Shin's MonoBlogue

せっかくの夏休みの時期ですが、新型コロナウイルスの再流行に加えて、連日の猛暑。帰省もせず、遊びに出かける気にもならず、お盆休みはほぼ、じっと家にいました。で、新しいホバークラフトが出来ました。

レース用ホバークラフトと同様の、大型ファンを後方に向けて推進用と浮上用に分流する設計のものはいくつか出来たので、今度は全く異なる設計にチャレンジすることにしました。レーシングホバークラフトでは浮上しようとすると同時に推力が生まれるので、浮上したままその場でじっとすることは出来ません。静止できる方がむしろ浮上感があるとか、狭いガレージで遊べるとかいうこともあるので、今度は推力を0にできる構造にします。


例によって Blender で試行錯誤しながら上の図のような機体を設計しました。中央には縦にエンジンとプロペラを置き、気流をボディ内部に吹き込みます。その気流をボディ底の周囲から吹き出すことで浮上します。空気をボディ内側に向かって斜めに吹き出すことでボディ下部の圧力を漏れにくする、スカートレスホバークラフト構造としました。またボディ内部には後方の吹出口（推進用）に加え、ボディ前方に、左右向きに空気を吹き出すことで向きを変える仕組みを組み込みました。ボディ後方に舵をつける設計では、右に曲がろうとしたときに一時的に反対向き（左向き）にボディを押すことになりますが、前方なら自動車が前輪で舵を切るように向きを変えたい向きに力を加えることになり、無駄がなくなるためです。空気の吹き出し量は前後ともにロータリーバルブ式とし、後方の推進用は横軸、前方の操舵用は縦軸でバルブが回るようにしました。

設計ではこのような仕組みだけでなく、いかに軽さを保ちながら強度を出すかという点が問題になります。複雑な構造のために重さがかさむので、外皮の造形は１層だけにしますが、それでは特に縦方向（積層方向）の強度が非常に乏しくなります。実際に、縦の柱はほとんど強度が出せなかったので、造形パラメータを変えることでより強度の高い別部品を作って接着したり、ＵＶレジンを塗布して強化する必要などがありました。また、３Ｄプリンタで造形しやすい構造にすることも重要です。極端なオーバーハングがあると造形が難しくなるため、できるだけオーバーハングは45度以下となるよう設計しました。今回はボディを上下の２枚に分け、上ボディは転置逆にして造形します。３Ｄプリンタの造形範囲の問題でボディサイズは縦28cm、横26cmです。


他にもいろいろと考えるべきことがあります。バッテリーを内部に装着する作業はプロペラが止まっている間にできますが、エンジンが掛かってしまってからは内部に手を出せないので、燃調を調整するニードルを操作できるよう、底に最低限の窓を空けました。また、燃料の供給を簡単にするため、パイプで真上から給油できるようにします。このパイプは同時に、燃料をタンクに十分に満たせるようにする役目も果たします（パイプがないと半分ぐらい入れたところで溢れてしまう）。グローヘッドを加熱する電源は普通、クリップで装着し、エンジンがかかると取り外しますが、それができないためヘッドに配線を固定してしまい、ボディ後部にコネクタを設けて電池を接続できるようにしました。上の写真ではエンジンが直接ボディに装着されていますが、これではやはり強度が不足するため、これも最終的には密度を上げた別パーツを作ってそれにエンジンを固定するようにしています。


設計からテスト走行までを動画にまとめました。今回のホバークラフトではいろいろな懸念がありました。大きさが小さく、特にボディ下面の風圧がかかる領域は 500cm² 程度しかありません。ファンの風圧に対してさほど余裕がないため、ボディを気流が通過するときの圧損を考えると浮上しないのではないかといった懸念のほか、推力の不足や、推進しようとすると圧力が逃げてボディが接地してしまうのではないかといった基本的な問題。さらに、ファンが縦軸周りに回転しているため、ボディが逆に回ってしまうという問題が考えられました。試運転の結果、浮上性能には問題がないことがわかりましたが、やはりボディは回ってしまいます。ファンの上に、気流を補正する静翼をつけたところ今度は反対向きに回ってしまう始末。その加減もいろいろな状態で変化するようで、静翼で調整するのは難しいと考え、ジャイロを搭載して自動補正するようにしたところそれなりに真っ直ぐ進むようになりました。

しかし問題がまだいろいろ残っています。最大の問題はエンジンの安定性。そもそも縦向きにして使うことが考慮されていないエンジンのため、動作しないことはないのですが、燃調が不安定となり、エンジンが掛かりづらいほか、かかった後でも急に止まったりします。このタンク一体型のCoxエンジンはニードルがタンクの後ろ（縦置きでは下）にあり、燃料の圧がかかるのが問題のようで、最終的には TeeDee のような向きに対して強いエンジンに載せ替える必要がありそうです。他に、ボディが浮上方向に振動する問題も発生しました。吹き出し気流の慣性のため、ボディが下がると急に反発・急上昇するようです。静止時はかなり振動しますが、推進するとましになること、またエンジン搭載位置（高さ）を5mmずらすだけでかなり挙動が変わったため、チューニングが必要のようです。どうも少し重さを増やすだけでも改善しそうですが、いずれにしても調整の必要があります。推進力はそれなりにありますが、方向を制御するための気流が弱いとか、内部の電装系が油で濡れるため搭載位置を変えたいとかいろいろありますが、とにかく今は暑すぎます。室内でエンジンを掛けるわけには行かないためガレージで動かしていますが、少し動かすだけで汗だくに。室内で動かせないエンジン機の続きは、涼しくなってからにしようと思います。

