Flugmodellbau
  negativ gepfeilte Normalmodelle
 

Negativ gepfeilte Normalflugmodelle

Seit Ende der 50iger Jahre, seit ich mich mit negativ gepfeilten Nurflüglern befasse, interessiere ich mich auch für entsprechend gepfeilte Normalmodelle wie auch Enten.

Mir signalisiert diese Art von Flugzeugen immer eine hohe Flugleistung, da die von mir häufig beobachteten Segler-Vögel, wie Bussarde, Störche oder Milane alle im Segelflug ihre Flügel nach vorne pfeilen und so in der Thermik wesentlich bessere Steigleistung erzielen.

Literatur ist über diese Art von Flugmodellen sehr spärlich zu finden. Außer den unten angegebenen Schriftquellen ist mir keinerlei Artikel über diese Flugzeuge bekannt. Das Gleiche gilt für Bilder über entsprechende Modelle, wie auch Pläne..

Die von mir gemachten Versuche zeigten ebenfalls bessere Leistungen als Modelle mit gleicher Flächengeometrie ohne Pfeilung oder mit positiver Pfeilung. Auch verschiedene Arbeiten von „Jugend forscht“ kommen ebenfalls zu dem gleichen Ergebnis einer höheren Leistung, wobei ich nur die Arbeit: „gepfeilt mit Pfiff – die negative Tragflächenpfeilung im Flugzeugbau“ von Daniel Reckzeh und Oliver Zehrer beide aus Diepholz, nennen möchte.

In den 40iger Jahren haben alle deutschen Flugzeugwerke ebenfalls diese Flugzeugart untersucht und entsprechende Planungen betrieben. Teilweise wurden auch bereits Prototypen dieser Flugzeuge gefertigt. Ich möchte hier nur die folgenden Typen aufführen:

Blohm und Voss: BVP 209/02;

BMW: High-Speed Bomber Projekt II;

Focke – Wulf: Fw Strahljäger Projekt I;

Heinkel: He 162 mit den Untertypen D und S und A6;

Junkers: Ju 122 = EF 122 und den weiteren Junkers-Typ: Ju 287, der auch zum Einsatz kam, mit den geplanten Weiterentwicklungen Ju EF 125 und Ju EF 131.

Lediglich die enorme Torsion der Tragflächen konnte man mit den damaligen Materialien und Bauweisen nicht endgültig in den Griff bekommen, was insbesondere der Ju 287 im Einsatz oftmals zum Verhängnis wurde.

Als neueres Beispiel für diese Flugzeugart ist das Flugzeug der Hamburger-Flugzeug-Bau, die HFB – 320 „Hansajet“ zu nennen.
Auch die Flugtechnische Arbeitsgemeinschaft an der Hochschule Esslingen hat ein 2 sitziges Segelflugzeug mit 25 Grad negativer Pfeilung gebaut und erprobt.

Heute untersuchen alle großen Flugzeugwerke weltweit wiederum die Einsatzmöglichkeiten der negativen Pfeilung bei Passagier- und Frachtflugzeugen, da die höhere Auftriebsleistung unbestritten ist. Hierzu möchte ich insbesondere die Projekte von Airbus und Boeing anführen.

Diese höhere Auftriebsleistung führe ich auf 2 Faktoren, wie auch bereits unter „negativ gepfeilte Nurflügler“ beschrieben, zurück. Dies ist 1. die längere Laufstrecke der Strömung infolge der Ablenkung durch die gepfeilten Flächen, so dass auch die Reynoldsche Zahl wesentlich höher, als zu erwarten ist. Bei Flugversuchen mit der GK-104, am Hang habe ich die Flächen mit Wollfäden bestückt und Bilder unterhalb der Hangkante gemacht, so dass das Modell in der Draufsicht abgebildet war. Hier haben die Wollfäden eine Strömung von vorne außen nach hinten innen gezeigt, wobei die Fäden in einem Winkel von etwa 10 Grad zur Längsachse des Flugzeuges verliefen, was ich lediglich mittels Winkelmesser auf dem Bild schätzen konnte. Dieser Winkel war nur bei Normalgeschwindigkeit der Fall. Bei höherer Geschwindigkeit war der Winkel etwas geringer. Somit scheint der Strömungswinkel auf der Fläche im Normalflug der Hälfte des Pfeilungswinkel zu entsprechen und bei höherer Geschwindigkeit kommt noch eine Komponente hinzu, welche den Winkel der Resultierenden des Strömungswinkels verringert. Hierdurch ist die Länge der Strömung wesentlich größer geworden. So beträgt z. B. bei der GK-104 die Flächentiefe in Flächenmitte der Halbspannweite 240 mm und bei 10 Grad Strömungswinkel beträgt die Lauflänge der Strömung jedoch bereits 270 mm, was eine Erhöhung vom 1,125 – fachen entspricht. Da der Auftrieb linear von der Flächentiefe abhängig ist, ist somit der Auftrieb ebenfalls um dieses Maß gestiegen. Das ursprünglich eingeplante Profil hat sich durch die schräge Anströmung natürlich verändert, es ist wesentlich dünner geworden und spitznasiger, so dass hierbei ein anderes Profil, mit anderen Eigenschaften, entstanden ist.

