Flugmodellbau
  Artikel FMT 1
 
 

Flug + modell-technik Heft 3, XVII. Jahrgang 1968

Seiten 84 bis 88


 Der Natur abgelauscht


 

Vorgepfeilte Nurflügelmodelle


von Heinz Unger


Die nachfolgenden Ausführungen sollen zeigen, dass es im Bereich des Modellflugs noch immer interessante Probleme gibt, deren erfolgreiche Lösung häufig mehr innere Befriedigung bereitet als ein sportlicher Erfolg mit Modellen herkömmlicher Konstruktion. Es zeigt sich aber leider, dass diejenigen Modellklassen, die geradezu zur Entwicklungsarbeit herausfordern sollten, konstruktiv und sportlich immer mehr vernachlässigt werden, bis sie schließlich bei Wettbewerben dem streichenden Stift der Modelflugkommission zum Opfer fallen. Da konstruktive und flugphysikalische Erkenntnisse, gleichgültig, auf welchem Sektor sie gewonnen werden, dem gesamten Modellflug und auch der übrigen Flugtechnik zugute kommen, sollte man sich in maßgebenden Kreisen doch einmal Überlegen, ob man den Modellflug langsam aber sicher nur auf Massenkonsum von Industrieerzeugnissen überführen will, oder ob man auch Entwicklungsarbeiten auf breitester Basis anregen sollte.

Nach mehr als 10 jährigen experimentellen und theoretischen Untersuchungen an vorgepfeilten Nurflügelmodellen zeigen sich folgende Ergebnisse: Die Gleitleistungen vorgepfeilter Nurflügelmodelle sind weniger durch die Profildaten als vielmehr durch Auftriebsverteilung und Stabilisierungsmethoden günstig zu beeinflussen. Nach Untersuchungen von. De Young und Harper (1) an positiv und negativ gepfeilten Flügeln konstanter Tiefe sind im Bereich endlicher Flügelstreckungen und Pfeilwinkeln etwa zwischen -10° und -20` größere Auftriebsgradienten dcA / dα zu erwarten als bei geraden oder positiv gepfeilten Flügeln. Dagegen ist der negative Einfluss vorhandener Rümpfe auf den Auftrieb bei vorgepfeilten Flügeln größer als bei zurückgepfeilten. Dr.-Ing. W. Herbst hat, bei Projektuntersuchungen am vorgepfeilten Nurflügelsegelflugzeug B 11 der Akaflieg Berlin festgestellt, dass sich besonders günstige Auftriebsverteilung wegen der aus Gründen der Längsstabilität erforderlichen positiven Schränkung zum Flügelende hin mit Trapezflügeln großer Zuspitzung (ta : ti = 1:4) erreichen lassen und entsprechenden zurückgepfeilten Flügeln überlegen sind. Wegen der von Herbst angegebenen erforderlichen großen Flügelstreckung > 15 und des merklichen Re-Zahleinflusses bei so extremer Zuspitzung können die von ihm angegebenen Prinzipien der Tragflügelgestaltung nur bedingt auf den Entwurf vorgepfeilter Nurflügelmodelle übertragen werden. Zum Studium der Stabilitätsbedingungen hat der Verfasser anfangs wegen der dem Profil Gö 612 ausgerüstet. Im inneren Flügeldrittel vergrößezeitsparenden Bauweise mit Flügelformen gearbeitet, die nur im Außen- und Innenflügel trapezförmige Grundrisse hatten, während der übrige Flügel gleiche Tiefe besaß (Abb. 1). Dennoch waren diese Modelle schon recht leistungsfähig, wie die Platzierung bei Deutschen Hangflugmeisterschaften und Rhönwettbewerben mit einem 5., zwei 3. und einem 2. Platz bewies. Zur Verbesserung der Auftriebsverteilung und damit Steigerung der Flugleistungen wurde der Flügelgrundriss eines späteren Modells (Abb. 2) entsprechend geändert. Die äußeren bei den Drittel der Halbspannweite bilden ein Trapez mit ta : ti = 1:2. Dieser Flügelteil ist ungeschränkt und mit rt sich die Tiefe von 2 ta auf 3 ta, bei gleichzeitiger linearer negativer Schränkung auf --6º und stetigem Übergang vom Profil Gö 612 auf NACA N 60 R. Diese Flügelgestaltung brachte gegenüber der früheren eine wesentliche Verbesserung der Gleitzahl. Dass dieses Modell dennoch bei den Deutschen Hangflugmeisterschaften 1967 sehr schlecht abschnitt, lag an dem zu kurzen Hebelarm der Magnetsteuerung, Nach Verlängerung des Rumpfes um ca. 10 cm war die Steuerwirkung ausgezeichnet. Die Leistungsfähigkeit des Modells konnte bei mehreren Vorführungsflügen während des Wettbewerbs am den Europa-Cup auf dem Monte Tomba demonstriert werden. Das Modell ging anschließend bei einem Flug in der Nähe des Reschenpasses nach etwa 70 Minuten Flugzeit im Reschensee buchstäblich „baden“.

