起飛重量200kg交錯式主旋翼UAV。
這是在晉陞太空科技任職時，除了開發衛星發射載具的支援設備與量測任務外，初期我負責機械設計開發的專案。
與市面上常見的多軸無人機不同，這是使用了交錯式旋翼intermeshing rotors結構的直升機型UAV，在較小的空間下提供較高的載重，目標起飛重量是200kg，同時使用燃油引擎來，目標是提供8小時的連續運作時間。
現實的有人直升機中，以Kaman K-MAX是代表機型。
接手開發時，我是沒有任何直升機與無人機的設計開發經驗，主要飛行相關的氣動力規劃，都是由董事長陳彥升博士規劃，我負責完成實際的機械原型。
當時我已經完成有完整機械結構包含動力系統，可以固定在地面以遙控方式運作的測試原型，測試時有發現明顯問題待執行改善。但是後續衛星發射載具的相關任務優先，設計修正與測試的任務就加以擱置，目前離職已久不知後續開發狀況。
使用intermeshing rotors的旋翼構型的UAV，有幾項優點
1. 能夠在相同的主旋翼空間下提供較高的載重，雙旋翼能夠提供更高的升力，但是佔用空間接近單旋翼。
2. 因為是璇向相反的雙旋翼構造，旋翼產生的扭矩會互相抵消。
3. 所以和單旋翼相比，能夠省略用來抵消單旋翼扭矩的尾部旋翼，理論上能減少尾部旋翼造成的動力消耗。
當然也帶來設計上的困難點
1. 因為是雙旋翼構造，所以會需要兩組完整的主旋翼頭，控制結構，會增加不少機械複雜度以及額外重量。
2. 雙旋翼因為是交錯對轉的構造，主旋翼與一般直升機相同，是能透過swashplate動態改變旋翼攻角，因此設計上進行機械動作的干涉檢查特別複雜困難。
3. 雙旋翼主軸的夾角是特殊角度，傳動系統需要特殊類型的零件，需要和齒輪廠商訂製專用齒輪，搭配特殊的機械結構。
設計200kg UAV測試原型，有幾項基本要求
1. 3個月決定構型與細部機械設計，再3個月完成零件備料與組裝作業，總共6個月完成可進行地面測試的機械原型。
2. 使用交錯式旋翼intermeshing rotors結構。
3. 使用燃油引擎。
4. 起飛重量200kg(含8小時燃油)，空重60kg。
5. 雙旋翼使用機械結構達成differential控制，不使用額外軟體控制，方便搭配已經成熟的單旋翼直升機控制和操作習慣。
6. 具有基本的外部遙控功能，能夠方便測試操作。
整體設計分成幾個關鍵項目。
1. 主旋翼頭與十字盤。
原始是規劃使用航空模型的現成品，但是包含國外的來源，都沒有適合200kg UAV使用的尺寸。
因此改為自行設計整組主旋翼頭與十字盤，要模仿現成品的設計加以放大，並不困難。實際的困難點為缺少主旋翼頭與十字盤的設計經驗，缺少許多的know how，許多部份需要不斷研究資料，需要決定幾何參數/動作範圍/安全係數等等，甚至透過嘗試錯誤再加以修改。
這邊的機構動作非常複雜，設計完成後透過CAD軟體檢查動作與干涉，花了非常多時間。
2. 傳動機構。
兩個主旋翼頭，需要同步傳動，而且不可以發生時序的錯誤，否則葉片會撞在一起。而且需要安排成一個特定的夾角，這個角度不是常見的45度或是90度，又要簡化零件數量，來降低重量與複雜度，就需要訂製特殊角度的傘齒輪。
這時有幾種選項
A. 開模具訂製正式研磨齒輪。
只做測試原型，特殊模具價格非常昂規，模具國外製作交期也非常長。老闆希望使用高精度研磨齒輪，但是無法等待長交期，所以暫時不選擇，等到正式量產時再考慮。
B. 用機械加工製作測試用齒輪。
不做精密研磨，性能會差一些，但是足夠驗證機械結構。因為齒輪精度不夠，老闆不接受此選項。
C. 改用現成的齒輪箱組成。
為了達成指定的夾角，會占用更多額外的空間，曾加更多不必要的重量，等明顯缺點。剛好適合的齒輪箱有現貨，可以立即交貨，需要額外製作的機械零件，成本也可以接受。最後完成測試原型優先，老闆同意了這個方案。
