL69A, 5.0mA 4.0kV 100nS, 고전압 실리콘 정류 다이오드
32개 - 세라믹 커패시터 2200PF 2KV X7R 1206 (C1206X222K202T)
1개 - UU9.8 10mH 공통 모드 초크 인덕터
#28AWG 마그넷 와이어
4개 - SiSH106DN, N-채널 20 V (D-S) 고속 스위칭 MOSFET
1개 - ATTINY85-20SU, IC MCU 8BIT 8KB FLASH 8SOIC
1개 - TSOP36238TT, SENSOR REMOTE REC 38.0KHZ
1개 - 47uF X5R 세라믹 커패시터 16V 1210 (GRM32ER61C476KE15L)
2개 - 0.1uF X7R 세라믹 커패시터 50V 0603
1개 - 4.7uF 탄탈럼 커패시터 10% 10V 0603 (TACL475K010RTA)
3개 - 10kΩ 저항기 1% 0603
2개 - 10Ω 저항기 1% 0603
지원 품목:
삼성 범용 리모컨
직경 2.5mm 열수축 튜브
1개 - 220V AC 릴레이(변압기 2차 측에 사용할 전선을 회수)
코일 권선기
저울(±0.01그램 분해능이 가장 좋음)
3D 프린터
PLA 필라멘트
기타 유용한 지원 품목
500MΩ 저항이 연결된 85C1-50Kv 미터 또는 동급 제품(고전압 측정용)
10A 350W 실험실용 전원 공급기
오실로스코프
디지털 멀티미터
처음에는 단일 육각형 플라이어를 사용해 자체 전원 비행을 달성하고 싶었습니다. 플라이어를 제작하고 외부 전원 공급기로 구동한 후, 몇 가지 중요한 데이터를 얻을 수 있었습니다. 이 데이터를 바탕으로 22kV에서 부하에 최대 25W를 공급할 수 있는 가장 작고 가벼운 동력 장치를 설계하기 시작했습니다. 변압기와 구동 회로의 무게를 줄이는 동시에 효율과 성능을 높이고, Cockcroft-Walton 승압 배압 체인을 최적화하는 데에도 수개월의 실험이 필요했습니다. 이후 관심을 배터리로 돌렸습니다. 가장 가볍고 에너지 밀도가 높은 배터리는 무엇일까요? 소형 드론용으로 특별히 설계된 여러 종류의 리튬 이온 폴리머 배터리를 구입해 부하 테스트를 수행했으며, 그 그래프를 첨부했습니다. 751517은 100mAh 30C 배터리로, 보호 PCB를 제거하니 무게가 2.7그램이었습니다. 30초 동안 약 9.5W를 공급할 수 있었습니다. 651723은 150mAh 30C 배터리로, 역시 보호 PCB를 제거한 후 무게가 4.5그램이었습니다. 90초 동안 거의 16W를 공급할 수 있었습니다. 마지막으로 GAONENG GNB-300을 테스트했습니다. 이 배터리는 Hi C 방전율 정격의 300mAh 배터리이며 보호 PCB가 없었습니다. 무게는 6.4그램이었고 3.1V에서 45초 동안 약 30W를 공급할 수 있었습니다. 이 시점에서 PCB / 변압기 / C-W 배압기 / 연결 전선의 무게는 약 6.2g이었습니다. GNB300 배터리는 약 6.4g, 육각형 플라이어는 3.3g이었으므로 육각형 플라이어가 이륙하려면 필요한 총 추력은 15.9g이었습니다. 데이터를 살펴보니 그 정도의 추력을 얻으려면 약 25W가 필요했습니다. 게다가 전력 대 중량비는 가파르게 증가하는 지수 곡선상에서 1.6W/그램에 가까워지고 있었습니다. 결론적으로 달성할 수 있는 최대 전기 효율은 최선의 경우 75%, 일반적으로는 약 73%였습니다. 이는 꽤 좋은 수치이지만, 간단히 계산해 보니 최소 3.1V를 유지하면서 34W 이상의 입력 전력이 필요했습니다. 이는 GNB-300에 상당히 무리한 요구였습니다. 어쨌든 저는 모험을 감수하고 동력 장치를 육각형 플라이어의 중심부에 설치했습니다. 짧은 영상에서 플라이어가 이륙하지 못했음을 확인할 수 있으며, 실제로 전류가 Mosfet에 과도하게 흘러 몇 초 후 소자가 소손되었습니다. 영상에서는 마법의 연기까지 볼 수 있습니다.
