Flugmodellbau
  Vortrag 1
 

Vortrag: negativ gepfeilte Flugmodelle.

Gehalten am 17.03.2013 beim Modell-Sport-Club Rubenheim e.V.

 

Zuerst muss ich mich vorstellen da mich eventuell einige noch nicht kennen. Mein Name ist Gunter Kirch. Ich betreibe den Modellflugsport bereits seit meiner frühesten Kindheit. Alles was ich als Kind in die Hände bekam, wurden Flieger, egal ob Bauklötze, Sand oder Metallbaukasten, alles wurden zu Fliegern und wenn ich ein Blatt Papier und einen Bleistift fand, ergaben das Flieger. Mit großen Wettbewerbserfolgen kann ich leider nicht auftrumpfen. Ich wurde bei praktisch allen Wettbewerben auf Landesebene immer 2. und bei Bundeswettbewerben immer 4., egal ob in den Klassen A3, A2, A1 oder Saalflug.

 

Nun zu meinem eigentlichen Thema:

 

Negativ gepfeilte Nurflügler sah ich zum ersten Mal 1958 auf der Freiflug-Landesmeisterschaft in Saarlouis-Roden. Dort hat ein Modellflieger in der Klasse N1 ein solches Modell eingesetzt und ich war so fasziniert von dem Modell, dass ich nach Hause ging und auch so ein Modell baute und es flog. Ob gut oder nicht, kann ich heute nicht mehr sagen, aber es flog den Hang hinunter, wie die anderen Modell der Clubkameraden auch und sorgte immer wieder für Erstaunen, „wie, fliegt so etwas auch?“ wurde ich immer wieder gefragt, aber keiner baute so ein  Modell nach.

 

 

Bei diesem ersten Modell habe ich lediglich die aerodynamischen Grundsätze, die mir damals bereits geläufig waren, konsequent angewendet.

Dies waren:

1. Die vorausfliegende Fläche muss den größeren spezifischen Auftrieb haben.

2. Das Seitenleitwerk muss eine Windfahnenwirkung ausüben und

3. Die V-Form muss ausreichend sein.

Bereits bei diesem 1. Modell habe ich diese Grundsätze sehr großzügig angewendet, also alle Stabilisierungselemente überdimensioniert und das Modell flog.

Dann habe ich mehrere Jahrzehnte lediglich diese Modellart als Balsagleiter bei allen möglichen Anlässen gebaut oder bauen lassen, was immer wieder zu Verwunderung führte.

Erst auf Grund eines Artikels in der Freiflugzeitschrift „Thermiksense“ im Jahre 2008 habe ich mich mit dem Verfasser, Heinz Unger, in Verbindung gesetzt und mit ihm zusammen dann Flugmodelle als RC-Modelle weiter entwickelt. Heinz Unger hatte bisher nur Freiflugmodelle in der Klasse N1 und Hangflugmodelle der Klasse F1E gebaut, jedoch Entwürfe für RC-Modelle gezeichnet.

 

Die Entwicklung der negativ gepfeilten Nurflügel, die eigentlich schwanzlose Modelle sind, habe ich auch auf meiner Homepage veröffentlicht und alle neuen Erkenntnisse von mir, ebenfalls dort eingestellt.

 

Begonnen hat die Zusammenarbeit von Heinz Unger und mir, mit einem zur Verfügung gestellten Plan eines RC-Modelles, das bisher jedoch noch nicht gebaut wurde. Das Modell hatte eine doppelte V-Form. Wie bei mir üblich, habe ich von diesem Modell erst einmal einen Balsagleiter mit 50 cm Spannweite, also 1/5 der Modellgröße, hergestellt und musste feststellen, dass es nicht flog. Nun fingen die Überlegungen an, weshalb fliegt es nicht und aus meinen bisherigen Erfahrungen mit solchen Balsagleitern war mir klar, dass das Seitenleitwerk wesentlich zu klein und die V-Form zu gering ist. Erst nach entsprechender Änderung flog das Modell relativ gut und wurde dann auch entsprechend beim Bau umgesetzt. Nach diesem Modell hatte ich so richtig „Blut geleckt“, wie man so schön sagt und ich wollte hier weitermachen.