なかなか思ったようにならないホバークラフトですが、この形式（立てて配置した推進用ファンの気流の一部を、浮上用にも利用するタイプ）は一応今回で完成を見ました。ポイントは電装系の改良による操縦性の改善です。


実は当初、受信機用の電源にはスマホ用の小型のモバイルバッテリーを使っていました。（危険があるので勧められませんが）出力のUSBケーブルを切って受信機用のコネクタをつけたもので、充電は別のUSBの口からできるので専用充電器が不要ですし、保護回路も付いていてよいと思ったのですが、少し重いという欠点があります。また、サーボが１つのときは良かったのですが、サーボが２個になると電流不足で電源が落ちたり、動作が不安定になることがわかり、諦めてラジコン用のリチウムポリマー電池 (LiPo) を使うことにしました。受信機は最大 7.4V まで受け付けるということで、最初は２セルの LiPo を直結して使っていたのですが、今度は（受信機はいいのですが）サーボの動作がハンチングするなど不安定に。結局、降圧型の DC-DC コンバータを入手して 5V に下げることにしました。


そして、操縦性改善の特効薬？としてジャイロを導入しました。どうもラジコンカーの分野、特にドリフト走行をする人たちには当たり前の装置のようで、単に受信機とサーボの間に割り込ませるだけで、スピン（ヨー回転）を打ち消すように舵を自動的に切ってくれるものです。前述のバッテリー系とサーボを組み込み電装系の改善は完了です。さらに舵の効きを良くするために、これまでは１枚だったラダーを２枚に増やす改善も行いました。


走行させてみた様子です。ジャイロの効きはそれほど高くしておらず、すぐにスピンが収束するほどではありませんが、エンジンの振動が大きくゲインを高くすると不安定になることもあって程々の設定で、自分でもある程度積極的に当て舵を入れる必要がありますが、かなり運転しやすくなりました。ラダーを２枚にした効果も高いと思います。また、レスポンスが遅くあまり使いませんが、エンジンの回転数の制御も可能です。

この形式は浮上したままで静止することが出来ないのですが、速度が乗りやすく、もっと広いスペースがあれば楽しく運転できるだろうと思います。ともあれ、まずはこれで完成ということにして、3Dデータを公開します。ファイルには Blender の元ファイルと，各パーツの STL ファイル等が入っています。エンジンマウントは PeeWee 020 エンジン用（方向舵のみの 1ch サーボ）、049エンジン用（方向舵とスロットルの 2ch サーボ、スロットルサーボをつけずに方向舵のみでも使えます、ロングタンク用ですが取り付け位置を前に出すとノーマルタンクでも使用可）の２つがあります。

3Dデータ : hc1.zip

エンジン式のホバークラフトにこだわっている僕ですが、実はこっそり電動にも手を出していました。やっぱり好きなだけ始動・停止ができ、速度制御も柔軟、しかもパワフル・・という最近のブラシレスモーターは魅力です。普通にモーターとプロペラを買ってもいいのですが、EDF (Electric Ducted Fan = 電動ダクテッドファン) なら小型でプロペラと筐体が一体になっており、搭載しやすく怪我をするリスクも少ないのでいいかと思い試してみることにしました。急ぐものでもないので、Aliexress で一番安いやつを探し、注文しておいたら１ヶ月ほどしてから届きました。1800円ほどです。


EDF そのものは安いのですが、実際に動かすとなると周辺のものがいろいろと必要です。まずはバッテリー。ラジコン用バッテリーはセルのみで保護回路などなく、扱いを誤ると発火の恐れがあるなど少し危険なものです。ですので手を出さないでおこうと思ったのですが、結局買ってしまいました（エンジン式のホバークラフトでも受信機用電源を軽量化するために必要になったので、そちらも別に買っています）。３セル、500mAh の小さなもので、1,312円。これに充電器（２・３セル兼用，970円）、モーターを制御するESC（スピコン、30A, 1,124円）が必要になりました。他にコネクタや熱収縮チューブのセットも買いましたが、一番高くついたのは火災予防のアンモボックス（弾薬箱, 2,196円）。しかし安心には代えられません。


Blender でのモデリングにもかなり慣れてきて時間もかからなくなってきました。EDF の能力（風圧）が高く余裕があるので、今回は手軽に遊べるようにと小型にしました。造形パラメータもあまり軽量化にはこだわらず強度重視で、PLA で造形。小さいですがバッテリー込みで実測377gになりました。


こちらが制作から試運転までの動画です。今回は EDF のパワーチェックから造形など一通りがわかる動画にしてみました。EDF は一番安いものでしたがパワーはかなりあり、推力は750gとのこと。つまり自重よりも推力があるわけで、作りようによっては地面効果がなくてもまっすぐ上昇するパワーがあります。しかし消費電流は25Aなので、フルパワーで連続運転すると電池は１分ほどしか持たない計算です（モーターやESCがそんなに長い連続運転には耐えられないと思いますが）。ガレージでは、フルスロットルは使えても一瞬で、それでも暴走したりしますが、どうも風速が早いためか浮力の中心が後ろ寄りで、重心も後ろに寄せているのですが前下がりになり運転がしづらいです。少し大きいバッテリーを積んでもいいかもしれません。ちなみにこれぐらいのハーフスロットルで遊ぶぶんには10分ほど動かせました。意外と遊べますが、エンジン式と違って電池がなくなるとそれで終了。予備があれば交換はすぐですが、なければかえって充電する他ありません。