Jetpack til løbehjul

I forbindelse med en renovering af min quad fik jeg fire motorer til overs. De har fået nogle tæsk det seneste års tid men fungerer stadigvæk nogenlunde ok. Det ville være en synd bare at parkere dem i en skuffe så jeg tænkte om ikke man kunne bruge dem til at brygge et sjovt projekt sammen.

Man får imponerende meget ydelse ud af en så lille motor, men er det nok til at kunne drive et løbehjul? Det skal da testes, og derfor vil jeg prøve at lave et jetpack som skal monteres på datterens løbehjul.

For en ordens skyld skal det lige nævnes at jeg på forhånd ikke forestiller mig at dette kommer til at revolutionere løbehjulsindustrien :) Det er bare et lille hyggeprojekt for underholdningens skyld.

Jeg har ikke (endnu) mulighed for at måle hvor meget thrust en motor/propel kan generere. Det er nok et kommende projekt, men for vores lille projekt her vil jeg nøjes med et kvalificeret gæt baseret på lidt online research. De data jeg har fundet indikerer at min motor er i stand til at generere op til 1,7 kg statisk thrust. Det afhænger selvfølgelig af propellens stigning og antal blade og dernæst så er mine motorer som sagt ikke just nye og ubrugte. Så lad os gætte på 1,5 kg. Jeg har tænkt mig at bruge to motorer og forventer dermed i omegnen af 3 kg thrust. Datter og løbehjul vejer til sammen omkring 30 kg, og dermed kan vi forvente en acceleration på omkring 0,1g på flad vej, og antaget at hjullejer og rullemodstand er negligibel.

Med andre ord så tager det et minuts tid at komme op på 20 km/t - og det kommer til at larme som ind i helv... For mit eget vedkommende har jeg gennem årene investeret en del fadøl i at opbygge en respektabel inerti så jeg forventer ikke den store acceleration når jeg er testpilot :)

Perfekt! Mine indledende estimater indikerer at det ikke er helt umuligt at det kan bringes til at virke. Det er rigelig begrundelse til at gå videre med projektet!

Og så har jeg et lille trick: Jeg laver det som en EDF (EDF = Electric Ducted Fan). Med andre ord sidder propellen i en cylinder, hvilket burde forbedre effektiviteten, og som bonus også forbedre sikkerheden (det hjalp på WAF'en).

Jeg gik fluks i gang med at lave en 3d model af en EDF baseret på motor dimensioner og propeldiameter og endte op med dette design, som kan monteres på løbehjulet med de samme bolte der holder baghjulet fast.

Hvis jeg selv skal sige det, har jeg har ramt "jet-looket" rimelig ok :)

Jeg har valgt designparametrene rent udfra æstetiske overvejelser uden de store aerodynamiske bagtanker ud over min "intuition". Men er jeg egentlig kommet frem til et effektivt design?

Jeg er ikke belastet af særlig viden om aerodynamik, så der måtte lige researches en smule, og søreme om ikke jeg faldt over en hel PHD afhandling [1] som udelukkende handler om hvordan de forskellige designparametre påvirker effektiviteten af en EDF. Ganske interessant dokument, men det er en større omgang. Jeg vælger at koge den gode Dr. Pereira ned til, at fire betydende parametre har indflydelse på effektiviteten af et EDF design.

[latex]\textrm{Indeslutningens/rørets indre diameter}, D_t \textrm{ er grundparameteren som de fire andre relaterer til}[/latex] [latex]L_d \textrm{ er afstanden fra propellen til enden af røret}[/latex] [latex]\delta_{tip} \textrm{ er afstanden mellem rørvæggen og spidsen af propellen}[/latex] [latex]\Theta_d \textrm{ er 'udstødningens' vinkelåbning}[/latex] [latex]r_{lip}\textrm{ angiver radiussen for randen på indsugningsåbningen}[/latex]

Pereira angiver at en EDF kan forbedre effektiviteten med helt op til 94% i forhold til en 'fritgående' propel, og dermed for mit vedkommende en mulig thrust helt oppe omkring 6 kg! Så begynder det at ligne noget!

Men det havde måske været en god idé at finde og læse dette dokument inden jeg kastede mig ud i designet, da jeg kan konstatere, at min intuition indenfor EDF design lader noget tilbage at ønske...

De optimale værdier angives i dokumentet med reference til den indre diameter for røret - og dermed med implicit reference til propellen som er det eneste forudbestemte element i mit tilfælde.

Propel clearance skal selvfølgelig være mindst mulig, men jeg har ramt skævt på de tre andre parametre.

Diffuser length sweetspot er omkring 50%-70% af throat diameter - Med en propeldiameter på 5 tommer svarende til omkring 13 cm giver det en optimal længde på 65-90 mm. Mit designvalg som var udfra en æstetisk betragtning (skal ligne en jet motor) var ca. 100 mm - lige i overkanten.

Diffuser angle er til gengæld helt i skoven. Jeg har valgt en negativ vinkel (svarende til en indsnævring) på omkring 15 grader. Intuitivt troede jeg egentlig at den optimale vinkel ville være negativ udfra en forestilling om at det ville øge luftstrømmens hastighed. Når jeg læser faglitteraturen viser det sig, at jeg var helt galt på den. Det tyder faktisk på at 'udstødningen ikke skal være en indsnævring, men istedet en udvidelse med en vinkel omkring 10 grader.

Og til sidst er radiussen for randen på indsugningsåbningen alt for lille. Der må jeg nok indrømme at det faktisk giver god mening at den skal være større, da den vil påvirke luftflowet fra siderne og ind i motoren. Når den er smal som jeg har lavet kan det nok øge turbulensen og dermed reducere luftindtaget.

Jeg kan mærke at dette ender ikke med denne blogpost... Jeg bliver nok nødt til at redesigne en EDF baseret på Pereira og så lave en sammenligningende thrustmåling. Bare så vi kan få syn for sagen: Hvor meget mere thrust ville jeg have fået hvis jeg havde researchet, før jeg designede? :D Men før det kan ske skal jeg lige have bygget en teststand, så der går lidt tid før I hører om det.

Når det er sagt, så fik jeg faktisk en ganske respektabel ydelse ud af mit design. Nok til at datteren synes det går for hurtigt, men der var ikke nok thrust til at jeg oplevede brugbar acceleration. I kan se en video hvor jeg bygger og tester jetpacken her.

Den typiske ing-læser som utvivlsomt er såvel opmærksom, som matematisk kapabel tænker måske: Var der ikke fire motorer til overs. Hvad med de andre to? Jeg kan berolige med at jeg har yderligere planer for i hvert fald én af de to: Et mindre våbenkapløb er i gang på kontoret og adskillige nerf pile har fløjtet omkring ørerne på mig den seneste tid. Et par kolleger trænger dermed til en lektion/afklapsning og jeg tænkte om ikke man kunne lave noget både billigere og bedre end hvad der kan købes? Men det er en historie til en anden dag :)

[1] http://drum.lib.umd.edu/bitstream/1903/8752/1/umi-umd-5771.pdf