Um eine weitere Entwicklung der Modelle voranzutreiben, war es für mich zuerst einmal wichtig zu wissen, was wurde bisher über diese Flugzeuge sowie über die Modelle, geschrieben, um auf diese Erkenntnisse aufbauen zu können. Aber je mehr ich nachforschte, und je mehr Artikel mir zugespielt wurden, desto deprimierender waren die Erkenntnisse. Bereits 1920 schrieb Alexander Lippisch, dass solche Flugzeuge nicht zu stabilisieren seien und auch die Gebrüder Horten hielten, aus den gleichen Gründen, nichts von dieser Art von Flugzeugen. Selbst die Aerodynamiker Schlichting und Truckenbrodt rieten in ihren Fachbüchern von diesen Flugzeugen ab, obwohl auch von ihnen geschrieben wurde, dass der Gesamtauftrieb wesentlich höher sei und der Widerstand geringer, als bei geraden oder zurückgepfeilten Flächen. Dies resultiert daraus, dass bei geraden Flächen eine ideale Auftriebsverteilung eine Ellipse ist. Bei positiv gepfeilten Flächen wird die Strömung nach außen abgeleitet, es entsteht innen ein geringerer Druck und somit auch ein geringerer Auftrieb und damit einhergehend ein höherer induzierter Widerstand. Bei negativer Pfeilung ist es genau umgekehrt, im inneren Bereich ist, bedingt durch die Ableitung der Luft nach innen, ein höherer Druck somit höherer Auftrieb und außen ist ein kleinerer induzierter Widerstand. Somit sind dies unbestrittene Vorteile.

 

Auch in Modellfliegerkreisen war von diesen Modellen sehr viel Negatives zu lesen und wenn dann einmal etwas Positives veröffentlicht worden ist, deckte das sich nicht mit den von mir gemachten Erkenntnissen und das Meiste war vollständig falsch. Das für mich beste Beispiel für eine vollständig daneben liegende Flugzeug-Konstruktion ist das einsitzige Segelflugzeug B 11 der Technischen Hochschule Berlin. Dieses wurde von Prof. Wolfgang Herbst konstruiert, das laut theoretischer Berechnung und dies ausschließlich nur mit anerkannten Rechenverfahren, die der neueste „Stand der Technik“ und  der „Lehrmeinung“ entsprachen, ein optimal fliegendes Flugzeug entwarf, das daneben auch noch phantastische Leistungsdaten aufweisen konnte und letztendlich überhaupt nicht flugfähig war und als Rohbau wieder verschrottet werden musste. Ein negativ gepfeiltes Flugmodell lässt sich, wie bereits gesagt, nach heutigem Stand der Rechenverfahren noch nicht berechnen. Eine analoge Erfahrung dieser Art habe ich ebenfalls bekommen. Ein größeres Institut interessierte sich für diese, meine Flugmodelle und daraufhin habe ich Pläne von 3 verschiedenen Modellen zur Verfügung gestellt. 3 Wochen später bekam ich den Anruf, dass alle Modelle absolut nicht flugfähig seien. Erst ein Vorfliegen konnte die Professoren und Dr. Ingenieure davon überzeugen, dass die Modelle doch fliegen können und das nicht nur gerade so. Hierauf haben einige Studenten unter Anleitung eines Professors, der bei den Flug-Vorführungen mit dabei war, eine Studienarbeit gemacht und ein Modell von mir, mittels anerkannter Rechenverfahren verbessert sowie optimiert und anschließend zum Flugbeweis gebaut. Mir wurde stolz das Bild des Modelles zugemailt und ich sah sofort, dass das Modell nicht flugfähig war und habe das auch entsprechend in einer längeren Mail begründet. Hierauf wurde mir mitgeteilt, dass alle Berechnungen mit neuesten, international anerkannten Rechenverfahren durchgeführt worden seien und insbesondere die von mir monierte Seitenleitwerksgröße und -anordnung wäre nach Prof. Hust berechnet und das sei „Lehrmeinung“. Einige Tage später bekam ich ein Päckchen mit einer CD-Rom des Programmes und eine 140 seitige Anleitung und 14 Tage später eine Mail mit der Mitteilung: “Herr Kirch, Sie hatten recht, das Modell war auch nicht ansatzweise zum Fliegen zu bringen“ und die Studenten hatten somit 3 Monate ihres Studiums vollständig in den Sand gesetzt.

