VasePlane - Vase Mode Glider (Tàu lượn in Vase Mode)

V2: Phần kẹp tay (pinch grip) đã được bỏ và thay bằng một cái móc để phóng tàu lượn bằng dây thun. Đồng thời có kèm thêm một bộ giữ/tay cầm cho dây thun. (Gif V2 bay đã được thêm ở cuối bài này!)

Mẫu glider này lấy cảm hứng từ dáng vẻ “chuẩn” của máy bay tiêm kích một chỗ ngồi, và có một điểm kẹp ở mặt dưới để dễ phóng bằng tay hơn. Mình cũng có kế hoạch làm phiên bản phóng bằng dây thun trong tương lai. Thiết kế của glider này dựa trên một số nguyên tắc quan trọng về thiết kế máy bay và in 3D; chi tiết nằm ở phần Nguyên tắc thiết kế máy bay và mô hình bên dưới.

Ném mẫu này cũng cần quen tay chút, giống như quăng phi tiêu. Khi bắt nhịp được thì nó lướt rất ổn; tuy vậy mình khuyên bạn nên nhắm vào chỗ mềm hoặc cho nó đáp xuống cỏ, vì cánh có thể nứt nếu bạn ném thẳng vào tường!

Mẫu gồm 2 phần: thân chính in vase mode và mũi (nose cone) in theo thiết lập bình thường. Thân chính được in theo hướng mũi chúc xuống, vase mode spiral sẽ chạy từ buồng lái ra tới đuôi. Phần mũi được in riêng để có thể chỉnh trọng lượng bằng phần trăm infill, giúp cân bằng máy bay. Mình có ghi thiết lập và loại filament bên dưới; bạn có thể phải in mũi với thiết lập khác (in vài cái) rồi thử cái nào hợp nhất, tùy theo độ “đặc” của filament bạn dùng. Mình cũng có kèm STL của toàn bộ máy bay để bạn tự cắt nếu cần một chiều dài mũi khác.

Cách ném mẫu: Hiệu quả nhất là ném khá nhanh, để khí động học của mẫu làm việc tốt hơn. Hãy canh góc hơi chếch lên một chút để lướt xa hơn.

Video này là một số chuyến bay thử của mình. Nó lướt rất tốt nhưng khi chậm lại thì hơi ngửa mũi (pitch back) một chút. Trong video này phần mũi có vẻ hơi nhẹ, nên có thể cần in mũi ở 70–80% infill thay vì 60%.

Thiết lập in (Print settings)

Thiết lập mình dùng nằm trong các file .3mf đính kèm; dưới đây là tóm tắt những mục quan trọng nhất. In bằng nozzle tiêu chuẩn 0.4mm.

Thân chính (Main body):

Filament: Polyterra PLA - trắng, nozzle 205°C, bed 65°C

Layer height: 0.2mm

Supports: Không

Vase mode: Có, 3 solid bottom layers, chấp nhận các gợi ý vase mode của PrusaSlicer

Mũi (Nose cone):

Filament: Polyterra PLA - trắng, nozzle 205°C, bed 65°C

Layer height: 0.2mm

Supports: Không

Vase mode: Không

Infill: 60%, grid

Lắp ráp (Assembly)

Phần mũi cần được dán vào thân chính; mình thấy keo 502 (super glue) bình thường là ổn. Trên cả mũi và thân có một cái rãnh nhỏ (notch), bạn cần canh thẳng rãnh này khi dán để gắn mũi đúng chiều. Cố gắng dùng lượng keo vừa đủ nhỏ để keo không tràn ra mép, vì bạn cần canh mép bằng tay để phần chuyển tiếp từ mũi sang thân được mượt.

Nếu bạn đang thử nhiều mũi khác nhau, hãy dùng vừa đủ keo để giữ lại thôi, như vậy có thể bẻ ra để thử cái khác. Hoặc dùng băng keo nhỏ để cố định, rồi dán hẳn phiên bản bay tốt nhất. Với mình, mũi nặng dưới 3g một chút là hợp.

Gia cường (Reinforcement)

Mẫu có thể bể khi va chạm mạnh vì vase mode chỉ có một lớp, nên thân chính không quá chắc. Cố gắng đáp nhẹ thôi! Tuy nhiên, quét một lớp mỏng keo/sơn móng tay/băng keo ở vài vị trí quan trọng có thể giúp bền hơn. Các vị trí này là trên thân gần chỗ bắt đầu/kết thúc của cánh/đuôi ngang, và dọc theo mép trước (leading edge) của cánh.

Nguyên tắc thiết kế máy bay và mô hình (Aircraft and Model Design Principles)

Mẫu này được thiết kế theo một số quy tắc chung của thiết kế máy bay như bên dưới.

Dạng airfoil

Dạng airfoil được tạo bằng spline nhưng vẫn theo các nguyên tắc airfoil cho bay tốc độ thấp. Mặt trên có độ cong (cambered) còn mặt dưới khá phẳng. Khi đặt nghiêng vào luồng gió tới, mặt dưới sẽ “nén” không khí một chút làm tăng áp suất dưới cánh; còn mặt trên buộc dòng khí bẻ xuống khi đi qua bề mặt, từ đó làm giảm áp suất phía trên cánh. Chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới tạo ra lực nâng (lift) cho cánh.

