schmale Höhenruderklappen an ungepfeilten Nurflügeln

jls

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Curt Weller und das Team Pigisch & Pigisch flogen ungepfeilte Nurflügel mit einem in der Mitte des Tragflügels liegenden 10 % tiefen und über insgesamt 25 % der Spannweite reichenden Höhenruder. Als einzig mir bekannte Angabe zu Wirksamkeit ist in der Veröffentlichung „Faszination Nurflügel“ von H.-J. Unverferth zu lesen, dass sie ausreichend sei. Weitere Berichte sind mir nicht bekannt. Daher möchte ich hier die Fragen stellen, ob zu den Erfahrungen mit dieser Höhenruderauslegung im Vergleich zu Elevons etwas bekannt ist, und ob es eine Windkanalmessung gibt, bei der die Wirkung von ca. 10 % tiefen Endleistenklappen in Bezug auf die Veränderung des Auftriebsbeiwerts und des Profilmoments untersucht wurde.

Schöne Grüsse

JLS
 
Hallo JLS,

ich kenne keine Windkanalmessungen zu Deinem Thema.
Curt rechnet aber seine Profile selber, und ist der Meinung, dass die Gesamtbilanz für den Flügel günstiger ist, als etwas größere Klappen. Es wird weniger Auftrieb verschenkt, wenn man zieht.

Dazu muss aber auch die Flügelgeometrie betrachtet werden: seine Bretter haben eine gerade Nasenleiste, somit sitzen die innen liegenden Höhenruder am längsten Hebelarm zum Schwerpunkt, (innen ist die Flügeltiefe am größten). Die geringe Klappentiefe hilft ebenfalls in diese Richtung wegen dem weit hinten liegenden Drehpunkt. Die außenliegenden Querruder arbeiten ohne Überlagerung der Bewegung des Höhenruders.

Wenn die Querruder weiter vorne liegen (Zuspitzung), kann etwas mehr differenziert werden, ohne dass der Flügel sich aufbäumt. Hilft beim Kurvenflug gegen das Schieben, in der Thermik wird mit hohem ca geflogen, was das negative Wendemoment begünstigt. Aber nicht übertreiben, wegen dem Auftriebsverlust. Das Gegenhalten mit dem HR ist effektiver. Ist das HR geteilt, kann mit nur einer Hälfte (der äußeren) gegengehalten werden, was noch günstiger gegen das negative Wendemoment ist.

Curt fliegt mit einem sehr geringen Stabilitätsmaß. Ohne diese spitze Trimmung würden die kleinen HR-Klappen nicht funktionieren.

Und dennoch meine ich, dass eine etwas größere Tiefe und Länge der Klappen (in Spannweitenrichtung) etwas mehr Sicherheit in Extremsituationen bringt. Ich selber fliege etwa 15% Tiefe, bin aber ein nicht so guter Pilot wie Curt.

Gruß
Klaus.
 

UweH

User
Keine Windkanalversuche, aber Praxistests, schau mal hier:

http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/308377-Ruder-am-Brettnurflügel

Ich habe damals nicht an dieser Stelle weiter berichtet, es gibt aber noch einige Erkenntnisse aus den Versuchen in anderen Nurflügelthreads hier im Forum, vielleicht kann ich bei Interesse noch was dazu schreiben.

Grundsätzlich würde ich nicht mehr unter 15 % Rudertiefe gehen weil die Höhenruderwirkung bei abnehmender Rudertiefe immer weniger linear zum Knüppelausschlag ist.
Ob man kurze Höhenruder am Brett macht sollte man sich genau überlegen, in der Regel haben sie mehr Nachteile als Vorteile.
Das deckt sich in etwa mit den Erfahrungen von Klaus, wobei er mehr auf den Thermikflug optimiert, ich dagegen mehr auf Hangflug und Allround.

Gruß,

Uwe.
 

jls

User
Vielen Dank für eure Beiträge.

