Profiliertes Höhenleitwerk

Habe gerade vor einen Elektrosegler zu bauen und frage mich ob es bei 3,2m Spannweite lohnt ein Profiliertes Höhenruder zu bauen, oder ob ein Brettleitwerk nicht ausreichen würde.
Das Modell bekommt ein SD7037 als Profil weil noch Tragflächenspitzen rumliegen und der Segler mit den Flächen ganz gut flog .
Wieviel Leistung verschenkt ein normales Brettleitwerk wirklich?

Gruß Holger

Hallo Holger!

Ein schönes Thema, über das sich auch theoretisch bestimmt viel sagen lässt...
Hatte gerade genau die selbe Entscheidung zu treffen: 3,4m-Segler, serienmäßig mit V-Leitwerk in Brettchenbauweise.
Ich habe es NICHT so, sondern als halbbeplanktes Leitwerk in Rippenbauweise (NACA 0008 / 0009) gebaut.
Vom Widerstand her wird bei halbwegs sinnvollem Verschleifen des "Brettchen" kein allzu großer Unterschied sein, zumindest bei nicht zu hohen Geschwindigkeiten. Ergo wird der Leistungsverlust sich in der Praxis kaum auswirken.
Allerdings sollte bei einem "richtigen" Profil die Strömung zuverlässiger anliegen, d.h. Strömungsabrissse am HLW sollten damit selten(er) auftreten.
Zudem ist ein profiliertes (und zumindest teilbeplanktes Leitwerk) üblicherweise wesentlich steifer und flatterresistenter, was in der Praxis durchaus von Vorteil ist.
Zu guter Letzt: der Arbeitsaufwand bei Eigenbau-Rippenbauweise liegt schätzungsweise ca. bei Faktor 5 gegenüber einem Brettchen...
Mit dem Zeitaufwand habe ich schon ganze Flächen gebaut...
Mir war es das trotzdem wert.

Grüße,

Bertram

Hallo Bertram

Genau die gleichen Überlegungen habe ich auch gehabt. Wenn die Flugleistungen nicht so negativ beeinflusst werden, kann man auf die Rippenschnippelei auch verzichten. Einen Strömungsabriss am Leitwerk halte ich bei den Geschwindigkeiten, die der Segler fliegen soll für unkritisch. Es soll ja kein F3F Modell werden.

Gruß Holger

Holger,
bei HLGs und anderen langsamen Modellen ist in der Regel das Brettchenleitwerk die beste Variante, weil die Rezahl am Höhenleitwerk so niedrig ist. Dabei kann sowohl die symmetrische Ebene Platte verwendet werden, wie eine profiliert geschliffene mit leichter Wölbung. Hängt vom Modell ab, was bessere Sinkleistungen bringt.

Bei Modellen ab 2m ist in der Regel die Rezahl am HLW bei 40-60000 im Langsamflug, so dass profilierte Leitwerke sinnvoll sind. Bei 2-2,5m Modellen sind eher 5-7% sinnvoll, dickere Profile bereiten hier meist Probleme infolge von Ablösungen.

In der 3m Klasse ist die Sache klar, 7-9% Profildicke und in jedem Fall mit einem symmetrischen bzw. gering gewölbten Profil zu kombinieren. Brettchenleitwerke erzeugen viel Widerstand und bringen zugleich zu wenig camax, weil der geflogene Geschwindigkeitsbereich sehr groß ist - viel zu groß jedenfalls für Brettchen.

Bei Großseglern sind 10% meist die sinnvolle Untergrenze. Mit 12-13% werden viele Modelle ausgestattet, weil das Höhenleitwerk möglichst Scale gebaut werden soll. Flugstabilitätsprobleme können da nur mit viel camax am Höhenleitwerk umgangen werden, welches durch eine große Profildicke erzielt wird. Rezahl spielt dank Flächenbelastungen >100g/dm² meist keine Rolle. Mit leichter Wölbung zu experimentieren bringt hier besonders viel, aber da traut sich nur selten jemand heran, deswegen lassen wir es bei diesem Hinweis bewenden.