Một cách khác để hình dung lift là nghĩ đến việc ném một vật. Ví dụ khi bạn quăng quả bowling hay bóng chày, bạn sẽ thấy nó “nặng” hơn trong tay khi bạn tăng tốc nó rời khỏi người—vì vật đang đẩy ngược lại bạn khi bạn đẩy nó. Cánh cũng làm tương tự với không khí: cánh “quăng” không khí xuống, và không khí “đẩy” cánh lên. Việc nghiêng cánh lên giúp tạo lift vì trực giác là nó ép không khí đi xuống; và ở tốc độ bay thấp thì cánh cong hơn (camber lớn hơn) thường được dùng để giúp bẻ dòng khí xuống khi lướt qua mặt trên.

Vì mô hình nhỏ và bay chậm, mình dùng chord length (khoảng từ leading edge đến trailing edge) khá lớn để tạo đủ lift cho việc lượn. Mình sẽ thử camber và góc tấn (angle of attack) “gắt” hơn nữa để xem hiệu năng có cải thiện không.

Winglets

Phần đầu cánh cong như hình gọi là winglets. Nó giúp giữ khả năng tạo lift của cánh. Trên cánh là vùng áp suất thấp, dưới cánh là vùng áp suất cao, nên không khí có xu hướng tràn từ dưới lên trên ở đầu cánh, gây mất lift. Winglets làm việc này khó hơn, nhờ đó cánh tạo được nhiều lift hơn với cùng sải cánh.

Dihedral

Trong hình trên cũng có dihedral (cánh chữ V). Nghĩa là hai cánh hơi nghiêng lên phía đầu cánh (đầu cánh cao hơn gốc cánh). Dihedral tăng ổn định lăn (roll stability): nếu máy bay bắt đầu lăn về một bên, cánh bên bị thấp hơn sẽ “gặp” luồng gió với góc tấn lớn hơn, tạo nhiều lift hơn, nhờ đó tự sửa lại cú lăn không mong muốn.

Wing twist

Cánh bắt đầu với độ nghiêng 5 độ ở gốc, và giảm còn 2 độ ở đầu cánh. Chi tiết này quan trọng hơn trên máy bay kích thước lớn, nhưng đưa vào cho vui. Vì gốc cánh lớn hơn nên vốn tạo nhiều lift hơn và thường chắc hơn các đoạn gần đầu cánh. Do đó có thể dùng góc tấn cao hơn ở gốc để tạo lift gần gốc mà không làm cánh dễ “fail”. Thứ hai, bề mặt điều khiển lăn (một dạng flap) thường nằm gần đầu cánh, nên người ta muốn cánh bị stall (mất bám không khí) gần gốc để phi công vẫn điều khiển được và phục hồi khi cánh bắt đầu stall. Dĩ nhiên phần này không áp dụng nhiều ở đây vì mô hình nhỏ và không có bề mặt điều khiển.

Trọng tâm (Centre of mass)

Máy bay thường ổn định hơn khi trọng tâm (COM) nằm phía trước tâm nâng (centre of lift). COM và centre of lift nên tương đối gần nhau, với COM hơi tiến lên trước. Vật thể quay quanh COM, nên nếu không có đuôi ngang thì máy bay sẽ chúi đầu (tumble forward). Đuôi ngang tạo một lực “nâng” hướng xuống nhỏ để cân bằng máy bay. Vì lực của đuôi ngang có cánh tay đòn (moment arm) tới COM dài hơn so với lift của cánh, nên chỉ cần một lực hướng xuống nhỏ là đủ để cân bằng. Trên máy bay lớn điều này còn giúp tránh việc máy bay bị ngửa ra sau khi đang ở càng đáp—trên mặt đất không có lift, nên COM quá lùi sẽ làm việc di chuyển máy bay khó hơn.

Có nhiều lý do để cân bằng như vậy, đa phần quan trọng với máy bay cỡ lớn. Ở đây lý do chính là để cân bằng khi lượn dễ đạt hơn với cấu hình như hình. Nếu COM quá lùi, máy bay sẽ ngửa mũi (pitch up); vì vậy cần mũi nặng để cân bằng.

Đuôi ngang (Horizontal stabiliser)

Như đã nói ở trên, đuôi ngang giúp kiểm soát pitch của máy bay trong lúc bay.

Điểm kẹp tay (Finger pinch)

Vị trí kẹp tay để ném được đặt gần COM để dễ ném hơn.

Đuôi dọc (Vertical stabiliser)

Đuôi dọc tạo ổn định hướng (yaw stability). Nếu máy bay bị yaw, đuôi dọc sẽ tạo một lực “nâng” ngang ngược chiều (vì nó giống như một cái cánh đặt dọc), giúp sửa yaw và đưa máy bay về thẳng. Giống như lá cờ gặp gió, đuôi dọc “muốn” canh thẳng theo hướng luồng gió, nên giúp ổn định yaw.

Lưu ý khi dựng 3D để in (3D Modelling Considerations for Printing)

Các ràng buộc thiết kế chính của mẫu đến từ việc in vase mode. Vì vậy không thể dùng supports; mép trước (leading edges) của cánh phải sweep (xéo) và mép sau (trailing edge) phải thẳng. Leading edge cần sweep vì nếu leading edge nằm ngang thì sẽ cần supports. Trailing edge phải thẳng để vase mode hoạt động; nếu trailing edge cũng sweep như leading edge thì vase mode không đi ra tới được đầu cánh. Một cách khác là cho trailing edge sweep ngược về phía đuôi, nhưng như vậy cánh sẽ rất lớn.

Góc overhang ở mép trước gần như sát giới hạn của máy in, nhưng nếu làm mát đủ tốt và layer height 0.2mm (hoặc thấp hơn!) thì vẫn in ổn.

V2 bay

Hơi gió nhưng bay rất tốt!