Die Annahme, dass mit in Spannweitenrichtung kurzen Höhenruderklappen der Gesamtauftrieb des Tragflügels bei Höhenruderausschlägen weniger verringert wird, wurde auch im Kreise der Versmolder Modellflieger die "Bretter" bauten vertreten (siehe Reinhard Werner, Nurflügel). Nickel / Wohlfahrt kritisierten diese Annahme in ihrem Buch „Schwanzlose Flugzeuge“, ein Ansatz den ich für plausibel halte, weil bei einem Höhenruderausschlag durch den Auftriebseinbruch in der Flügelmitte der Gesamtauftrieb beeinträchtigt wird.
Bei meiner Untergrenze der Schwerpunktrücklage von ungepfeilten Nurflügeln betragen die Höhenruderausschläge ca. + / - 3°. Betrachte ich die Windkanalmessungen von Profilen mit verschiedenen Wölbklappenausschlägen, leite ich daraus bei Höhenruderausschlägen eine Auftriebsbeiwertsverminderung von ca. 0,1 her. Von Dir Uwe wurde hier im Zusammenhang mit deinen Versuchen mit Gurney-Flaps von Untersuchungen der Akaflieg Braunschweig im Zuge der Entwicklung der SB-13 berichtet, bei denen festgestellt wurde, dass durch Veränderungen an der Austrittskante des Flügelprofils eine im Verhältnis stärkere Veränderung des Profilmoments als des Auftriebsbeiwerts verursacht wird. Für mich stellt sich die Frage, ob es mit dem Ruderkonzept von Weller / Pigisch möglich ist die Gesamtauftriebsverminderung des Tragflügels bei Höhenruderausschlägen zu verringern.
Der Unterschied in Bezug auf die Rollwendigkeit von getrennten Quer- und Höhenrudern im Vergleich zu Elevons ist mir bewusst, möchte ihn aber ausklammern, um das Thema des Zusammenhangs zwischen der Höhenruderauslegung und dem Gesamtauftrieb grundlegend zu betrachten.
Die Feststellung, dass mit abnehmender Ruderklappentiefe die Linearität der Wirksamkeit abnimmt ist mir nicht bekannt. Wenn es Erklärungen über die Ursachen gibt, erfahre ich dazu gerne mehr, wie auch zu Deinen Erfahrungen Uwe mit dem Super Strong, sofern sie hier nicht schon veröffentlicht wurden.

Ich bitte um Nachsicht, wenn ich nicht jeden Tag auf eure Beiträge reagieren kann.

Schöne Grüße

JLS
 

reinika

User
Zu dem Thema fällt mir folgendes ein:
Brettnurflügel werden in der Nickachse ja praktisch nur über das cm0 gesteuert. Flächengeometrie mal aussen vor.

In den 80ern gab es mal eine Untersuchung zum Verhältnis Momentenänderung zu ca Änderung, in Abhängigkeit zur Klappentiefe. Dabei kam raus, dass sich das Moment im Verhältnis zu ca bei 25% Klappentiefe am stärksten ändert. Bei 15% und 30% weniger.
Daher müssten an Brettern 25% Klappentiefe optimal sein für die Nicksteuerung. An Leitwerklern eher nicht, weil das Leitwerk höher belastet würde.
An Pfeilnurflügeln könnte man an der Wölbklappe zb. 30% Tiefe nutzen, um wenig Trimmkorrektur zu benötigen. Am Höhenruder dann auch 25%.
An Leitwerlern wären 25% Klappentiefe am Flügel demnach auch nicht optimal in Bezug auf den Momentenhaushalt.

Diese Publikation habe ich leider nicht mehr, ich kann hier nur aus dem Gedächtnis berichten. Um welche Grössenordnungen es da ging weiss ich nicht mehr, aber wir hatten es an unseren Nuris berücksichtigt.