3. 動力系統。
動力來源有兩個方案。
A. Turbo Shaft小型的燃氣渦輪引擎
和現實的直升機使用的類似，只是選擇模型用版本，可在很小的體積重量下，提供相對很高的輸出馬力。不過燃油的使用效率是個主要問題，需要特殊設計來達成低燃油消耗。我在接手開發前，公司已經訂購了測試使用的燃氣渦輪引擎，所以設計規劃時仍然保留換裝的設計，只是交期太長，變成延後才會測試的方案。
B. 飛行傘用的二行程引擎。
二行程引擎也能在很小的尺寸下，提供很高的輸出馬力，二行程的設計讓零件簡單，可以做到較輕的重量。市面上有很成熟的飛行傘引擎可以選擇，最後選擇的外國引擎方案，甚至包含離合器與基本變速箱，可以大幅簡化原型設計的複雜度。既使是由國外購買，也能在數周的時間內取得，價格也在可接受範圍內，所以就為測試原型先使用的方案。
4. 機械結構達成differential控制。
沒有了尾部旋翼，就無法利用與主旋翼的扭矩差異，達成原地旋轉，現實的Kaman K-MAX根據文獻，是使用液壓系統改變左右主旋翼的differential攻角差異，來達成原地旋轉。
UAV基本上不可能用液壓系統，因為已經用模型用伺服馬達取代，但是控制多個伺服馬達來達成，需要寫額外的飛行控制程式，我不會寫，當時也沒有人力可支援。
選擇的解決方案，把需要寫成控制程式的複合伺服馬達動作，轉換成機械結構來達成。概念是參考自現實的機械結構(出處不可考)，再配合主旋翼頭作出對應設計。
使用機械式達成，還有額外的好處，航空模型的遙控器，針對直升機控制，有不同的伺服器預設模式，可以將操作輸入，轉換為多個伺服器的複合動作，最終操作上，就與一般的直升機模型沒有差異。
最終組裝完成的測試原型，達成了以下項目。
1. 總共6個月完成測試原型。
2. 交錯式旋翼intermeshing rotors結構。
3. 整合二行程引擎。
4. 機械原型空重65kg，不含外殼/油箱/自動導航元件/電池。
5. 機械結構達成differential控制。
6. 外部遙控功能，使用模型直升機操作方式。
200kg UAV測試原型的最後身影，測試前檢查控制輸入與loadcell的測試數據時正常動作影片，之後就 . . . . 。
測試發生的問題與檢討。
1. 安裝主旋翼前，機械結構能夠在引擎動力下，透過遙控操作，反應正確的動作。
2. 也在沒有安裝主旋翼葉片下，進行與測試平台連接的前置測試，確認測試平台能夠讀取測試數據。
3. 正式在安全防護測試空間內，安裝主旋翼葉片進行測試。在啟動引擎，逐步增加油門到最大時，主旋翼頭發生損壞。
4. 幸好是在安全防護測試空間內，損壞飛出的主旋翼葉片，被安全網擋下來了。沒有任何參與人員受傷。
5. 不過測試原型，主旋翼頭結構嚴重損壞，必須重新製作零件，才能修復恢復測試。
6. 觀察損壞的零件，可以發現幾個主要的設計瑕疵。
A. 疲勞計算的安全值不足，預估的震動條件錯誤。7. 以上三個關鍵錯誤同時發生，自然在測試過程損壞了測試原型。
B. 部分市購零件的形狀細節，並沒有正確考慮，因此有明顯結構弱點。
C. 在模仿遙控直升機的主旋翼頭進行設計，沒有注意到小尺寸模型，與大尺寸模型，設計上有明顯差異。小尺寸模型因為負荷小，材料強度遠超過需求，大尺寸模型，則會變更為不同設計，以及更換材料。
開發感想。
1. 初期的研究可以安排多點時間，直升機設計的相關文件還研究不夠足夠，趕時程就邊開發邊研究。
2. 因為連玩模型直升機的經驗都沒有，假如先玩過組裝模型，實際飛過可能會更好。
3. 老闆敢讓我設計我就敢設計，即使是測試失敗都能學到很多東西。但是測試安全一定要顧，這個測試場地的安全防護，有確實保護了當時在場的測試與參觀人員。