Der 2. Faktor der höheren Auftriebsleistung ist für mich die Komprimierung der Luft in der Mitte der Flächen, denn wenn die Luft nach innen strömt, muss hier ein etwas höherer Luftdruck herrschen und ein höherer Luftdruck bringt analog einen höheren Auftrieb mit sich. Auch dies ist in Aerodynamikerkreisen unbestritten, aber noch nirgends ist dies irgendwie untersucht worden und somit liegen keine quantitativen Werte vor.

In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, dass mit dem Auftriebsanstieg natürlich auch das Drehmoment am Flügel angestiegen ist und somit das Gegenmoment am Höhenleitwerk entsprechend angepasst werden muss, einige Aerodynamiker sprechen hier, je nach Pfeilungswinkel, von bis zu 30 % Gewinn. Entweder muss hierbei das Höhenleitwerk entsprechend größer oder der Hebelarm länger oder eine Kombination aus beiden gewählt werden, um das höhere Drehmoment entsprechend zu kompensieren.

Über alle diese Erkenntnisse liegen mir keinerlei Unterlagen über Flugmodelle, die mir zugänglich sind, vor. Ob die großen Flugzeugwerke oder Aerodynamischen Versuchsanstalten hier über entsprechende Erkenntnisse verfügen, ist mir nicht bekannt, da alle diese Experimente immer unter größter Geheimhaltung durchgeführt werden. Auch hier überprüfe ich die Größe des Höhenleitwerkes mittels Balsagleiter, bei denen ich das Höhenleitwerk immer weiter verringere bis das Modell unstabil fliegt und dann bleibe ich mit der Größe entsprechend darüber.

Bedingt durch die Strömung von außen nach innen und des dadurch bedingten geringeren Druckes, ist natürlich auch der induzierte Widerstand geringen und somit ist auch hierdurch die Leistung des Flugzeuges infolge des geringeren Widerstandes höher.

Aus diesen Ausführungen über die Tragfläche ist natürlich beim Bau darauf zu achten, dass diese entsprechend drehsteif aufgebaut werden. Bei Thermikmodellen genügen eine drehsteife Nase und eine entsprechend drehsteife Bespannung aus Vlies und Papier. Bei schnelleren Modellen ist eine Vollbeplankung mit diagonal aufgelegter Glasseide- bzw. Kohlegewebe erforderlich. Bedingt durch die derzeitigen Wettbewerbsbestimmungen, in verschiedenen RC-Modellflugklassen, die einen extrem schnellen Höhengewinn vorsehen, da der Höhengewinn in der Rahmenzeit, aber nicht in der Flugbewertung enthalten ist, sind diese Modelle durch die hierdurch entstehende extrem hohe Torsionsbelastung der Flächen, leider nicht einsetzbar.

Der Übergang zwischen Rumpf und Tragfläche muss aerodynamisch günstig ausgebildet sein, da durch den höheren Luftdruck im Wurzelbereich, auch ein höherer Widerstand entsteht. Zwischen Rumpf und Fläche darf kein Spalt sein, der den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite ermöglicht, da ansonsten hierdurch eine starke Verwirbelung, analog den Randwirbeln, mit entsprechenden Widerständen, entsteht. Der Übergang muss absolut dicht abgeklebt sein.

Für die Größe des Seitenleitwerkes sei ebenfalls auf die Abhandlung in dieser Homepage: „negativ gepfeilte Nurflügel“ verwiesen, da in diesem Falle für Normalflugzeuge und Enten das Gleiche gilt. Die für den Geradeausflug erforderlichen Rückführungskräfte der positiven Pfeilung fehlen vollständig, sondern es ist genau das Gegenteil der Fall, die negative Pfeilung versucht das Flugzeug aus dem Geradeausflug zu ziehen und das Seitenleitwerk muss auch diese negativen Kräfte ausgleichen. Wie bereits beschrieben, lege ich die Größe mittels Balsagleiterversuche fest. Hierbei wird das Seitenleitwerk so lange verkleinert, bis das Modell plötzlich sich nach irgendeiner Seite über die Hochachse dreht und wie ein welkes Blatt zu Boden fällt. Genau dies ist auch beim Absturz des Prototyps der HFB 320 eingetreten. Nach übereinstimmender Aussage von Augenzeugen soll das Flugzeug sich plötzlich um die Hochachse gedreht haben und dann hin und her pendelnd, wie ein abfallendes Blatt zu Boden gestürzt sein ohne dass es wieder abgefangen werden konnte. Alle Insassen kamen hierbei ums Leben.