So, das war jetzt ein klein wenig ausführlicher, als gefragt, aber hoffentlich zugleich ein klein wenig erhellender.
Siggi

Hallo Siggi

Vielen Dank das war sogar sehr erhellend. Da ich natürlich keine Leistung durch ein widerstanderzeugendes Leitwerk verschenken will, werde ich wohl doch ein Profiliertes bauen.
Stellt sich natürlich wieder die Frage nach dem Profil. Soll ein NACA0009 zum Einsatz kommen oder ein anderes? Kann man über das Profil die dann die Größe des Leitwerks noch beeinflussen.

Gruß Holger

Holger,
die Baufehler sind meist größer als ein besseres Profil, zumindest bei einem Balsa-Leitwerk. NACA 0009 ist also in Ordnung, nimm das.

Als Variante für spätere Experimente kannst Du auch mal ein tragendes Leitwerk (1,5-2% Wölbung) probieren. Es gibt Modelle, mit denen man bei so einer Auslegung merklich geringere Sinkleistungen erzielt. Manche Modelle, nicht alle. Ein Experiment für den nächsten Bauwinter vielleicht, daher lasse ich es auch hier bei diesem dezenten Hinweis bewenden.
Siggi

Hallo Siggi

Beim durchstöbern der Restekiste ist mir das Leitwerk vom MPX Fiesta in die Hände gefallen. Das ist ja tragend. Vielleicht verwende ich das einfach und baue es als V-Leitwerk um. Ich vermute, das ich dann den Schwerpunkt nach hinten korrigieren muß, da ja am Leitwerk nun Auftrieb produziert wird. Wie sieht es dann mit der EWD aus?

Gruß Holger

Holger,
das ist richtig. SWP nach hinten und zugleich die EWD etwas vergrößern. Der Grund liegt im größeren Nullauftriebswinkel, den man ein wenig kompensieren muss. Ein wenig, nicht komplett. Bei meinen Tests hatte ich 1,6° EWD für das vollsymmetrische Leitwerk und 2,0° EWD für das 2%gewölbte. Nimm das nur als Anhaltspunkt, dass sich zumeist bei der EWD relativ wenig ändert.
Siggi

Original erstellt von Hartmut Siegmann:
SWP nach hinten und zugleich die EWD etwas vergrößern. Der Grund liegt im größeren Nullauftriebswinkel, den man ein wenig kompensieren muss.

Zum Vergrößern anklicken....

Moin!

Die Sache mit der EWD begreife ich. Bezieht man die Einstellwinkel auf den jeweiligen Nullauftriebswinkel, sollte sie allerdings gleich bleiben.

Aber warum den SP zurück? Ich habe das schon mehrfach gehört und möchte die Beobachtung, dass das so richtig ist, auch nicht von vornherein anzweifeln.

ABER: Das würde heißen, dass das Leitwerksprofil Einfluss auf die Lage des Flugzeug-Neutralpunktes haben würde. Kann mir jemand erklären, wie?

Gruß Yeti

Hallo Siggi

Schönen Dank für die Hilfe. Das Leitwerk werde ich ausprobieren. Dann muß ich nichts neues Bauen.

@Yeti
Ich versuch es mal. Siggi kann das sicherlich besser.
Ein tragendes Leitwerk produziert einen größeren Auftrieb als ein symetrisches Profil. Dieser Auftrieb wirkt nun am Ende des Leitwerks und versucht den Flieger auf die Nase zu drücken. Das kann etwas ausgeglichen werden, wenn der Schwerpunkt zurückverlegt wird. Leienhaft ausgedrückt.

