Flugmodellbau
  Randausbildung
 

Diese Seite ist erst im Aufbau und fast alle Bilder müssen noch entworfen und gezeichnet werden.

Die Randausbildung der Tragflächen

Um den in jedem Falle entstehenden induzierten Widerstand an den Flächenenden zu verringern, wurde im Laufe der Entwicklung der Flugzeuge bereits eine große Anzahl von Lösungen präsentiert, welche den Randwirbel entscheiden verringern sollten. Dieser Randwirbel entsteht dadurch, dass im Normalfall  im oberen Bereich der Flächen ein geringerer Druck herrscht als auf der Unterseite und dieser gleicht sich am Flächenrand aus, so dass eine Strömung von unten nach oben entsteht, was einen Wirbel ergibt. Diese Strömungsrichtung gilt jedoch nur für Flugzeuge bei denen der Flächenrand positiv, oder lediglich sehr gering negativ, angestellt ist. Bei größerer negativer Anstellung, zum Beispiel bei Nurflüglern zum Momentenausgleich, ist die Umströmung umgekehrt, hier ist die Umströmung von oben nach unten, was auch für den „Glockenauftrieb“ nach Horten gilt. Einige Lösungen sind für negative Pfeilung nicht anwendbar, da sie die vor dem Schwerpunkt liegende Seitenfläche noch weiter erhöhen, was zu extrem großen Seitenleitwerken führen würde.

Aus diesem Grunde sind alle nachfolgenden Betrachtungen nur für positiv angestellte Randbögen mit einem Wirbel von unten nach oben beschrieben. Bei entgegengesetzter Wirbelrichtung gelten die gleichen Grundsätze, sie sind lediglich entgegengesetzt anzuwenden.

Diese Aufstellung der Randbögen beinhaltet eine kleine Auswahl der vielen Möglichkeiten, wobei jedoch eine Kombination unterschiedlicher Beispiele ebenfalls machbar ist und somit stellt das Ganze nur eine kleine Übersicht dar.

 
Die Randwirbel als induzierter Widerstand bei einem Flugzeug.


 
Versuchseinrichtung: Sichtbarmachung der Randwirbel mittels eines Drallprüfers oder einer Fadensonde.(Entnommen der Seite: „Vorträge“ „Aerodynamik“, Bild 34, dieser Homepage)

Einige der nachfolgend beschriebenen Lösungen sind jedoch sehr aufwändig herzustellen und fallen somit für den Hobby-Modellflieger meist aus, jedoch gehören sie zur Auflistung dazu. Einige Konstruktionen sind auch sehr bruchempfindlich, so dass diese ebenfalls ausfallen. Diese letztgenannten Konstruktionen können natürlich auch stabiler hergestellt werden, jedoch ist dann zu beachten, dass hierdurch Gewicht eingebaut wird, was das Modell schwerer macht und dass dieses auch noch am Flächenende erfolgt, wodurch das Trägheitsmoment des Modelles wesentlich ansteigt, was dann eventuell die Vorteile eines geringeren Randwiderstandes vollständig zunichte machen könnte.
Ein Nachteil dieser Auflistung ist, dass keine Aussagen über die Wirksamkeit der Konstruktion gemacht werden kann, da die unterschiedlichen Randbogenarten bisher nich nicht untersucht wurden und somit nicht miteinander verglichen wurden.
Bisher sind mir leider noch keine umfangreichen Untersuchungen über die unterschiedlichen Widerstände der einzelnen Randbogenarten bekannt geworden. Lediglich liegen mir Untersuchungen von einzelnen Randausbildungen vor, die jedoch nicht sehr aussagekräftig sind und die auch nicht miteinander verglichen werden können, da sie
jeweils andere Messvoraussetzungen aufweisen.
Die beste Möglichkeit den induzierten Widerstand zu verringern ist natürlich die Vergrößerung der Streckung der Tragfläche. Aber dieser Möglichkeit sind statische Grenzen gesetzt. Durch die Verringerung der Flächentiefe sinkt, bei beibehaltener prozentualer Profildicke, die statisch wirksame Holmhöhe und gleichzeitig wird der Kraft-Hebelarm größer. Eine entsprechende Möglichkeit die Flächentiefe am Randbogen zu verringern ist die Gestaltung des Außenflügels als entsprechendes Trapez, was jedoch nicht ganz den Effekt einer größeren Streckung hat