이 시점에서 저는 거의 포기할 뻔했지만, 목표에 아주 가까이 와 있다는 것을 알고 있었고, 그때 전력/추력 데이터에서 무언가를 발견했습니다. 육각형 플라이어 3개를 만들어 서로 연결하고, 12.6그램의 탑재물(동력 장치)과 플라이어 무게 3배인 9.9g을 더하면 이륙에 필요한 총 추력은 22.5g이 됩니다. 약 1W/그램으로 작동한다면 필요한 전력은 25W가 아니라 22.5W이며, 더 중요한 점은 전력 대 중량비 곡선이 1W/그램 부근에서 더 선형에 가까워진다는 것입니다. 이는 작은 차이처럼 보이지만, 효율이 75%일 때 이제 22.5W의 출력 전력을 얻는 데 30W만 필요하며, 이는 GNB-300 LiPO 셀의 범위 안에 있었습니다.
육각형 플라이어 3개를 만들고 서로 연결하는 일은 결코 쉽지 않았습니다. 우선 육각형 플라이어 하나에 이미터 전선을 엮는 작업부터가 말할 것도 없이 매우 어려웠습니다. 수직 막대 중 하나를 실수로 건드려 두 동강 내는 일이 매우 쉽게 발생했습니다. 또한 세 구조물을 연결하는 인공적인 중심부를 만들어야 했는데, 이는 쓸모없는 무게를 추가하게 됩니다. 게다가 동력 장치를 중앙 코어에 설치하면 승압 배압기가 컬렉터와 이미터 양쪽에 가깝고 이를 가로질러 배치되기 때문에 아크 오버가 발생하는 경향이 있습니다. 그래서 몇 주 동안 조용히 고민한 끝에, 마침내 종이에 1인치 정삼각형을 여러 개 출력해 배열하기 시작했습니다. 결국 제가 DeltaX 구성이라고 부르는 형태를 고안했습니다. 이렇게 하는 데에는 몇 가지 장점이 있었습니다. 우선 각각의 삼각형 플라이어를 독립적으로 전선을 엮어 제작할 수 있어 다루기가 훨씬 쉬웠습니다. 둘째, 중앙에 완벽한 큰 정사각형이 형성되어 동력 장치를 위한 훌륭한 절연 공간이 만들어졌습니다. 또한 3개 육각형 방식보다 더 콤팩트했습니다. 다음 단계에서는 이 프로젝트의 제작 과정을 자세히 설명합니다.
먼저 두꺼운 포스터 용지에 삼각형 템플릿을 만들었습니다. 삼각형의 각 변은 세 꼭짓점 사이의 길이가 206mm입니다. 그런 다음 템플릿을 1/2인치 폼 보드 위에 놓고 가장자리를 테이프로 고정했습니다. 이어서 꼭짓점 위치에서 템플릿과 폼 보드를 관통하도록 작은 구멍을 뚫었습니다. 이렇게 하면 삼각형 구조물을 접착제로 조립하는 동안 수직 막대를 제자리에 고정할 수 있습니다.