Gruß Holger

Hallo,

wenn beim ausser dem Leitwerk nicht am Flieger geändert wird, dann muss das "tragende" Leitwerk den gleichen Auftrieb/Abtrieb liefern wie symmetrische Leitwerk um eine Fluglage zu stabilisieren. Daher leuchtet Yeti ein, dass die EWD um den Nullauftriebswinkel korrigiert werden muss und es fehlt ihm die Erklärung für die Verschiebung ds Neutralpunktes.

Das Problem ist nun imho, dass ein "tragendes" Profil keine sysmmetrische Auftriebsmaxima bzw. -minima umd den Nullauftriebswinkel herum hat. Das erzielbar ca-Max ist viel größer als das ca-min. Man wird also im neutralen Flugzustand Geradeausflug mehr Auftrieb am HLW fliegen wollen um bei Höhe ziehen genug ca-min zur Verfügung zu haben.

Hans

Möchte gerne diesen treed wieder nach oben bringen, bin nämlich wegen obiger Ausführungen schon etwas verwirrt!

Grundsätzlich ist es doch so, dass der Neutralpunkt nur von den geometrischen Abmessungen abhängig ist. Das von uns gewünschte Stabitlitätsmaß wird dann als Neutralpunktvorlage in Prozent der mittl. wirksamen Flügeltiefe verwirklicht. Je nach Pilot bzw. Flugzeugtyp werden Stabilitätsmaße von ca. 8 bis 20% geflogen, bei Freiflugmodellen noch mehr. Aus diesen Größen ergibt sich dann je nach Flugzustand ein Auf- oder Abtrieb am Leitwerk, eine Rückrechnung des ca´s am Leitwerk ist dann möglich. Bei der Festlegung des Normalflugzustandes erkennt man dann, welches ca notwendig ist, um ein Gleichgewicht herzustellen bzw. muß auch überprüft werden, ob bei ca min und ca max noch genügend Reserve vorhanden ist, um keinen Strömungsabriß am Leitwerk zu haben (Arbeitspunkt). Aus diesem Grunde werden bei sehr großen HLW und/oder sehr großen Hebelarmen oft tragende Profile am HLW notwendig, da sonst obige Forderungen nicht erfüllt werden können.

Herr Stettmeier Helmut, den ich sehr schätze, hat dazu ein sehr schönes excel sheet angefertigt, darin ist die Problematik sehr gut ersichtlich.

So, jetzt bin ich in der Eile mit meinen Weisheiten fertig, bitte um Korrektur, wenn etwas nicht korrekt ausgeführt wurde bzw. um Erklärung,wie man mit einem tragenden Leitwerk die Leistung verbessern kann (Kann mir ev. nur vorstellen, dass bei einem rel. hohen ca am Leitwerk ein tragendes Profil weniger Widerstand hat, aber was macht das in Summe aus?)!

Liebe Grüße und stets ergiebige Thermikblasen wünscht
Wolfgang aus OÖ.

Hoppla, hier kam ja doch noch etwas!

Also nachdem, was haru noch geschrieben hat, ist es keine Verschiebung des Neutralpunktes, sondern eine Verschiebung der Steuerbarkeitsgrenzen. Auch das leuchtet natürlich ein, denn ein positiv gewölbtes (der Begriff "tragendes HLW" gefällt mir in diesem Zusammenhang eigentlich nicht) Leitwerksprofil funktioniert auch bei höheren Auftriebsbeiwerten noch, dafür aber schlechter bei negativen ca. Die Steuerbarkeitsgrenzen lassen sich neben der Profilwahl und Leitwerkseinstellwinkel auch über den SP verschieben. Durch das Zurücklegen des SP beim gewölbten Leitwerksprofil werden also die Steuerbarkeitsgrenzen wieder gerade gerückt. Allerdings unter Inkaufnahme eines geringeren Stabilitätsmaßes, denn einen Einfluss des Leitwerksprofils auf den Neutralpunkt des Flugzeuges kann ich nach wie vor nicht erkennen.