Anmerkung: Da ich nicht gut das Freihandzeichnen beherrsche, sondern in meinem ganzen Leben, bereits als Kind, nur mit Reißbrett, Reißschiene, Lineal, Zeichendreieck und Kurvenlineal und später mit einer Zeichenmaschine, beruflich und auch hobbymäßig konstruiert habe, bitte ich mir die unzulänglichen Zeichnungern der Randbögen zu verzeihen.


Bilder: Einige Ausbildungen der Ränder bei Randbogen.


Grundmuster des Randes, die sich vielfach variieren lassen.

 

1. Eckige Randrippe

 

2. Runde Randkappe

 

3. Breitere, schräg abgerundete Randkappe 
 

4. Scharfe Randschneide

5. oben durchlaufend, unten schräg, auch von unten her abgerundet.

 

6. unten durchlaufend, oben schräg, auch von oben her abgerundet.

 

 

Bilder: Randausbildung. Diese Randausbildungen stehen stellvertretend für viele Möglichkeiten die hieraus zu entwickleln sind.

1. gerades Flächenende mit eckig gehaltener Endrippe

 

2. gerades Flächenende mit Balsaleiste, vorne abgerundet und auch auf der Seite gerundet. Diese Möglichkeit kann auch hinten gerundet sein

 

3. wie 2., jedoch Flächenenden um ca. – 3 Grad verwunden. Dies ist eine geometrische Schränkung der Flächenenden, die auch größer ausfallen kann.

So wurde in den 50iger Jahren bei verschiedenen Modellen das Flächenende bis zum Nullauftriebswinkel des Profiles angehoben, um keinen Auftrieb und somit auch keinen induzierten Widerstand zu erhalten. und diese Verwindung kann dann schon, je nach Profil, bis zu  - 8 Grad betragen.



Bild: Geometrische Schränkung. Hier beträgt die Schränkung, zur Veranschaulichung, -15 Grad und ist im Normalfall wesentlich zu groß. Lediglich bei positiv gepfeilten Nurflüglern ist eine Schränkung in dieser Größenordnung möglich um das im vorderen Flächenbereich entstehende negative Moment auszugleichgen. Auf dem Bild ist rechts das innere und links das äußere Profil.



Bild: Aerodynamische Schränkung. Die aerodynamische Schränkung kann auch mit einer geometrischen Schränkungkombiniert werden, was eigentlich der Regelfall ist. 
Bei der aerodynamische Schränkung wird das vorhandene Profil auf ein anderes Profil, am Flächenende, gestrakt und ebenfalls noch etwas geschränkt. Bei dem Bild ist am Ende ein S-Schlag-Profil gezeichnet. Im Regelfall ist jedoch am Ende ein symmetrisches Profil, das noch etwas negativ verwunden ist. Auf dem Bild ist unten das innere und oben das äußere Profil gezeichnet.

Diese beiden Möglichkeiten können auch bei anders aussehenden Flächenenden angewendet werden.

4. Flächenende rund, als Halbkreis. 

5. Flächenende leicht elliptisch, fast rund.

6. Flächenenden sehr stark elliptisch

7. Flächenende mit Endscheibe.

8. Flächenende mit Endscheibe, profiliert und an der Fläche ausgehöhlt, analog der Profiloberseite, ähnlich wie erine  Wespentaille am Rumpf, zur Verringerung des Interferenz-Widerstandes.

9. Flächenende mit einfachem „Verzögerer“. Diese Form des Flächenendes erinnert, bei größerer Gestaltung der schrägen Flächen, an die „Leipziger Flügel“ der 30er Jahre des vorigen Jahrhunderts.