Das Höhenleitwerk, wie auch das Seitenleitwerk, kann bei diesen negativ gepfeilten Flugzeugen nicht, nach „Lehrmeinung“ oder „Stand der Technik“ berechnet werden, sondern es müssen in jedem Fall Versuche unternommen werden um die Größe der Leitwerke bestimmen zu können. Andernfalls sind die Leitwerke zu klein und ergeben im günstigsten Fall unstabile Flugmodelle oder sogar Abstürze mit Modellverlusten, da sich diese nicht mehr stabilisieren lassen. Auch Dipl. Ing. Kurt Nickel hat in den unten erwähnten Planskizzen die Bemerkung eingefügt: „Seitenleitwerk nicht zu klein“. Ebenfalls ist die Auftriebsleistung wie auch der induzierte Widerstand mit herkömmlichen Methoden nicht zu berechnen, was schon mehrfach versucht wurde und immer zu falschen Ergebnissen führte, da die tatsächliche Lauflänge der Strömung, wie auch der höhere Druck in der Flächenmitte, nicht berücksichtigt worden ist.

Insbesondere in den 50iger und 60iger Jahre wurden Modelle dieser Art gebaut und bei Wettbewerben eingesetzt, jedoch ist mir leider kein Ergebnis bekannt.

Insbesondere Dipl. Ing. Kurt Nickel hat sich für die negativ gepfeilten Flugmodelle stark gemacht und in einem Sonderbericht in der Zeitschrift „Modell-Technik und Sport“, Folge 11, in einem 8 – seitigen Bericht mit dem Titel; „Negative Pfeilform“, sehr positiv über diese Art von Flugzeugen berichtet. Er schloss den Artikel mit den Worten:

„Auf Grund der vielen Vorzüge der negativen Pfeilform darf angenommen werden, dass sie sich bei modernen Flugmodellkonstruktionen immer mehr durchsetzen wird und den nächsten Schritt der Entwicklung darstellt.“

Der Artikel stammt von 1956 und bis heute hat sich dieser Gedanke von Dipl. Ing. Kurt Nickel nicht bewahrheitet. An den Bericht waren noch 2 Planskizzen von jeweils einem A1 und einem A2 – Wettbewerbsmodell angehängt.

  

Schrifttum

Chand, Christopher: „Rekord-Flugzeuge“ Motorbuch-Verlag (Bericht Grumman X-29)

Nickel / Wohlfahrt: „Schwanzlose Flugzeuge“, Birkhäuser Verlag

Jugend forscht: „gepfeilt mit Pfiff – die negative Tragflächenpfeilung im Flugzeugbau“ http://www.jugend-forscht.de/projektdatenbank/gepfeilt-mit-pfiff-die -negative-tragflächenpfeilung-im-flugzeugbau.

CAD-CAM Report: Bericht der DLR: „Positive Effekte durch negative Pfeilung“www.plm-it-business.de

Bericht DLR: „Streicheleinheiten und bewundernde Blicke für LamAir-Flugzeugmodell“ www.dlr.de

Bericht Tagesanzeiger: „Boeings neue Traummaschine“ http://www.tagesanzeiger.ch


Bilder gebauter Modelle.

Leider liegen mir nur  Bilder aus dem Artikel von Dipl. Ing. Kurt Nickel aus "Modell-Technik und Sport", Folge 11, vor. Trotz intensiver Recherche, in den mir vorliegenden Unterlagen, fand ich kein einziges weiters Bild eines solchen Modelles. Für die Qualität muss ich mich entschuldigen, da mir lediglich eine Fotokopie des Artikels vorliegt.

 

Abb. 14:  A2-Segelflugmodell mit negativem Pfeilflügel von Helmut Kaden, Augsburg.



Abb. 16:  "Scaleded Kitten" von R.H.W. Annenburg, England. Ein Freiflugmodell mit negativ gepfeiltem Tragflügel.



