Ein Märchen wird wahr - 1,8kg PLA leichter als Luft

Wie bei Hans Christian Andersen, hat sich das hässliche Entlein zum Schwan gemausert.
Ich gebe zu, Schwäne sehen eigentlich schöner aus. Jetzt, mit dem langen Hals wird’s schon grenzwertig. Ich mag mir nicht vorstellen, wie das bei 2,55 m aussehen muss, denn jede Spannweitenvergrößerung versetzt den Schwerpunkt nach hinten und der Hals muss länger werden, wenn man nicht zusätzliches Gewicht durch Ballast mitschleppen will.
Fliegen tut er fast wie ein Segler. Wie im Video, der auf de Rumpf befestigten Kamera zu sehen, steht der Motor die überwiegende Zeit: [youtu.be]



Mit 1,95 m Spannweite und 1,8 kg PLA ist es das z.Zt. größte gedruckte Flugmodell. Selbst die Universität Sheffield, die mit Boeing ein Zentrum für fortgeschrittene Bearbeitung und Werkstoffforschung für Luft-und Raumfahrt und anderen hochwertigen Fertigungssektoren betreibt, kann da nicht mithalten.
Im Video lässt man es ohne Motor am Hang fliegen. Er wiegt unter 2 kg bei einer Spannweite von 1,5 m. [www.amrc.co.uk]

Gruß Michael

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 14.09.14 05:16.

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Schönes Projekt!
Ganz blöde Frage: Warum nicht einfach die Flügel weiter nach vorne legen?

... weil das ein halber 'Entenflügler' mit einem anderen Flugverhalten ist, als bei 'normalen' Flugzeugen

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Viktor
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Eistee
Schönes Projekt!
Ganz blöde Frage: Warum nicht einfach die Flügel weiter nach vorne legen?

Der Schwerpunkt wird nicht auf den Rumpf, sondern auf die Tragfläche bezogen.
Bei einem Brettnurflügel muss er außerdem noch extrem weit vorn liegen. In diesem Fall nur 6 cm hinter der Vorderkante der Tragfläche. Wird nun die Tragfläche nach vorn geschoben, verschiebt das verlängerte Heck den Schwerpunkt durch Eigengewicht nach hinten und die dann verkürzte Nase hat keinen Hebelarm mehr das auszugleichen.
Es wird einleuchtend, wenn man sich das wie eine Wippe vorstellt. Der Drehpunkt liegt dabei 6 cm hinter der Nasenleiste. Wird das Heck länger und die Nase kürzer. Kippt es nach hinten.

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Bislang dachte ich immer, ich würde mich mit der Aerodynamik von Flugzeugen auskennen. Doch dass sich der Schwerpunkt (bzw. der Druckpunkt des Profils) bei Spannweitenvergrösserung nach hinten verschiebt, ist mir neu.

Für mich sieht das wie ein Nurflügler aus, mit einem für Nurflügler eher ungeeigneten Profil (kaum S-Schlag). Pfeilung für ein weniger kritisches Flugverhalten fehlt auch. Sehr interessant!

Ich denke mal, Du wirst schon wissen, was Du machst und fliegen tut es ja auch. Das ist die Hauptsache.

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Traumflug
Bislang dachte ich immer, ich würde mich mit der Aerodynamik von Flugzeugen auskennen. Doch dass sich der Schwerpunkt (bzw. der Druckpunkt des Profils) bei Spannweitenvergrösserung nach hinten verschiebt, ist mir neu.

Für mich sieht das wie ein Nurflügler aus, mit einem für Nurflügler eher ungeeigneten Profil (kaum S-Schlag). Pfeilung für ein weniger kritisches Flugverhalten fehlt auch. Sehr interessant!

Ich denke mal, Du wirst schon wissen, was Du machst und fliegen tut es ja auch. Das ist die Hauptsache.

Du hast ja auch noch keine Tragfläche gedruckt

Die Tragfläche dominiert mit über 1,5 kg bei weitem das Gesamtgewicht. Sie hat eine Tiefe von 33,6 cm.

Der Masseschwerpunkt liegt etwa in der Mitte, bei 17 cm von vorn.

Soll der Schwerpunkt bei 6 cm liegen, ergibt sich ein hecklastiges Moment aus:
1,5 kg x 27,6 cm / 33,6 cm x 27,6 cm / 2 = 16,9 kpcm (27,6 cm = Flächentiefe hinter dem Schwerpunkt)

Ihm gegenüber steht das geringe kopflastige Moment aus:
1,5 kg x 6,0 cm / 33,6 cm x 6,0 cm / 2 = 0,82 kpcm (6,0 cm = Flächentiefe vor dem Scherpunkt)

Daraus ergibt sich ein resultierendes Hecklastiges Moment aus:
16,9 – 0,82 = 16,18 kpcm

Ein gleich großes frontlastiges Drehmoment ist erforderlich, um das Gleichgewicht herzustellen.
Motor, Akku, Regler und Luftschraube mitsamt Rumpfanteil wiegen zusammen 0,4 kg, verteilt auf 18 cm.