10. Flächenende mit einfachem „Beschleuniger“. Bei Ausgestaltung der schrägen Fläche, in größerer Form, kann man hier die „Ohren“ erkennen, wie sie auch bei dem Modell „Der kleine UHU“ von 1976 angefügt wurden, um das Ausbrechen beim Hochstart etwas zu minimieren.

11. Flächenende mit Randkeule.

12. Flächenende um einige Grad nach hinten schräg herausgestellt.

13. Flächenende mit geschwungenem „Beschleuniger“. Diese Art von Randgestaltung, in Verbindung mit dem um 10 bis 15 Grad ausgestellten Flächenende habe ich bei meinen Freiflugmodellen bevorzugt angewendet.

14. Flächenende in „Sichelform“

15. Flächenende in Sichelform mit geschwungenem „Beschleuniger". Diese Möglichkeit kann auch nach unten, als "Verzögerer" ausgeführt werden.

16. Flächenende in Sichelform mit einer größeren gebogenen Fläche. Hier kann man bereits ein Winglet erkennen. Bei dem "Hochbiegen" der Enden muss darauf geachtet werden , dass das hierbei eine geometrische Schränkung von etwa -3 Grad und zusätzlich eine aerodynamische Schränkung vorhanden ist. Das "Hochbiegen" muss rechtwinklig zur Querachse, also parallel zur Längsachse erfolgen, so dass die Schränkung des Flügels erhalten bleibt. Hierdurch hat die Profilachse des Winglets eine Anstellung zur Längsachse und die Profilachse bildet einen Winkel, der zum Seitenleitwerk hinläuft. Hierdurch entsteht am Winglet kein Auftrieb und auch kein induziertert Widerstand, wodurch der Gesamt-induzierte-Widerstand verringert wird.

17. Flächenende in Sichelflorm, jedoch ist hier das Flächenende nach oben abgeknickt.

18. Flächenende mit Winglets nach oben

19. Flächenende mit Winglets nach unten und oben

20. Flächenende 3-fach aufgefächert, analog eines Vogelflügels. 

21. Flächenende 5-fach aufgefächert. Bei der Auffächerung können die einzelnen Fächerteile profiliert werden. Hierbei wirken die Fächerteile, die eine analoge Wölbung wie die Tragflächen haben, also die runde Seite nach oben zeigt, wirken entgegen der Strömungsrichtung der Wirbel, sie sind also Verzögerer. Bei umgekehrter Profilierung wirken diese entgegengesetzt, also mit der Wirbelrichtung, sind also Beschleuniger.
 

Wie bereits erwähnt, liegen mir bisher keinerlei umfassende Untersuchungen über die Wirksamkeit der einzelnen Randbögen vor. Hierbei wäre es sicherlich machbar, eine solche Untersuchung im Rahmen einer Arbeit von „Jugend forscht“ durchzuführen. Die Ergebnisse müssen in keinem Fall absolute Werte des Widerstandes beinhalten, sondern lediglich Faktoren, die besagen, dass ein Randbogen den x-fachen Widerstand des Randbogens y hat. Dies wäre analog den Widerstandskörpern bei denen die runde Scheibe den Wert 1 hat und alle anderen Körper hieran gemessen sind. Meiner Meinung nach wäre dies mit einem Umlaufgerät nach Lilienthal sehr einfach machbar und auch die Räumlichkeiten in einer Schule bieten sich hier geradezu an, denn in den Schulen sind größere Treppenhäuser mit meist mehr als 3 Stockwerken in denen dann das Ballastgewicht einen größeren Weg zurücklegen kann, so dass hierdurch genauere Werte möglich sind.

 

Hierbei wäre es auch sinnvoll, zu untersuchen wie sich eine positive wie auch eine negative Pfeilung auf den Widerstand eines Randbogen-Prüfkörpers auswirkt.

 
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