Klappen geringer Tiefe stören die laminare Laufstrecke am Profil weniger, das ist widerstandstechnisch günstig. Dafür liegen sie vermehrt in der hinten aufgedickten Grenzschicht, was speziell bei geringen Re-Zahlen für nichtlineares Verhalten verantwortlich sein dürfte. Noch ausgeprägter wird das, wenn Blasen auf dem Profil auftreten. Dann ist es vergleichbar mit dem Deadband an Höhenleitwerken.

Jm2C
Reini
 
Brettnurflügel werden in der Nickachse ja praktisch nur über das cm0 gesteuert. Flächengeometrie mal aussen vor....

Jm2C
Reini


Hallo in die Runde,

obigen Ansatz hört man immer wieder. Aber die Flächengeometrie muss ins Kalkül mit einbezogen werden.
Warum?
Wegen dem Hebelarm.
Der Flügel dreht sich um die Querachse im Bereich des Schwerpunktes des Fliegers. Nicht um den lokalen Neutralpunkt im Bereich der Klappe.

Ein Gedankenmodell mit drei Auslegungen, wobei die Höhenruderklappen außen liegen. Also Quer- Höhe gemischt. Wir betrachten nur die HR-Funktion:

1. gerades Rechteckbrett
2. rückgepfeilter Pfeil (z.B. 30°)
3. vorgepfeilter Nuri (ebenfalls 30°)

Klappenausschlag nach oben, also Höhenruder:

Wenn nun der rückgepfeilte Nuri (Modell 2.) einen Höhenruderausschlag macht, dann ist das Moment für den Flieger effektiver als beim geraden Brett, wegen dem längeren Hebelarm zum Schwerpunkt (=Drehpunkt).
Ungünstiger ist es für das gerade Brett (Modell 1.).
Wie sieht es beim Modell 3., dem vorgepfeilten Nuri aus? Hoppla, jetzt haben wir eine Tiefenruderwirkung wie bei einer Ente, die Nase des gesamten Fliegers könnte runter gehen. Trotz "Höhenruder"-Ausschlag. Da hilft das aufrichtende Nickoment des Profils nur sehr wenig.

Also bitte die Gesamthebel-Verhältnisse der Flügelgeometrie bewerten.

Gruß

Klaus.
 
Anbei eine kleine Grafik, die den Auftriebszuwachs für verschiedene Klappentiefen bei gleichem Ausschlag zeigt.
Und ja, von 0-10% steigt der Auftrieb in etwa linear an, von 10-20% steigt der Auftriebszuwachs immer noch an, aber flacher und zwischen 20 und 30% passiert dann nicht mehr soooo viel.
ABER die Grafik sagt nichts über den erzeugten Widerstand aus. Ich denke, dass kleinere Klappentiefen als 15% bei unseren Re zahlen kaum Sinn machen. Vor allem, weil bei den meisten (und bei Brett Profilen ziemlich sicher) der Umschlag laminar-turbulent oben schon bei (max!!!!!) 70% der Tiefe stattgefunden hat. Der weiter hinten liegende Klappenspalt unten stört höchstwahrscheinlich nicht viel mehr bei einer 25% tiefen Klappe als an einer 15% tiefen. Unten herrscht typischerweise laminare Strömung bis fast 100% der Tiefe, aber wenn man ein gutes Schariner hat, läuft die Strömung wohl laminar drüber, weil einerseits die Unterseite schon bei kleinen Anstellwinkeln besser beschleunigt ist und die Grenzschicht relativ dick ist da hinten. Ich hätte bei wenig tiefen Klappen eher Angst, dass sich die Strömung nach dem Knick gar nicht mehr anlegt und dann hat man echt viel Widerstand. Wenn mann dann noch spannweitenmässig das Höhenruder relativ klein macht, muss man es mehr ausschlagen (cm-Änderung - wie Reini schreibt), was die obige Situation für kleine Momentenhöhenruder kaum verbessert. Das Ganze kann ev. funktionieren bei sehr sehr kleinen Stabilitäsmassen (= kleinerer Ausschlag nötig) und relativ dünnen Profilen. Aber eigentlich sehe ich keinen trifftigen Grund das zu machen, weil ein tieferes sicherlich genau so gut funktioniert, strömungsmässig mehr auf der sicheren Seite liegt. Ob man mit dem kleineren Höhenruder ein wenig mehr Ca max schinden kann......eventuell. Aber viel denke ich da ist nicht drin. Klappe.PNG
 

reinika

User
Hi Peter

Du müsstest dich evtl noch an die angesprochenen Diagramme erinnern, wir hatten sie glaubs von Michael W.