 

Nun nochmals zurück zur B 11. Über die theoretischen Betrachtungen wurde 1963 ein Bericht von Wolfgang Herbst, der damals noch den Titel Dipl. Ing. trug, in den „Luftfahrt-Forschungsberichten des Bundesministers für Verkehr“ veröffentlicht und hierin sind meiner Erkenntnis nach einige grundsätzliche Fehler enthalten. Als Beispiel möchte ich die Untersuchung der Klappen anführen. In diese Abhandlung hat er theoretisch die unterschiedlichsten Klappenanordnungen untersucht, jedoch nicht berücksichtigt, dass durch die Fläche die Querachse verläuft und diese die Ruderwirkung des Höhenruders vollständig umkehrt. Wenn die Klappe des Höhenruders hinter der Querachse nach unten ausgeschlagen wird, ergibt dies eine Erhöhung des Auftriebes und somit geht das Schwänzchen nach oben und die Nase nach unten, was somit Tiefenruder ist. Das Gleiche, nämlich die Klappe nach unten, ergibt auch vor der Querachse eine Auftriebserhöhung, aber dort ist das dann Höhenruder und die Nase geht nach oben. Genau dies ist in der gesamten, theoretischen Untersuchung überhaupt nicht berücksichtigt. Ferner ist auch die Lage des Schwerpunktes vollständig falsch berechnet. Bei der B11 sitzt der Pilot ganz genau mit seinem Hintern im Schwerpunkt und ein Gewichtsausgleich ist hierdurch absolut nicht möglich. Das Seitenleitwerk ist wesentlich zu klein und sitzt nur über der Tragfläche, so dass beim Landeanflug und dem damit verbundenen höheren Anstellwinkel das Seitenleitwerk zum großen Teil durch die Verwirbelung abgeschattet wird und seine Wirkung teilweise einbüßt. Aber das Ganze ist ja nach „Stand der Technik“ berechnet und mit Dipl. Ing., dann die Verfeinerung der Berechnung, mit Dr. Ing. und letztendlich mit dem Professorentitel belohnt worden.

Ein solches, negativ gepfeiltes Modell ist somit derzeit auch nicht als zulassungspflichtiges Modell zu bauen, da hierzu eine detaillierte aerodynamische Berechnung erforderlich ist, die nicht geliefert werden kann.

 

Nun zum Entwurf eines solchen Modelles, was eigentlich sehr einfach ist.

Zuerst werden die Flächen, in einem kleineren Maßstab, gezeichnet und anschließend die Auftriebsmittelpunkte graphisch ermittelt. Der Schwerpunkt liegt dann 5 bis 10 % der mittleren Flächentiefe vor dem Auftriebsmittelpunkt, wie bei allen Modellen auch, und ist gleichzeitig die Querachse, die dann eingezeichnet wird. Das Höhenruder darf am Ruderende darf nicht in den Bereich der Querachse kommen, sondern muss vorher enden. Das Gleiche gilt für die Querruder, die erst nach der Querachse beginnen dürfen. Als Profilstrak hat sich bei mir innen ein Eppler 186 und außen ein Eppler 374 bei einer positiven Verwindung von 4,0 Grad bewährt. Andere Kombinationen sind auch möglich, müssen jedoch entsprechend untersucht werden. In den früheren Abhandlungen von  Heinz Unger sind auch andere Profilkombinationen aufgeführt.