Da bei diesem Modell sämtliche Bauteile für die Flügelbefestigung weit hinter dem Auftriebsmittelpunkt lagen, waren erhebliche Mengen an Trimmblei in der Rumpfseite erforderlich, die das Modell schwer und sehr schnell machten. Der Nachfolger dieses Modells wurde deshalb vor allem baulich erheblich verändert. Die geschränkten inneren Drittel beider Flügel wurden zu einem durchgehenden Flügelmittelstück vereinigt, das mit Gummibändern auf dem Rumpf befestigt wird. Die Außenflügel werden auf Zungen des Flügelmittelstücks aufgeschoben, die wegen der Pfeilung nicht nur näher am Auftriebsmittelpunkt liegen, sondern wegen ihrer geringeren Belastung auch erheblich leichter ausgeführt werden konnten.

Bei der Flugerprobung zeigte sich aber eine unangenehme Eigenschaft dieses Modells, es kippte nämlich nach kurzem Flug mit dem Schwanz nach unten weg und stürzte anschließend über den linken oder rechten Flügel ab. Die Ursache dieser Erscheinung war in den schmalen Luftspalten zwischen Flügelmittelstück und Außenflügel zu suchen. Bei vorgepfeilten Flügeln fließt die Luft nämlich zum Rumpf hin ab. Dabei verdickt sich die Grenzschicht und neigt um so stärker zur Ablösung, je weiter sie zur Flügelmitte hin vorgedrungen ist. Da die Flügelmitte jedoch wegen der erforderlichen Längsstabilität stark negativ geschränkt sein maß, tritt diese Ablösung normalerweise nicht auf. In den Flügelschlitzen macht sich jedoch eine starke Vertikalströmung von der Flügelunterseite (Überdruck) zur Oberseite (Unterdruck) bemerkbar, die die darüber schräg nach innen fließenden Luftteilchen zur Ablösung bringt. Dadurch bricht in Flügelmitte der Auftrieb zusammen, und das Modell kippt zunächst nach hinten und anschließend über den linken oder rechten Flügel ab, je nachdem, auf welcher Flügelseite die Ablösung zuerst einsetzt. Durch Abdecken der Schlitze mit Klebefilm konnte dieser Fehler schnell beseitigt werden. Als Dauerlösung wurden die Schlitze durch Aufkleben von dünnem Schaumstoff auf das Anschlussprofil des Außenflügels abgedichtet.

Da gute Längsstabilität in verhältnismäßig einfacher Weise durch die angegebene Form der Schränkung der Flügel zu erreichen ist, lagen bei der Entwicklung vorgepfeilter Nurflügelmodelle hier die geringsten Schwierigkeiten. Als Stabilisierungsprinzip gilt: Die am weitesten zurückliegenden Flügelseile erhalten den kleinsten Einstellwinkel. Größere Druckpunktwanderung der Außenprofile erfordert größere, kleinere Druckpunktwanderung kleinere Schränkung. Im Innenfeil des Flügels bewährt sich ein Übergang auf S - Schlagprofile (z. B. N 60 R, Clark YH, NACA M6, usw).