@ Klaus. Natürlich kommen die Hebelverhältnisse aufgrund der Geometrie dazu. Deswegen hab ich die doch der Einfachheit halber ausdrücklich ausgeklammert....... "Flächengeometrie mal aussen vor" :rolleyes:
Ich wollte nur auf einen isolierten Zusammenhang hinweisen.
 
O.K., einverstanden, Reinika.

Weil aber viele andere Leser hier reingucken, wollte ich dies noch erwähnen. Hintergrund: viele vernachlässigen diese Basics und legen falsch aus. Da kann die Aussage "Flächengeometrie mal außen vor" auf die falsche Fährte führen.

Sorry, wenn es etwas offtoppic war, aber es hilft allen.

Gruß
Klaus.
 

Ted

User
Ich hatte auch mal ein Brett mit sehr reduziertrer zentraler HR-KLappe (10% Tiefe und etwa 20% in Spannweitenrichtung): Ich erinnere mich da in erster Linie daran, daß es eine sehr starke Geschwindigkeitsabhängigkeit der HR-Wirkung gab. Hatte man die Ausschläge für gemütliches Fliegen passend eingestellt, gab es sehr giftige Reaktionen bei höheren Geschwindigkeiten.
Bei allen folgenden Brettern habe ich daher wieder herkömmliche Klappengrößen gewählt.

Gruß.

Ted
 
In den 80ern gab es mal eine Untersuchung zum Verhältnis Momentenänderung zu ca Änderung, in Abhängigkeit zur Klappentiefe. Dabei kam raus, dass sich das Moment im Verhältnis zu ca bei 25% Klappentiefe am stärksten ändert. Bei 15% und 30% weniger.
Das geht wohl auf das Buch Aerodynamik des Flugzeuges; Schlichting/Truckenbrodt (1960) zurück.
Findet sich z. B. auch hier im Diagramm auf Seite 20 (mit Theorie und Messdaten des Gö 409 auf den Seiten in der unmittelbaren Umgebung).

Wenn man xfoil und dessen Profilmoment-Vorhersage glauben will, lassen sich dort auch unterschiedliche Klappentiefen und Ausschläge simulieren.

Gruss
Tobias
 

UweH

User
Wenn mann dann noch spannweitenmässig das Höhenruder relativ klein macht, muss man es mehr ausschlagen (cm-Änderung - wie Reini schreibt), was die obige Situation für kleine Momentenhöhenruder kaum verbessert. Das Ganze kann ev. funktionieren bei sehr sehr kleinen Stabilitäsmassen (= kleinerer Ausschlag nötig) und relativ dünnen Profilen. Aber eigentlich sehe ich keinen trifftigen Grund das zu machen, weil ein tieferes sicherlich genau so gut funktioniert, strömungsmässig mehr auf der sicheren Seite liegt

Hallo Leute,

ergänzend zu Peter möchte auch ich die Flächengeometrie noch mal ins Spiel bringen, denn mit der Vorgabe kurze Höhenruder zu verwenden muss man die Geometrie zwingend mit betrachten um einen eventuellen Vorteil beurteilen zu können.
Wenn man mit dem kurzen Höhenruder zieht, dann verbeult man damit die Zirkulationsverteilung des Flügels ausgerechnet dann, wenn man die für den hohen Flugzeug-CA braucht. Das gilt umso mehr, je größer der Ausschlag des Höhenruders sein muss um den gewünschten Auftriebsbeiwert zu erzeugen. Man kann die Geometrie eines Flügel darauf abstimmen dass sich die günstigste Zirkulationsverteilung bei gezogenem Höhenruder einstellt, aber wegen der Ungenauigkeit der Vorhersage der Profilmomente geht das bei Brettern oft schief, der Auslegungspunkt ist in der Simulation nicht genau genug vorherzusagen. Besser ist es lange Höhenruder zu verwenden, dann ändert sich die Zirkulationsverteilung beim ziehen nur sehr wenig und man hat in allen Flugzuständen einen minimalen induzierten Widerstand.