Gruß Yeti

Wolfgang,
der Widerstandsgewinn am HLW im Langsamflug ist nur ein Teil. Was unter Umständen wichtiger sein kann, ist die Widerstandseinsparung am Flügel, indem man aus dem unterkritischen Bereich dank etwas größeren effektiven Flugmodell-Anstellwinkel herauskommt. Hier kannst Du beim Profilwiderstand durchaus 30-40% Gewinn erzielen und das verbessert die Leistung. Das hat zunächst nur in zweiter Linie etwas mit dynamischer Längsstabilität zu tun, es entsteht durch eine weitgehende Vermeidung unterkritischer Profilumströmung. Die Phygoide bekommt in der Regel eine höhere Frequenz, das heißt das Modell durchfliegt einen kleineren Anstellwinkelbereich im eigenstabilen Gleitflug, hier greift die dynamische Längsstabilität direkt. Damit wird der Anstellwinkel im unterkritischen Bereich nur kurz berührt, kürzer jedenfalls als bei einer Phygoide mit größerer Amplitude.

SWP-lage bei unterschiedlichen HLW-Profilen



Im Bild sind die Schwerpunktlagen meiner Nordic-Electra
mit unterschiedlichen Höhenleitwerksprofilen zu erkennen.

In beiden Schwerpunktlagen ist das Modell an der Unterschneidgrenze eingestellt, also im Bereich kleiner Flugstabilität.

Jetzt wird es etwas schwierig, aber hoffentlich nachvollziehbar: Lasst uns nun über den Druckpunkt philosophieren, den wir aus Gewissensgründen lieber "momentenfreien Auftriebsmittelpunkt" nennen, damit wir uns richtig verstehen. Eine andere Schwerpunktlage ist nichts anderes als eine andere Lage des momentenfreien Auftriebsmittelpunkts unseres Modells. Punkt.

Begründung: In beiden SWP-lagen fliegt das Modell mit dem jeweiligen HLW eigenstabil geradeaus, daher muss der momentenfreie Auftriebsmittelpunkt ziemlich präzise mit dem Schwerpunkt übereinstimmen. Diese deduktive Begründung ist enorm praktisch, da nicht sinnvoll wiederlegbar!

Ein gewölbt profiliertes HLW liefert neben Auftrieb ein Profilmoment, das nicht vernachlässigt werden darf. Dieses negative Profilmoment (bei positiver Wölbung) verlagert den Gleichgewichtspunkt (Schwerpunkt) nach hinten, um das Momentengleichgewicht zu gewährleisten. Das heißt selbst wenn ca=0 am gewölbten HLW ist, muß der Schwerpunkt wegen cm&lt&lt0 weiter hinten liegen! Jetzt ist aber ca_H=0 (Auftriebsbeiwert Höhenleitwerk) bei einem gewölbten HLW ungünstigerweise irgendwas im Schnellflug, die gewünschte Trimmlage ist aber der langsame Gleitflug. Und schon haben wir Auftrieb und Moment am Höhenleitwerk, die gemeinsam eines tun: den momtenfreien Auftriebsmittelpunkt (Druckpunkt) nach hinten verschieben. Das Ergebnis kann man oben an diesem Beispiel schön sehen.

Neutralpunkt
Der Neutralpunkt ist definitionsgemäß der Punkt, bei dem der Momentenbeiwert konstant über den Anstellwinkel ist. Das gilt für ein komplettes Modell und für ein Profil gleichermaßen.