Zur Erläuterung der erforderlichen Maßnahmen für Quer- und Richtungsstabilität müssen zuvor noch einige Betrachtungen über das Schieben von Flugzeugen angestellt werden. Man versteht darunter Bewegungen des Flugzeugs, bei denen Flugzeuglängsachse und Bewegungsrichtung nicht mehr zusammenfallen, sondern in der Horizontalen einen Schiebewinkel bilden. Derartige Flugzustände treten insbesondere beim Kurvenflug auf. Rumpf, Tragflügel und Leitwerke werden dadurch unsymmetrisch angeblasen und erzeugen um die Flugzeuglängsachse ein Roll- und um die Hochachse ein Gier- oder Wendemoment. Nach der Art ihrer Entstehung werden diese Momente Schieberoll- bzw. Schiebegiermomente genannt. Betrachten 'wir zunächst die Entstehung des Schieberollmoments an vorgepfeilten Flügeln. Wir nehmen an, der Flügel würde schräg von links von angeblasen. Dabei verschiebt sich der Auftriebsmittelpunkt von seiner ursprünglichen Lage auf der Flugzeuglängsachse zur rechten Tragflügelhälfte. Es entsteht dadurch ein Drehmoment, das gleich ist dem Produkt aus Gesamtauftriebskraft während der Schiebebewegung mal senkrechtem Abstand des nach rechts verschobenen Auftriebsmittelpunkts von der Flugzeuglängsachse. Das Flugzeug „rollt" dadurch, in Flugrichtung gesehen, entgegen dem Uhrzeigersinn. Ein solches Rollverhalten bezeichnet man als destabilisierend. Es würde das Modell unweigerlich zum Absturz bringen. Ein derart destabilisierendes Schieberollmoment maß also durch geeignete Stabilisierungsmaßnahmen kompensiert werden. Hierzu eignet sich besonders die V-Stellung der Flügel nach oben (positive V-Stellung). Wie vermutlich allgemein bekannt ist, wird beim Schieben unter dem Einfluss der V-Stellung der Anstellwinkel der vorausfliegenden Flügelhälfte größer und an der zurückhängenden kleiner. Dadurch wird auch der Auftrieb an der vorausfliegenden Flügelhälfte größer und an der zurückhängenden kleiner. Das durch die V - Stellung erzeugte zusätzliche Schieberollmoment wirkt also dem durch die negative Pfeilung erzeugten Moment entgegen. Das Modell wird eigenstabil, wenn das durch die V-Stellung erzeugte Moment geringfügig größer wird, als das durch negative Pfeilung erzeugte Moment.

Versucht man jedoch praktisch ein vorgepfeiltes Nurflügelmodell mit Hilfe einfacher V - Stellung zu stabilisieren, so erlebt man schnell eine Enttäuschung. Es zeigt sich nämlich, dass bei zu kleiner V-Stellung solche Nurflügelmodelle absolut unstabil sind, um von einem bestimmten V – Stellungswinkel an sofort stark taumelnde Flugbewegungen auszulösen, die sehr bald zum Absturz führen, weil durch diese. Maßnahmen starke unsymmetrische Ablösungserscheinungen im Flügelmittelteil ausgelöst werden. Durch diese Ablösungen wird nämlich nicht nur die Quer-, sondern auch die Längsstabilität ungünstig beeinflusst. Theoretisch lässt sich das so erklären: Die Grenzschicht hat, wie bereits erwähnt, die Neigung, sich zur Flügelmitte hin abzulösen. Diese Ablösungsneigung vergrößert sich mit wachsendem Anstellwinkel. Da bei Schiebebewegungen und V – Stellung der Flügel der Anstellwinkel am vorlaufenden Flügel größer und am zurückhängenden kleiner wird, setzt die Ablösung am Innenteil des vorlaufenden Flügels zuerst ein. Dadurch neigt das Modell sowohl zürn Rollen über den vorlaufenden Flügel, als auch wegen des einseitigen Zusammenbruchs des Auftriebs in Flügelmitte zu starkem Aufbäumen. Da bei genügender Flughöhe starkes Pumpen auftritt, wechseln stabile und abgerissene Strömung im Flügelmittelteil miteinander ab. Durch den zusätzlichen laufenden Wechsel des Schiebewinkels durch das seitliche Abkippen ergibt sich der bereits erwähnte stark taumelnde Flugzustand vorgepfeilter Nurflügelmodelle mit einfacher V - Stellung. Bei Tragflügeln mit Fafnirknick zeigt sich wegen der starken V - Stellung solcher Flügel in Flügelmitte das gleiche Flugbild. Abhilfe hiergegen kann geschaffen werden, indem man die Anstellwinkeländerung in Flügelmitte beim Schieben vermeidet, d. h. dass man die Flügelmitte gerade ausbildet und nur den Flügelenden V – Stellung gibt. Die Strömung ist bei Vorpfeilung an den Flügelenden so stabil, dass Ablösungen im normalen Anstellwinkelbereich dort nicht stattfinden. Die Querstabilität, die mit dieser Stabilisierungsmethode erreicht wird, ist auch bei böigem Wetter hervorragend. Das Schiebegiermoment wird durch unterschiedliche Widerstandsanteile der beiden Flügelhälften sowie durch das unsymmetrische Anblasen des Rumpfes und der Leitwerke hervorgerufen. Beim vorgepfeilten Flügel wird durch Schräganblasen von vorn links ein Giermoment erzeugt, das, --auf das Flugzeug gesehen, -- dieses im Uhrzeigersinn zu drehen versucht. Ein Rumpf, dessen größere Anteile der Seitenflächen vor der Hochachse des Flugzeugs liegen, unterstützt die Drehung in der angegebenen Richtung. Der Schiebewinkel würde dadurch so lange vergrößert, bis das Modell nicht mehr flugfähig ist. Stabilisierung ist hier durch ein verhältnismäßig großes Seitenleitwerk möglich, das hinter der Hochachse und oberhalb der Modellängsachse angebracht werden muss. Ein Seitenleitwerk unterhalb der Längsachse würde nämlich das destabilisierende Schieberollmoment des vorgepfeilten Flügels vergrößern. Zu beachten ist noch, dass bei sonst gleichen Abmessungen ein rechteckiger Rumpfquerschnitt ein wesentlich größeres Seitenleitwerk erforderlich macht als ein ovaler. Da der Widerstandsanteil großer Seitenleitwerke am Gesamtwiderstand des Modells recht erheblich sein kann, sollte man deshalb auch den. Rumpf sehr sorgfältig gestalten. Bei ersten Versuchen mit derartigen Modellen ist es jedoch ratsam, die Seitenleitwerke lieber zu groß als zu klein auszuführen. Baut man die Seitenleitwerke für die Versuchsmodelle aus Balsabrettchen, so kann man beim Einfliegen die überflüssigen Flächenanteile einfach abschneiden.