Ob man mit dem kleineren Höhenruder ein wenig mehr Ca max schinden kann......eventuell. Aber viel denke ich da ist nicht drin

Ich denke auch nicht dass hier viel zu holen ist und ich habe da einiges probiert, im Flug war kein Vorteil des Schmalruder-Strong gegenüber dem normalen Strong mit gleicher Profilierung auszumachen. Im Gegenteil, wie in meinem Link oben zu lesen ist hat die Rollwendigkeit mit den schmalen Rudern deutlich abgenommen, die Verschlechterung des Handlings war gegenüber einem nicht bemerkbaren Leistungszuwachs eindeutig dominant, damit Verschlechterung des Gesamtpakets.
Selbst wenn man bei schmalen Klappen tatsächlich Maximalauftrieb des Profils gewinnt macht man das bei kurzem Höhenruder wieder kaputt weil man beim ziehen nicht nur die Zirkulationsverteilung verbeult, sondern auch die Auftriebsbeiwertsverteilung. Wenn man die ca-Verteilung beim ziehen verschlechtert kostet das mehr Flügel-Auftrieb als man Profil-Auftrieb gewinnt.

Gruß,

Uwe.
 

reinika

User
Das geht wohl auf das Buch Aerodynamik des Flugzeuges; Schlichting/Truckenbrodt (1960) zurück.
Findet sich z. B. auch hier im Diagramm auf Seite 20 (mit Theorie und Messdaten des Gö 409 auf den Seiten in der unmittelbaren Umgebung).

Wenn man xfoil und dessen Profilmoment-Vorhersage glauben will, lassen sich dort auch unterschiedliche Klappentiefen und Ausschläge simulieren.

Gruss
Tobias

Bingo! Das wars :cool:

Merci für den Link! Mehr wollte ich nicht mitteilen.



@Klaus. Jo stimmt, analytische Betrachtungen sind nicht allen gegeben. Passt scho. ;)

Habts gut
Reini
 
Der Vollständigkeit halber hier die meiner Anischt nach wichtigere Grafik, nämlich wie cm von der Klappentiefe abhängt (Schlichtig / Truckenbrodt).
Wie man sieht ein ähnliches Bild wie bei der ca Zunahme. Viel cm Änderung von 0 bis 10%, dann etwas flacher zwischen 10 und 20% und dann passiert nicht mehr viel zwischen 20 und 30%
Das bedeutet aber auch, dass man bei einem Brett um den gleichen Flugzustand einzustellen MEHR Ausschlag bei einer 10% tiefen Klappe als bei einer 20% tiefen braucht. Nicht dobbelt so viel, aber so ca. 20% mehr. Wenn man dann noch eine kleine Länge der Klappe hat, muss man die noch mehr ausschlagen (alles bei gleicher Geometrie und Stabilitätsmass) - dann stelle ich mehr halt ein Profil vor, dass nicht -2 Grad ausgeschlagen ist sondern so ca. -6 Grad. da kann ich mir dann nicht mehr vorstellen, dass das widerstandsgünstig sein soll.
Das normale Klappen an Brettern gut funktionieren, kann man sehen am z.B. Gizmo, der gerade bei 90cm Spannweite im DS 490km/h erreicht hat und offenbar kaum Trimmänderungen zwischen Frontside und DS mit über 400km/h braucht. Oder hier: https://vimeo.com/229964212cm Klappentiefe.PNG
 
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