Abb. 17:  A 1-Segelflugmodell mit negativer Pfeilform des Augsburger Modellsportlers Armin Borstel mit sehr guten Flugeigenschaften.



Modellpläne:
Die Pläne stammen ebenfalls aus den Artikel von Ing. Kurt Nickel aus "Modell-Technik und Sport", Folge 11.
Von diesen Plänen ist mir nicht bekannt, ob diese Modelle gabaut und geflogen wurden.


Abb. 15:  A 2 Segelflugmodell von Rüdiger Franke, Köln, mit 10 Grad negativem Pfeilflügel.



Segelflugmodell mit negativer Pfeilform für Klasse A1.
Entwurf: Ing. Kurt Nickel


Segelflug-Modell mit negativer Pfeilung, für Klasse A 2.
Entwurf:  Ing. Kurt Nickel



Flugmodelle von mir:

GK - 116

Negativ gepfeilter Segler

Spannweite:                                      1998 mm
Tragflächenprofil:                              Gö 227-9,5-5,0
Tragflächentiefe am Rumpf:               210 mm
Tragflächentiefe am Randbogen:       130 mm
V-Form der Tragfläche:                   doppelt, je Seite: 1,5 + 13,5 Grad
Pfeilung der Tragflächen:                   minus 15 Grad
Höhenleitwerksprofil:                        Clark Y 8,0 %
Rumpflänge, gesamt:                        1115 mm
Steuerung:                                        Seite, Höhe, Quer und Motor
Fluggewicht:                                     ……………………….

Das Modell ist analog der GK 114, jedoch ist die Tragfläche 15 Grad negativ gepfeilt. Der Tragflächenansatz ist um das gleiche Maß wie die Verschiebung des Auftriebsmittelpunktes, durch die Pfeilung, zurückgesetzt, so dass die Lage des Schwerpunktes genau wie bei der GK 114 ist. Das Modell dient der direkten Kontrolle der Verbesserungen der Flugleistungen durch eine negativ gepfeilte Tragfläche, wobei beide Modelle, die 114 und die 115 parallel, durch 2 Piloten, geflogen werden und die ein gesetzten Datenlogger dann im Computer ausgewertet werden sollen. Das Modell ist bis auf das Einfliegen und Lackiern fertig.
Auf dem Bild erscheint die V-Form als sehr gering. Bei dem Schatten der Flächen auf der Straße ist jedoch die tatsächlich Größe der V-Form zu erkennen. Die V-Form ist 8 Grad pro Seite.


GK - 117

Negativ gepfeilter Motorsegler


Spannweite:                                      1998 mm
Tragflächenprofil:                               Gö 227-9,5-3,5
Tragflächentiefe am Rumpf:                210 mm
Tragflächentiefe am Randbogen:        130 mm
V-Form der Tragfläche:                    doppelt, je Seite: 1,5 + 13,5 Grad
Pfeilung der Tragflächen:                   - 15 Grad
Höhenleitwerksprofil:                        Clark Y 8,0 %
Rumpflänge, gesamt:                         1100 mm
Steuerung:                                        Seite, Höhe, Quer und Motor
Fluggewicht:                                     ……………………….
Das Modell ist als Motorsegler, mit negativ gepfeilten Tragflächen, konzipiert, wobei die Abmessungen dem Modell GK 116 entsprechen, jedoch beträgt die Profilwölbung, wie bei der GK 115: 3,5 %. Die negative Pfeilung beträgt, wie bei der GK 116 : 15 Grad. Das Modell ist  bis auf das Einfliegen und Lackieren fertig.


GK - 118

Negativ gepfeilter Entensegler. Das Bild zeigt den Balsagleiter. Ein Bild des Modelles folgt.
Balsagleiter des Modelles GK 118 im Maßstab 1 : 5 zur Erprobung der Flugeigenschaften.


Das Modell ist ein Entensegler, der, durch einen Motoraufsatz, auch als Motorsegler eingesetzt werden kann. Die Tragfläche ist 15 Grad negativ gepfeilt.
Daten:
Spannweite: 2600 mm
Pfeilung der t/4-Linie: -15 Grad
Rumpflänge: 1250 mm
Steuerung: Seite, Höhe und Motor
Profil Kopffläche: Clark Y mod.
Profil Tragfläche: Gö 227 mod.

Das Modell wurde zuerst als Balsagleiter im M. 1:5 gebaut, um die Seitenleitwerksgröße, die V - Form und den Schwerpunkt zu ermitteln. Anschließend wurde ein Modell im M 1:4 gebaut um die ermittelten Daten zu überprüfen, was sehr ansprechende Flugleistungen und unkritisches Flugverhalten bestätigt hat.
Das RC-Modell ist bis auf das Einfliegen und Lackieren fertig.