Die Frage, die man sich stellen muß, ist daher folgende: Hat ein cm0 ungleich Null am Höhenleitwerk einen Einfluß auf die Lage des Neutralpunktes ja/nein? Oder anders formuliert: Wenn am HLW ein Profilmoment angreift, kann dann die oben genannte Bedingung für den Modell-Neutralpunkt eingehalten werden ja/nein? Und das ist in der Tat eine interessante Frage...
Siggi

[ 18. August 2003, 13:31: Beitrag editiert von: Hartmut Siegmann ]

Ichhabe noch einen alten MPX Fiesta mit einem Höhenleitwerk mit gerader Unterseite und auf der Fläche ist ein Wortmannprofil. Der selbe Flügel ist auch an der LS 3 aber mit einem vollsymetrischen Höhenleitwerksprofil.Fiesta ist eher der Floater und LS 3 scheint mir dynamischer zu seien. Oder liegt das mehr an der unterschiedlichen Flächenbelastung der beiden Flieger? gruss Klaus

Ist schon Interessant zu welchen Aerodynamischen Betrachtungen eine eigentlich einfache Frage führen kann.
Ich glaube ich werde erstmal ein wenig herumprobieren und dann das Ergebnis hier mal einstellen.

Gruß Holger

Hallo zusammen,

da muß ich jetzt auch noch meinen Senf dazugeben:

Voraussetzung sind die üblichen Annahmen, d.h. linearer Zusammenhang ca(alpha), cm0 = const. bei Flügel und Leitwerk. Das ist in der Realität bei Modell-Re-Zahlen oft nicht so ideal erfüllt (Messungen ansehen), aber wenn wir diese Annahmen nicht machen, wird´s sehr aufwendig zu rechnen und/oder zu überlegen.

@Siggi
a)
Wenn man den Messungen von Selig glaubt, ist das NACA 0009 nicht immer so ideal, weil es um alpha=0 herum eine Nichtlinearität (kleineren Auftriebsanstieg) und bei Re = 40.000 sogar eine kleine "Totzone" hat. Ob das in der Alltags-Realität auftritt, will ich mal offenlassen.


b)
Nullmomente haben mit der Phygoide nichts zu tun, noch nicht mal die sonstigen Momente. Die Phygoide ist mit sehr guter Annäherung eine reine Schwerpunkts-Schwingung bei Momenten-Gleichgewicht. Fahrt wird in Höhe umgesetzt und umgekehrt, bei konstantem alpha bzw. ca. Eine ausreichende statische Stabilität, die den Anstellwinkel konstant hält bzw. die alpha-Schwingung sehr rasch abklingen läßt, ist notwendige (und prakt. immer erfüllte) Voraussetzung für die Phygoide. Praktisch einziger Parameter ist die "mittlere" Geschwindigkeit, um die herum die Fahrt schwankt; dies ist zugleich die getrimmte Geschwindigkeit im ungestörten Gleitflug. "Neben-Parameter" wäre noch das cwges hierbei, was aber nur für das Abklingen (Dämpfung) der Phygoide verantwortlich ist. Hier sieht es aber fast immer ganz mies aus, je hochwertiger der Flieger (cwges klein), desto schwächer ist die Dämpfung. Praktisch ist immer schon die nächste Störung da, bevor eine Phygoide abgeklungen ist, und dann beginnt die Nächste.
Dazu habe ich mal im ehemaligen FMT-Kolleg einen längeren Beitrag geschrieben, in dem auch steht, wie man die Phygoide mit einem Regler wegkriegen kann.