 

Die Rumpfspitze endet nun, bei einem 2,5 bis 3,0 m Modell wie bei jedem Normalsegler mit Leitwerken auch, etwa 30 cm vor der Querachse, um das Austrimmen ohne allzu großen Ballast bewerkstelligen zu können, wobei zu bemerken ist, dass bei diesem Flugmodell alle schweren Teile des Flächenanschlusses, einschließlich der Holmbrücke, hinter der Querachse liegen und somit entsprechend mit Ballast-Gewicht im Rumpfkopf kompensiert werden müssen. Der Rumpf endet hinten mit der Ausrundung der Tragflächen und dahinter ist noch das Seitenruder angebracht. Von der Seite gesehen läuft der Rumpf in das Seitenleitwerk ein. Die Tragflächen sind als Schulterdecker angebracht um die statische Stabilität um die Längsachse so hoch wie möglich zu erhalten. Damit der Rumpf im Flug in etwa gerade liegt ist der Einstellwinkel -1,0 Grad erforderlich. Das Seitenleitwerk ist, in der Fläche, etwa 3 bis 4 x so groß wie bei einem Normalflugmodell gleicher Spannweite.

 

Die V-Form beträgt etwa 7,0 Grad pro Flächenhälfte, im Minimum.

 

Bevor nun mit der Planung des Modelles begonnen wird, sollte zuerst ein maßstäbliches Vollbalsa-Modell, als Balsagleiter, die Flugfähigkeit beweisen. Hierbei kann auch die Seitenleitwerksgröße variiert und solange verkleinert werden, bis die Richtungsstabilität nicht mehr ausreichend ist und dann wird ein etwas größeres Seitenleitwerk gewählt. Alle meine RC-Modelle wurden so konstruiert.

 

Bereits bei der Planung ist darauf zu achten, dass die Tragfläche eine hohe Torsionssteifigkeit erhalten muss. Bei diesen Modellen ist die Einspannstelle der Tragflächen weiter hinten und der Auftriebsmittelpunkt weiter vorne und diese Entfernung multipliziert mit der Belastung ergibt das Torsionsmoment. Die Biegekraft ist im Normalflug pro Flächenhälfte, die Hälfte des Fluggewichtes. Bei Kunstflug kann diese Belastung, pro Flächenhälfte weit über das 10-fache des Fluggewichtes anwachsen. Beim Hochstart von Freiflugmodellen beträgt diese Kraft etwa das 20 fache des Fluggewichtes, pro Flächenhälfte und bei F3J-Modellen, mit einem Gewicht von ca. 2,0 kg, bei denen beim Hochstart die 100 kg-Schnüre mit einer Bruchlast von 130 kg zerreißen, ist es etwa das 35-fache pro Flächenhälfte, was bei den negativ gepfeilten absolut nicht mehr, oder nur mit entsprechend hohem Kohleeinsatz, aufzufangen ist. Bei Überlastung zerbersten die Flächen ohne jegliche Vorwarnung. Die Flächen drehen sich positiv auf, wodurch die Anstellung noch größer, und somit der Auftrieb noch höher wird und innerhalb von Sekundenbruchteilen knallt es und die Einzelteile fallen zu Boden. Bei positiv gepfeilten Modellen ist es genau umgekehrt der Auftrieb dreht die Flächen wieder zurück, so dass der Auftrieb geringer wird. Bei Überlastung beginnen die Flächen zu flattern und können durch Gegenmaßnahmen wieder beruhigt werden. Bei negativ gepfeilten merkt man davon nichts.

 

Bei negativ gepfeilten Nurflüglern, als Segler oder Motorsegler, genügt bei Modellen bis zu 3 m Spannweite eine Bespannung aus Vlies und zusätzlich Papier um die Torsion aufzufangen. Gewebe oder Folie ist hierzu ungeeignet, da diese nicht die erforderliche Steifigkeit besitzen. Bei größeren Spannweiten ist eine Vollbeplankung mit Balsaholz und eine diagonale Glasseidenmatte mit 25 g/m² angezeigt, was auch für Hangflugmodelle gilt.

 

Ferner ist zu beachten, dass bei diesen Modellen der Interferrenzwiderstand extrem hoch ist, da hier der Rumpf, der Flächenanschluss und das Seitenleitwerk zusammenkommen und durch Addition der einzelnen Widerstände ein sehr hoher Gesamtwiderstand entsteht. Aus diesem Grunde müssen die jeweiligen Übergänge aerodynamisch gut ausgerundet sein, um einigermaßen akzeptable Werte zu erhalten.