그런 다음 DeltaX Flier는 206mm x 206mm x 206mm 크기의 삼각형 플라이어 12개로 구성됩니다. 각 삼각형 플라이어는 1.5mm x 1.5mm x 204mm 수평 스틱 3개와 1.5mm x 1.5mm x 86mm 수직 스틱 3개로 제작됩니다. 먼저 수평 스틱을 #43AWG 주석 도금 와이어로 감습니다. 이 와이어가 컬렉터와의 전기적 연결을 형성합니다. 다음으로 폭 25mm x 길이 200mm의 알루미늄 포일 스트립을 와이어와 함께 수평 스틱 둘레에 감되, 양 끝에 스틱이 각각 동일하게 2mm씩 노출되도록 합니다. 이어서 수직 스틱을 86mm 길이로 자르고, 1.5mm x 1.5mm x 4mm 지지 브래킷을 부착할 위치와 지지 브래킷 상단에 컬렉터 스틱을 부착할 지점에서 위로 37mm 떨어진 곳에 작은 구멍을 낼 위치를 연필로 표시합니다. 구멍은 아주 작은 재봉 바늘을 납땜 인두 팁에 부착하여 만듭니다. 이렇게 만든 도구를 목재용 인두로 사용해 수직 스틱의 37mm 표시 지점에 작은 구멍을 냅니다. 그런 다음 3개의 컬렉터를 수직 스틱에 접착하고, 직경 .02mm 스테인리스 스틸 와이어를 스틱 상단의 작은 구멍에 통과시킨 뒤 살짝 팽팽하게 당겨 묶어 고정합니다. 마지막으로 모든 컬렉터 와이어를 서로 납땜합니다. 12개의 삼각형 플라이어를 서로 접착하여 DeltaX 구성을 만들고, 첨부된 도면에 따라 전기 노드를 배선합니다. 마지막으로 중앙에 1.5mm x 1.5mm x 280mm 가로 부재를 추가하고, X 교차점 중앙에 직경 30mm, 두께 1mm의 원형 평평한 발사 목재 디스크를 접착하여 동력 장치를 올려놓을 플랫폼을 만듭니다. 완성된 기체의 무게는 12.5그램을 넘지 않아야 합니다. 이를 위해서는 매우 가벼운 발사 목재 스틱의 공급처를 찾아야 합니다. 모든 발사 목재는 밀도가 서로 다릅니다. 일반적으로 airplane model 또는 contest grade라고 표시된 제품이면 적합합니다. 저는 가장 가벼운 제품을 찾기 전까지 여러 공급업체에서 구매해야 했습니다. 1.5mm x 1.5mm 발사 목재 스틱을 찾기는 어려울 수 있습니다. 그래서 2mm x 2mm x 500mm 발사 목재 스틱을 구매했습니다. 그런 다음 스틱을 1.5mm x 1.5mm로 갈아낼 수 있도록 두 부분으로 구성된 샌딩 지그를 3D 프린팅했습니다. 여기에 STL 파일을 포함했습니다. Cura 슬라이서를 사용해 Ender3 V3 KE로 super quality 설정에서 출력했습니다. 목재가 매우 부드러워 작업은 그다지 어렵지 않았고 오래 걸리지도 않았습니다. 120 Grit 사포를 사용했습니다. 2mm 스틱을 204mm 길이로 자른 뒤 1.7x1.0 지그에 넣고, 사포가 PLA 지그 표면에 닿는 소리와 감촉이 느껴질 때까지 스틱을 계속 갈아냅니다. 그런 다음 다른 1.2x1.0 지그로 바꾸어 스틱을 마무리합니다. 이 과정을 수평 스틱 32개 모두에 반복합니다.
또 다른 중요한 부품은 알루미늄 포일입니다. 일반적인 알루미늄 주방용 포일은 다양한 브랜드로 판매됩니다. 가장 가벼운 제품을 찾아야 합니다. 저는 여러 브랜드의 제품을 구매했습니다. 각각에서 30cm x 30cm 조각을 잘라 약 2인치 정사각형 크기가 될 때까지 반복해서 접은 다음 각각의 무게를 측정했습니다. 그중 가장 가벼운 것은 2.6그램이었고, 이는 두께 약 11마이크론에 해당합니다.
제 권장 사항은 모든 발사 목재 스틱, 알루미늄 포일 스트립 및 X 교차 부재 플랫폼 부품을 준비한 뒤 조립하기 전에 무게를 측정하는 것입니다. 적절한 재료를 구했다면 무게는 12그램보다 훨씬 적어야 합니다.
동력 장치는 네 가지 주요 부품, 즉 Main PCB, Output Transformer, Cockroft Walton multipler 및 LiPO battery로 구성됩니다.
Main PCB
Main PCB에는 ATtiny85 마이크로컨트롤러, IR 수신기, 4개의 N-CH MOSFET 및 출력 트랜스포머가 사용됩니다. 마이크로컨트롤러는 IR 명령을 수신하여 전원을 ON/OFF하고, 출력 트랜스포머에 90kHz의 푸시-풀 구동 신호를 제공합니다.
Q1과 Q2는 SiSH106 MOSFET이며 출력 트랜스포머의 1차 측을 구동합니다. 게이트는 ATtiny85의 PB2와 PB3에 의해 구동되며, 두 출력은 50% 듀티 사이클과 1us 데드 타임을 갖는 90kHz 상보 출력입니다. Q3/Q4는 병렬로 연결되어 R5 및 C4와 함께 돌입 전류 제한기를 구성합니다. 푸시-풀 회로를 켜면 매우 큰 초기 돌입 전류가 발생하여 LiPO 배터리 전압이 ATtiny를 리셋시키는 수준까지 떨어집니다. 전류 제한기는 켜질 때의 전류를 늦추고 제한하여 마이크로컨트롤러가 리셋되지 않도록 합니다.
