Quickstep (MB01)

Konzept

Das erste größere Outdoorprojekt der Akamodell sollte ein Flugzeug werden, welches möglichst vielen aktiven Gruppenmitgliedern unkomplizierten Flugspaß an unseren lokalen, kleineren Hängen bietet. Von Anfang an stand fest, dass das Modell komplett aus CNC gefrästen Formen entstehen sollte und damit neben der Auslegung auch in der Bauführung den Stand der Technik repräsentiert. Wichtig war uns dabei jedoch immer, dass Bau und Ausrüstung des Fliegers auch mit relativ geringen finanziellen Mitteln zu bewerkstelligen ist und die Formen dazu geeignet sein sollten Anfänger in den Formenbau einzuführen. Dies hat zur Folge, dass der Bauaufwand bzw. die Bauzeit klein gehalten werden muss. Da Niemand von uns über ein großes Auto verfügt, muss der Flieger selbstverständlich auch noch in einem Kleinwagen transportabel sein. Diese Summe von Anforderungen haben wir versucht in einem Modell zu vereinigen.

Aerodynamische Auslegung

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Die Spannweite unseres Modells haben wir auf 2,1m festgelegt, was für einen einteiligen Flügel die Obergrenze bezüglich der geforderten Transportierbarkeit darstellt. Mit steigender Modellgröße wächst aber auch die Leistungsfähigkeit des Modells und der Einbau von leistungsfähigen 13mm Servos wird ohne Aufdickung des Flügelprofils und zusätzliche Hutzen möglich. Da Hangflugmodelle hauptsächlich bei geringen Auftriebsbeiwerten im mittleren und schnellen Gleitflug bewegt werden, ist die Streckung mit 12,3 klein ausgefallen, um den Profilwiderstand, der den dominierenden Widerstandsanteil darstellt, durch gesunde Reynoldszahlen klein zu halten.

Neben der absoluten Gleitzahl im Gradeausflug sollte auch der Kurvenflug einfach zu beherrschen sein, was zu einer relativ geringen Zuspitzung im Außenflügel geführt hat. Diese Auslegung stellt unserer Meinung nach einen sehr konsequenten und sicheren Weg zu einem den Bedürfnissen des Hangfluges optimal angepassten Fliegers dar. Die entworfene Flügelgeometrie ist oben zusammen mit den lokalen Re*Wurzel(ca) Werten abgebildet. Die Pfeilung des Tragflügels ist so gestaltet, dass sich eine annähernd gerade t/4 Line ergibt. Dies ermöglicht es einen ungepfeilten Hauptholm zu bauen, was die Biege- und Torsionslasten, die die Struktur, bestehend aus Flügelschale und Holm, aufnehmen muss weitgehend entkoppelt. Weiterhin haben wir die Tiefenverteilung und Pfeilung so gewählt, dass sich prozentual konstante Klappentiefen entlang der Spannweite ergeben. Somit bleibt die designte Auftriebsverteilung auch für den Fall ausgeschlagener Wölbklappe erhalten. Dies ist beim Hangflug vor allem in den Wenden interessant, die so mit einer gleichmäßigen Verwölbung der gesamten Hinterkante widerstandsoptimal geflogen werden können.

Die einfache V-Stellung der Tragflügel haben wir mit insgesamt 4° recht klein gewählt, wovon wir uns eine gute Seitenwindunempfindlichkeit erhoffen.

Profildesign2

Bei der Profilierung des Tragflügels wollten wir zum einen dem Wunsch nach maximaler Geschwindigkeit an der Hangkante gerecht werden, zum anderen aber auch „schlechte Zeiten“ am Hang überstehen können. In konkrete Anforderungen umgesetzt bedeutet dies geringe Widerstandsbeiwerte bis hinunter zu einem Auftriebsbeiwert von ~0,05 und einer guten maximalen Steigzahl, wobei dieses Maximum in einem ca-Bereich von etwa 0,6 – 0,8 liegen sollte. Entsprechend der Re*Wurzel(ca) Werte von oben ist leicht ersichtlich, dass die obigen Anforderungen bei kleinen Reynoldszahlen zu erfüllen sind.