 

Ein solches Modell zeigt exzellente Flugleistungen und immer wieder wird von den Zuschauern bemerkt, dass das Modell absolut still fliegt, kein Zischen, kein Pfeifen, kein Rauschen, nichts, was an den wesentlich geringeren Widerständen liegt, denn nur die entstehenden Verwirbelungen bringen die Geräusche, die andererseits gesehen, bei Flug-Vorführungen wiederum die entsprechende Aufmerksamkeit und auch die Suggestion von hoher Geschwindigkeit, bei den Zuschauern, erzeugen.

 

Auch die Motorisierung der Modelle kann wesentlich geringer sein, so ist die GK 102 mit einem Boost 30 ausgerüstet, der als Hilfsmotor für Segler bis 2500 Gramm vorgesehen ist. Das Modell hat jedoch ein Gewicht von 3300 Gramm und wäre somit vollständig untermotorisiert, steigt aber im Winkel von fast 45 Grad in den Himmel, was seinem sehr geringen Luftwiderstand zu verdanken ist. Auch der Gleitwinkel der Modelle ist wesentlich flacher als man dies von anderen Modellen gewohnt ist. So hat Sohn Andreas, der B-Kader Pilot in der Klasse F3J ist, beim Einfliegen des ersten Modelles dieser Art einen Landeanflug gemacht, wie er es von den Hochleistungs-F3J- Modellen gewohnt war und hatte kurz vor dem Rande des Landefeldes noch eine Höhe von ca. 2 m. Aber das Modell kam nicht herunter und er konnte mit dieser Höhe noch eine komplette Platzrunde fliegen und war nachher von den Flugleistungen absolut begeistert. Der gewünschte Bau eines Modelles für die Wettbewerbsklasse F3J scheiterte jedoch an der zu geringen Torsionssteifigkeit der Tragflächen.

 

Dass diese Art von Modellen jetzt absolut unproblematisch fliegen, kann ausschließlich der Entwicklungsarbeit von Heinz Unger verdankt werden, der bereits Ende der 50iger Jahre diese Modelle für die Hang-Freiflugklasse F1E baute und recht gute Erfolge hiermit erzielen konnte. Bis die RC-Modelle so flogen, wie jetzt die GK 102, waren etliche Versuche erforderlich, so der Bau von 18 jeweils unterschiedlichen Modellen, bei denen immer wieder eine andere Neuerung eingebaut wurde um diese entsprechend auszutesten. 2 Änderungen zusammen wurden nicht durchgeführt um die jeweilige Wirkung exakt erfassen zu können. So hat Heinz Unger in allen seinen Abhandlungen die Möglichkeit einer einfachen V-Form vollständig verneint und es bedurfte einiger Überlegungen und vieler Versuche um dies doch bewerkstelligen zu können, so dass hierdurch der Bauaufwand der Tragflächen wesentlich verringert werden und jetzt auf einem einfachen, geraden Baubrett erfolgen kann.

 

Auf der Grundlage der Angaben auf meiner Homepage haben mir bisher 2 Modellflieger mitgeteilt, dass sie ein solches Modell gebaut haben und deren Angaben nach fliegen die Modelle sehr gut. Ein Modellflieger davon schrieb mir enthusiastisch, dass dieses Modell wesentlich besser fliegen würde, als alle seine anderen Nurflügel und seit dem ersten Flug mit dem negativ gepfeilten, nur noch diesen fliegt und keinen anderen mehr.

 

Zum Schluss muss ich noch bemerken, dass auch negativ gepfeilte Nurflügel-Flugmodelle mit durchgehendem S-Schlag-Profil zum Fliegen zu bringen sind, aber was ich hierbei in dieser Richtung bisher gesehen haben, fliegen diese, kommen aber nicht an die Leistung der hier beschriebenen Modell heran.

 

Ich danke für die Aufmerksamkeit

 
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