@Haru
Deiner Erklärung schließe ich mich voll an.
Ich kann hier keine längeren Formeln/Ableitungen bringen, daher nur zum Grundsätzlichen. Aus der Längsmomenten-Gleichung kann man für die Gleichgewichtslage eine Beziehung für das erforderliche Leitwerks-ca in Abhängigkeit vom Flügel-ca aufstellen (noch ohne die Profile selbst festzulegen!). Das ist in einem cah(ca)-Diagramm wieder mal eine Gerade, allerdings stecken eine Menge Parameter drin (Flächeninhalte, Abstände, Streckungen, SP-Lage...). In diesem (selten gemachten) Diagramm sieht man sehr schön, welches ca das Leitwerk "bringen" können muß. Und da sieht man dann auch, daß es zweckmäßig sein kann, ein gewölbtes Leitwerksprofil zu verwenden, wegen seiner höheren ca-Reserve zu größeren Anstellwinkeln hin, oder auch, um im cw-Minimum desl Leitwerks-profils zu fliegen. Man muß dann auch noch die Nebenbedingung der statischen Stabilität berücksichtigen (SP-Lage bzw. Stabilitätsmaß) und lernt dabei, daß es NICHT egal ist, ob man ein kleines Leitwerk an einem langen Hebelarm -oder umgekehrt- verwendet. Man kann dann aber auch z.B. fordern, daß für eine bestimmtes Auslegungs-/Gleichgewichts-ca das Leitwerks-ca = 0 wird (symmetrisches Profil), dann ergibt sich für gegebene Flügel- und Leitwerksgeometrie daraus die notwendige Rumpflänge.
Ich hatte dazu mal für den Hausgebrauch ein Programm in Turbo-Pascal (mit einfacher Graphik) geschrieben, leider läuft das auf moderneren PCs nicht mehr. Wer noch einen alten (langsamen) PC und DOS-Modus verfügbar hat, kann es von mir kriegen.
Ein Beispiel davon:


Grüße,
Helmut

[ 20. August 2003, 06:49: Beitrag editiert von: haschenk ]

b) Nullmomente haben mit der Phygoide nichts zu tun, noch nicht mal die sonstigen Momente.

Zum Vergrößern anklicken....

Der praktische Versuch zeigt allerdings deutliche Unterschiede in Amplitude und Periodendauer der Phygoide. Das symmetrische HLW hat dabei eine große Amplitude und Periodendauer, das Clark Y 10% die geringste.

Wenn Vorhersage (theoretisches Modell) und Versuch nicht übereinstimmen, dann stimmt das theoretische Modell nicht! Der in der Realität nicht konstante stationäre Momentenverlauf dcm/dalfa könnte dafür verantwortlich sein, weil die Fluggeschwindigkeit schwankt => Rezahl schwankt => cm schwankt => Einfluss auf Gleichgewicht. Es scheint in jedem Fall leider nicht vernachlässigbar zu sein, denn sonst wäre es bei meinen Versuchen nicht aufgefallen!
Siggi

Nachdem ich länger offline war, noch ein Beitrag zur Verwirrung bzw. Klärung:

Ich fliege vielfach Modelle mit 2,2 m Spannweite, profiliert mit RG15, MH32, SD7037, S-4083, alle mit Aufwölbung am Randbogen, Gewicht ca. 0,8 bis 1,3 kg, ausreichend Profiltiefen (130 bis 140mm am Randbogen), relativ groß dimensionierter HLW-Anteil, V-Leitwerk, symmetrisches Profil ca. 8% dick, ca=0 am HLW bei ca Fläche ca. 0,5 bis 0,55. Die V-Leitwerke sind innen angelenkt, der Schlitz ist oben wegen der Länge der Hebel. Die EWD wird eingestellt durch Unterlegen an der Fläche, diese ist mit 2 Schrauben befestigt. Es ist somit möglich, kleinste EWD-Veränderungen durchzuführen und zu testen.
Nach ausführlichen Testflügen und Einstellungen ergibt sich immer folgendes Bild:
Die Klappen des VLW stehen ca. 1 bis 1,5 mm auf hoch für das optimalste Flugverhalten bzw. optimalste Leistung, der Schwerpunkt ist dabei spitz eingestellt (Auffangbogen sehr flach, bei Sturzflug gar nicht mehr).
Die Genauigkeit der Einstellungen liegen bei ca. +/- 3 g Blei bzw. 0,1 Grad EWD.

Kann mir jemand erklären von Euch Gurus, wieso dies so ist????
Möchte bewußt kein Statement von mir dazu abgeben!

Danke für´s Nachdenken und Schreiben.

Liebe Grüße
Wolfgang

Hallo ihr da alle!

Gibt es gar keine Idee????

DANKE

Wolfgang