Außerdem wollten wir das Rad nicht neu erfinden und uns nicht ausschließlich auf theoretische Rechenergebnisse verlassen, sondern auf ein existierendes Profil zurückgreifen. Nach einer kleinen Suche bin ich von Christan Baron auf das S6062, einem Profilentwurf von Professor Selig, gebracht worden. Dieser Entwurf glänzt in Xfoil wie auch in Windkanalversuchen mit sehr geringen Widerstandsbeiwerten in den von uns geforderten ca-Bereichen. Aus Integrations- und strukturellen Gründen haben wir lediglich die relative Profildicke von knapp 8 auf 8,2% erhöht. Aus den hier gezeigten Polaren ist ersichtlich, dass sich der Bereich geringer Widerstandbeiwerte auch ohne den Einsatz von Wölbklappen über einen weiten ca-Bereich erstreckt. Somit kann eine sehr preisgünstige Version des Modells unter Einsparung der Wölbklappen realisiert werden.

Das Profil am Randbogen wurde dagegen passend zu S6062 von mir entworfen. Hier habe ich versucht den besonders kleinen Reynoldszahlen Rechnung zu tragen, die am Flügelende vorherrschen. Die Laminarerhaltung der Grenzschicht ist hier kein Problem mehr, sondern das Gegenteil ist der Fall: die laminare Grenzschicht löst im Bereich mittlerer Auftriebsbeiwerte auf der Profiloberseite ab und es bildet sich eine laminare Ablöse oder eine laminare Ablöseblase aus, die den Profilwiderstand stark erhöht. Geringe Widerstandsbeiwerte im Bereich mittlerer Auftriebsbeiwerte können hier insbesondere durch einen sanften Druckanstieg auf der Profiloberseite erreicht werden. Das bedeutet, dass die Verzögerung der Strömung schon Nahe der Profilnase beginnt und eine laminare Ablöseblase flach ausfällt oder ganz vermieden werden kann. Zusätzlich haben wir versucht, einen großen maximalen Auftriebsbeiwert zu erreichen.

Weiterhin wurde das entworfene Außenprofil mit dem S6062 bei kleinen Reynoldszahlen verglichen. Tatsächlich konnten im unteren und mittleren ca-Bereich geringere Widerstandsbeiwerte erreicht werden. Der maximale Auftriebsbeiwert ist gegenüber dem S6062 etwas größer, was darauf hoffen lässt, dass der Innenflügel vor dem Außenflügel stallt und die Querruderwirksamkeit bis in den Bereich hoher Anstellwinkel erhalten bleibt. Damit keine ungewollte aerodynamische Schränkung durch den Profilstrak eingebaut wird, sind die Nullauftriebswinkel entlang der Spannweite bei ca=0 weitestgehend konstant.

Rumpf und Leitwerke

Der Rumpf wurde im wesentlichen von unseren Industriedesignern im Team entwickelt. Neben der Minimierung der umspülten Oberfläche, wurde auch der Einbau der Fernsteuerungskomponenten vollständig durchkonstruiert. Hier haben wir lieber im Vorfeld etwas mehr Arbeit investiert und erwarten dafür eine Zeitersparnis beim Ausrüsten der fertigen Flieger. Als Besonderheit wird der Flügel auf dem Rumpf nur durch eine dreilagige Tesafilmwickelung an der Nasen- und Endleiste gehalten. Das Tesafilm ist sehr zugfest und hält in der Luft allen Kräften stand. Bei einer unsanften Landung kann der Tragflügel allerdings vom Rumpf abscheren, was durch eine spezielle Konstruktion der Tragflügelauflage unterstützt wird.

Das Leitwerk wurde als V-Leitwerk ausgelegt, da es sich leicht bauen lässt und eine große Bodenfreiheit beim Landen im unebenen Gelände besitzt. Bewusst wurde das Leitwerksvolumen großzügig bemessen, wodurch sich eine hohe Kursstabilität und gute Dämpfungseigenschaften ergeben. Auch ungeübte Piloten sollten es so recht einfach haben, die maximale Leistung des Modells auszufliegen. Profiliert haben wir das Leitwerk ebenfalls mit einem Entwurf von Professor Selig, dem S8025. Dieses Profil weist neben sehr geringen Widerstandsbeiwerten, die ebenfalls durch Messungen belegt sind, auch praktisch keinen „dead-band“ Effekt auf. Im Gegensatz zu den meisten Leitwerksprofilen ist die ca über a Kurve auch um a=0° linear, was für berechenbare Reaktion auf Steuereingaben sorgt und eine gute Trimmbarkeit ermöglicht.