Daraus ergibt sich ein erforderlicher mittlerer Abstand:
16,18 kpcm / 0,4 kg = 42 cm

Das bedeutet, die vordere Rumpflänge ab Schwerpunkt beträgt:
42 cm + 18 cm/2 = 51 cm

Wird nun die Tragfläche vergrößert, entfällt wiederum (aus Gewichtszuwachs) der weitaus größere, zwanzigfache Anteil (16,9/0,82) auf das hecklastige Drehmoment.
Einfachshalber habe ich das hecklastige Moment aus dem Seitenleitwerk hinter der Tragfläche und anteiligem Rumpf außen vor gelassen. Deswegen ist der Rumpf nach vorn in Wirklichkeit noch länger, nämlich 56 cm.

Bei einer Spannweitenverlängerung auf 3 m, darf man theoretisch mit einer Verlängerung der Nase um 20 cm rechnen. Praktisch wird es weniger, da dann auch ein schwerer Motor und Akku fällig wären.

Und ja, natürlich habe ich ein typisches Profil mit S-Schlag verwendet: das ClarkYS.
Andernfalls wäre es kaum so gut geflogen

Und - ein Brettnurflügel hat keine Pfeilung, sonst hieße er nicht Brettnurflügel

Detaillierte Infos zum Modell insbesondere auch zum Konstruktionsprinzip und Festigkeit der Tragfläche findest Du auf unserer Ffm Hackerspace Seite: [www.hackerspace-ffm.de]

Gruß Michael

Zusatz zum Flugverhalten eines Brettnurfügels
Stellungnahme von einem der erfahrensten Konstrukteure für Horten Modelle:

"Bretter haben eine geringe Dämpfung und Flugstabilität um die Querachse (Höhenruder), deshalb kann man mit ihnen beim Kurven auch mal Haken schlagen und dafür liebe ich die Schaltafelflieger, sie sind auch gutmütig gegen einseitiges Abkippen. Das hat aber den Nachteil dass sie sehr empfindlich auf Fehltrimmung des Schwerpunkts und des Höhenruders reagieren. Beim überziehen bleiben die Flächen waagerecht, aber das Brett geht stark auf die Nase und braucht viel Fahrt um wieder abgefangen werden zu können."

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 17.10.14 03:57.

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Aaah, verstehe. Bei Spannweitenvergrösserung verschiebt sich also nicht der Druckpunkt, sondern der Gewichtsanteil des Flügels wird noch dominanter. Das macht Sinn, besten Dank.

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Und ich dachte walder macht das nach gefühl.........bin jetzt ein wenig traurig.......

Gruß
Mirco

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Mirco S.
Und ich dachte walder macht das nach gefühl.........bin jetzt ein wenig traurig.......

Gruß
Mirco

Du brauchst wirklich nicht traurig sein.

Gerade WEIL ich nach Gefühl gegangen bin, musste schließlich der Rumpf vorne mit einem recht untypischen 22 cm(!) langen Rohrteil "nachgebessert" werden.
Erst als es schon startklar war, erfuhr ich, dass der Schwerpunkt bei diesem Typ so weit vorn sein muss.
Das Problem mit dem Schwerpunkt hatte ich ja schon mit dem Motorsegler vor einem Jahr. Eigentlich nur deswegen habe ich einen Nurflügel bauen wollen, weil es ein sehr kurzes Heck hat ;-)
Das Tragflächenprofil wurde mir allerdings, speziell für mein Modell empfohlen.

Gruß Michael

Zusatz zur Aerodynamik
Die Verlängerung (Streckung) der Tragfläche hatte zur Folge, dass der Schwerpunkt 2 mm weiter hinten sein darf.

Uwe Heuer, der Horten Spezialist, den ich bereits erwähnte, klärte mich nun über die Hintergründe auf:

Wenn man sich die Aerodynamik einfach macht, dann kann man davon ausgehen, dass die Auftriebskraft bei 25 % der mittleren Flügeltiefe ansetzt, das nennt man den geometrischen Neutralpunkt. In der Realität ist die Auftriebskraft aber nicht gleichmäßig über die Spannweite verteilt. Am Randbogen möchten sich der Unterdruck auf der Flügeloberseite und der Überdruck auf der Flügelunterseite ausgleichen und bilden dort den bekannten Randwirbel, auch Wirbelschleppe genannt. Dieser Effekt führt aber auch dazu, dass die Luftströmung auf jeder Seite des Flügels eine Querkomponente zu dem Randwirbel hin und von ihm weg bekommt. Das verschiebt den Angriffspunkt der Auftriebskraft und bildet den aerodynamischen Neutralpunkt, der sich vom geometrischen umso mehr unterscheidet, je größer die Flügelstreckung ist. Deine Spannweitenvergrößerung erhöht also vor allem die Streckung und verschiebt dadurch den aerodynamischen Neutralpunkt. Der Schwerpunkt muss dem aerodynamischen Neutralpunkt folgen um einen stabilen Flug zu gewährleisten.

Es ändert sich also keineswegs der Druckpunkt des Profils (zweidimensionale Betrachtung), sondern die Umströmung der Tragfläche (dreidimensionale Betrachtung).

Noch ein Wort zum Profil: der S-Schlag des ClarkYS ist sogar recht groß. Heutzutage verwendet man Profile mit eher kleinem S-Schlag und schlägt als Ausgleich für den Langsamflug die Höhenruderklappe weiter nach oben aus. Die Verluste bei nach oben ausgeschlagener Klappe im Langsamflug sind geringer als eine für den Schnellflug nach unten ausgeschlagene Klappe eines Profils mit größerem S-Schlag. Dazu gibt es erschöpfende Rechnungen und Versuche von Peter Wick die etwa 15 Jahre alt sind.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 24.10.14 16:20.

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