PCB는 단면 FR4 .024 thk x .95"L x .55"W 규격입니다. 작은 크기와 가벼운 무게가 핵심입니다. 완성된 PCB의 무게는 약 1.5그램입니다.
Output Transformer
트랜스포머는 UU9.8 코어에 (4가닥의 #28AWG)를 4회 감은 권선으로 구성됩니다. bi-filar 이는 완벽한 센터 탭을 형성하기 위한 것으로, 1차 측의 각 절반은 두 가닥을 병렬로 연결한 구조입니다. 2차 측은 (약 #46AWG)를 420회씩 4개 구간으로 나누어 총 1680회 감습니다.
UU9.8 코어는 온라인에서 구매할 수 있는 10mH 공통 모드 초크 인덕터에서 회수할 수 있습니다.
보빈은 5개의 개별 부품으로 출력한 뒤 순간접착제로 접착합니다. 작은 크기 때문에 한 번에 한 부품으로 출력하는 것은 실용적이지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 부품 출력에는 PLA를 사용했지만 ABS가 더 좋습니다. 보빈 양쪽에 직각 단일 핀 수 헤더를 하나씩 접착하여 2차 측 와이어를 연결하고 완성된 Cockroft-Walton multiplier assembly를 지지합니다.
직경 2.5mm 열수축 튜브를 사용해 UU 코어의 한쪽을 덮고, 그 위에 1차 측 4T(4가닥 #28AWG)를 직접 감습니다. 감기가 끝나면 권선에 순간접착제를 소량 발라 단단히 고정합니다.
완성된 트랜스포머는 코어를 포함해 무게가 약 2.9그램입니다.
Cockroft-Walton Multiplier
C-W multiplier는 x16 양극성(-x8 및 +x8) 구성입니다. 다이오드는 2CL69A이고 커패시터는 Holy Stone Enterprise Co., Ltd. P/N C1206X222K202T입니다. multiplier를 구성하려면 2.2nF 2kV 커패시터를 두 개씩 서로 납땜하여 1.1nF 4kV 커패시터 16개를 만듭니다. 다이오드 리드를 양쪽에서 약 0.2" 길이로 자르고, 리드를 구부려 형태를 잡은 다음 그림과 같이 약 30º 각도로 커패시터에 직접 납땜합니다. 이렇게 하면 무게가 약 2.6그램인 튼튼하고 가벼운 구조가 만들어집니다.
마지막으로 그림과 같이 PCB, transformer 및 C-W multipler를 조립합니다. 총 무게는 약 7그램입니다.
배터리
전원으로 1S Gaoneng GNB 300mAh LiPO batter를 사용했습니다. 무게는 약 6.5그램입니다.
이로써 power plant의 총 무게는 약 13.5그램이 됩니다.
이 코드는 Arduino IDE와 프로그래머로 사용한 Arduino Nano를 이용해 프로그래밍했습니다.
power plant를 Delta-X flier에 설치하기 전에, 옆쪽에 연결하고 flier에 12.5그램에 해당하는 무게를 추가하여 들어 올릴 수 있는지 확인했습니다. IR remote를 설명하고 pre flight를 시연하는 이 짧은 영상을 시청해 주세요. 왼쪽의 카메라 앵글 밖에는 #43AWG wires를 사용해 power plant를 flier에 연결해 두었으며, flier는 약 12 inches의 sewing thread로 묶어 두었습니다.
이 데이터는 self powered flight에 사용한 실제 DeltaX1 flier로 측정했습니다. 다만 충분한 시간을 확보해 신중하게 데이터를 측정하기 위해 다른 transformer와 옆쪽의 external powersupply를 사용했습니다.
추력 제어와 Pitch/Roll capability를 완전히 제어할 수 있도록 이 프로젝트를 더욱 개선해 볼 예정입니다. 앞으로 몇 달 안에 공유할 무언가를 완성할 수 있기를 바랍니다.
원문: https://www.instructables.com/Self-Powered-Ionic-Wind-Flier/
https://www.instructables.com/Self-Powered-Ionic-Wind-Flier/