Beim Einfliegen dieser Modelle sollte man mit starke; Kopflastigkeit beginnen und langsam Trimmgewichte entfernen. Die Bruchgefahr wird damit wesentlich gemindert. Da sich Schieberoll- und Schiebegiermoment mit den angegebenen Maßnahmen bei vorgepfeilten Modellen auf so günstige Werte abstimmen lassen, dass z. B. zu einer Korrektur der Flugrichtung nur sehr kleine Steuermomente erforderlich sind, konnte der Verfasser mit einem normalen Graupner – Magneten noch ein Modell von 54 chn2 Flügelfläche und 2,46 m Spannweite auch bei böigem Wetter einwandfrei steuern Bei längeren Flügen können vorgepfeilte Nurflügelmodelle zu einem sich aufschaukelndem Pumpen neigen, das man anfangs als Schwanzlastigkeit deutet. Trimmt man das Modell deshalb kopflastiger, so pumpt es dann u.U. noch stärker. Dies scheint völlig im Gegensatz zu allem Erfahrung mit normalen Modellen zu stehen. Doch ist auch diese Erscheinung leicht zu erklären. Durch die über die Spannweite verteilten Auftriebskräfte wird auf die Flügel ein Drehmoment ausgeübt, das die Flügel in sich zu verdrehen versucht. Dieses Drehmoment ist bei Pfeilflügeln wesentlich größer als bei geraden Flügeln. Bei vorgepfeilten Flügeln werden dadurch die Flügelenden zu größeren Einstellwinkeln aufgedreht und zwar um so stärker, je elastischer der Flügel ist. Dadurch wandert der Auftriebsmittelpunkt nach vorn. Das Modell wird schwanzlastig. Durch die Vergrößerung des Auftriebs an den Flügelenden wird nunmehr das Modell langsamer. Damit wird auch die Verdrehbeanspruchung an den Flügelenden wieder kleiner und damit auch deren Einstellwinkel. Das Modell wird wieder schneller und die Verdrehung der Flügelenden wieder stärker usw. Der Vorgang wiederholt sich periodisch. Da mit wachsender Kopflastigkeit des Modell insgesamt schneller wird, werden die verdrehenden Kräfte und damit auch die Einstellwinkeländerungen großer. Das Pumpen wird also mit größerer Kopflastigkeit stärker. Diese Auswirkung der sogen. Aeroelastizität ist bei vorgepfeilten Nurflügeln besonders stark, weil die ca, - Belastung der Außenflügel hier größer ist als bei anderen Flügelformen. Für derartige Modelle muss also eine sehr verdrehsteife Bauweise der Tragflügel und Flügelbefestigungen gewählt werden.


Literaturhinweise:

1. Schlichting / Truckenbrodt: „Aerodynamik des Flugzeugs“, Band 2. Springer - Verlag, Göttingen, Seite 73 und 308,

2. Dipl. - lng. W. Herbst, „Das schwanzlose Segelflugzeug mit Vorpfeilung“ Luftfahrtforschungsberichte, Heft 2.

3, H. Unger, „Vorgepfeilte Nurflügel“ Mechanikus. Jahrg. 1962, Heft 10.





Abb. 1 - Vorgepfeiltes Nurflügelmodell, eingesetzt bei Hangflugwettbewerben in den Jahren zwischen 1963 und 1966





Abb.2 - Vorgepfeilter Nurflügel mit trapezförmigen Flügeln und dem
noch kurzen Rumpf








 


 


 

 
  Insgesamt waren schon 279319 Besucher (744907 Hits) hier! Alle Rechte vorbehalten.