GK - 119
Normalmodell, als Motorsegler, mit negativ gepfeilten Tragflächen

Bild folgt

Das Modell ist ein Normalmodell mit -15 Grad gepfeilten Tragflächen.
Spannweite 3200 mm
Pfeilung: - 15 Grad
V-Form: doppelt, insgesamt 10 Grad, je Seite
Um die entstehenden Torsionskräfte in den Tragflächen aufnehmen zu können sind diese voll beplankt und mit 40 Gramm Glasseide, diagonal, belegt.

GK-133

Modelltyp: einfacher Motorsegler mit negativ gepfeilten Flächen als Normalmodell
Bild folgt

Spannweite:                                      2260 mm
Tragflächenprofil:                              Eigenentwicklung
Tragflächentiefe am Rumpf:               230 mm
Tragflächentiefe am Randbogen:        130 mm
V-Form der Tragfläche:                      je Seite: 7,0 Grad
Höhenleitwerksprofil:                         Eigenentwicklung
Rumpflänge, gesamt:                         1160 mm
Steuerung:                                        Seite, Höhe und Motor
Basis zu diesem Modell ist das RC-Anfängermodell: "Der große Kumpel" (GK-123), jedoch sind die Lweitwerke etwas vergrößert um die höheren Momente kompensieren zu können. Gegenüber der GK-123 wurde der Flächenansatz so weit zurück geschoben, dass der Schwerpunkt bei beiden Modellen gleich ist.
 

GK-135 

Modelltyp: Normal-Motorsegler mit negativ gepfeilten Ohren.
 
Bild folgt

Spannweite:                                      3220 mm
Tragflächenprofil:                              Eigenentwicklung
Tragflächentiefe am Rumpf:               200 mm
Tragflächentiefe am Randbogen:        125 mm
V-Form der Tragfläche:                       Mittelstück je Seite 2,5 Grad, Ohren je Seite: 20 Grad
Pfeilung der Tragfläche:                      nur die Ohren - 20 Grad
Rumpflänge, gesamt:                         1260 mm
Steuerung:                                        Seite, Höhe und Motor

Die GK 135 ist eine Normalmodell bei dem die Mittelteile der Flächen eine Pfeilung von 0 Grad der t/4-Linie aufweisen, jedoch sind die Ohren mit einer Pfeilung von - 20 Grad angesetzt. Hierdurch erhoffe ich mir einen wesentlich geringeren induzierten Widerstand, wodurch die Flugleistung höher wird, als bei einer durchgehend geraden Fläche.
Die Fläche soll im Mittelteil eine V-Form von + 2 Grad und die Ohren eine V-Form von + 20 Grad erhalten. Das Seiten-, wie auch das Höhenleitwerk müssen natürlich etwas größer sein, als bei Modellen ohne Pfeilung oder gar bei positiver Pfeilung.
Das Modell ist derzeit im Rohbau fertiggestellt.



GK-138
Die GK-138 ist eine Nachbildung der "E 11" ein 2 sitziges Segelflugzeug der Flugtechnischen Arbeitsgemeinschaft an der Hochschule Esslingen, jedoch nicht als Scale- oder Semi-Scale-Modell.


Zur Voruntersuchung wurde dieser Balsagleiter im Maßstab 1 : 5 des RC-Modelles gefertigt. Hierbei mussten gegenüber dem Original-Flugzeug das Höhenleitwerk und auch das Seitenleitwerk vergrößert werden. Ferner musste bei dem Balsagleiter auch die EWD wesentlich verringert werden. Während normale Balsagleiter mit einer EWD von 2,5 bis 3,5 Grad fliegen, musste bei diesem Balsagleiter die EWD auf 1,5 Grad reduziert werden. In dieser im Bild vorgestellten Konfiguration wurden die Planunterlagen erstellt. (Stand September 2017)

Technische Daten des RC-Modelles:
Spannweite:                                                  2.600 mm                              
Tragflächentiefe am Rumpf:                             480 mm
Tragflächentiefe am Randbogen:                      175 mm
V-Form der Tragfläche:                                  je Seite: 10 Grad
Pfeilung der Tragfläche (t/4-Linie):                - 25 Grad
Rumpflänge, gesamt:                                      1500 mm
Fluggewicht:                                                  ca. 2000 g
Steuerung:                                                     Seiten-, Höhenruder  und Motor

Mit dem Modell soll der Bewies angetreten werden, dass ein solches Flugmodell absolut flugtüchtig ist.
 
 



 
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