Dieser Teil der VJX.glide-Beschreibung wird nun das Eldorado der Profil-Aerodynamiker. Da doch einige Aspekte betrachtet werden, ist die Beschreibung von Grundlagen nicht ganz so ausführlich. Ich hoffe aber trotzdem, dass auch "interessierte Aerodynamik-Einsteiger" noch gut folgen können...
Projekt VJX.glide – Teil 2: Profilentwurf
Bestimmung des Auslegungs–Ca
Neben der angesetzten Re-Zahl in den Auslegungspunkten ist der dazugehörige, „prognostizierte“ Auftriebsbeiwert der Tragfläche die weitere zentrale Vorgabe für das weitere Design.
Im ersten Schritt wird die stark vereinfachende (Rand)Bedingung eines stationären Gleitflugs angenommen, was dem Entlangfliegen an der Kante bei der „Türklapp-Technik“ entspricht.
Bei vorgegebener Geschwindigkeit ist der Auftriebsbeiwert nur von der Flächenbelastung abhängig. Für die Ermittlung der Flächenbelastung wurden typische Werte für die Ballastierung (Tofo) bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu Grund gelegt.
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Angenommener Flächeninhalt ca. 55dm² (VJX)
Der CA-Wert ergibt sich dann aus der Gleichgewichtsbedingung Auftrieb = Gewicht zu
Ca = FB * g * 2 / (v² * rho):
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Anmerkung: Der geflogene Ca-Wert steigt zwar proportional zur Flächenbelastung, sinkt aber umgekehrt proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit. Dadurch fliegen wir …
- bei niedrigen Zeiten trotz hoher Ballastierung mit niedrigem Ca
- bei höheren Zeiten trotz des niedrigen Gewichts mit hohem Ca. Allerdings wächst der Ca-Wert eher langsam an Richtung hohe Zeiten. Aber er wächst …
Auslegungs Ca-Bereich
Insbesondere auch die F3F-Flugvermessungen haben gezeigt, dass der tatsächlich geflogene Ca-Wert alles andere als konstant ist, sondern sich auch bei weitgehend konstanter Geschwindigkeit zwischen den Wenden in einem recht großen Bereich hin und her bewegt – u.a. durch …
- eine Beschleunigung aus der Überhöhung in einer Wende zurück senkt den Ca-Wert
- jede Krümmung der Flugbahn erhöht den Ca-Wert („Kurvenbeschleunigung“)
- Turbulenzen und Böen verändern den Anstellwinkel und damit den Ca-Wert
Die Auslegung darf daher nicht für einen „Betriebspunkt“, sondern muss für einen Bereich um den Auslegungspunkt erfolgen:
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Anmerkung: An dieser Stelle wurde aus praktischen Gründen der Auftriebsbeiwert des Profils ca dem Auftriebsbeiwert der Tragfläche Ca gleichgesetzt. Dies ist nur begrenzt zulässig… (ein eigenes Thema)
Die Häufigkeits- oder „Wichtigkeitsverteilung“ innerhalb des Betriebsbereichs wurde auf Basis der Flugvermessungen über eine Funktion beschrieben. Mit deren Hilfe wurden die Ergebnisse der Profiloptimierung bewertet und auch mit anderen F3F-Profilentwürfen verglichen.
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Das Vorgehen für die Bewertung der Profilentwürfe soll an dieser Stelle nur angerissen sein.
Eine tiefere Beschreibung würde den Rahmen dieses Beitrags leider „sprengen“.
Anforderungen an das Profil
Aus den bereits beschriebenen Gesamtanforderungen an VJX.glide und den festgelegten Auslegungsbereichen lassen sich nun die Anforderungen an den neuen Profilentwurf formulieren:
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Nachdem die Anforderungen nun hinreichend formuliert sind, kann nun (endlich) mit der eigentlichen Profilentwicklung begonnen werden. Das Vorgehen dabei war:
- Alle Profilentwürfe wurden wieder mit Xoptfoil-JX durchgeführt. Es erwies sich diesmal als recht zeitaufwändig, da „Mensch und Maschine“ erst einmal heimisch in diesen neuen Auslegungsbereich mit seinen aerodynamischen Eigenheiten werden mussten
- Zunächst erfolgte die Entwicklung des Grundprofils, das nahe der Tragflächenwurzel eingesetzt werden soll und für das die bisher beschriebenen Auslegungs-Re-Zahlen gelten.
- Nachdem das Grundprofil die gewünschten Leistungen zeigte, ging es an die Entwicklung der weiteren Strak-Profile für die Tragfläche mit angepassten Re-Zahl-Bereichen
Erkenntnisse bei der Profilentwicklung für VJX.glide
Um den anschließend beschriebenen Designansatz besser einordnen zu können, sollen zunächst die „Learnings“ während der Profilentwicklung für VJX.glide kurz beschrieben werden:
- Wichtige, frühe Erkenntnis: Die Fokussierung auf einen schmaleren, niedrigeren Re-Zahl-Bereich erlaubt eine schöne Leistungssteigerung gegenüber Allround-Profilen, die einen deutlich breiteren Re-Zahl-Bereich abdecken und dadurch mehr Kompromisse eingehen müssen.
- Zunächst wurde der Ansatz verfolgt, mit relativ dünnen Profilen und größerer Wölbung (ca. 1.9%) – also ähnlich F3J-Profilen – die gewünschten Charakteristiken zu erreichen. Zwar sind diese Profile im oberen ca-Bereich sehr leistungsfähig, aber es fehlt ihnen die Breitbandigkeit im unteren ca-Bereich.
- Es stellte sich heraus, dass es besser ist, ein weniger gewölbte Profil mit Klappeneinsatz zu mehr Auftrieb zu verhelfen, als zu versuchen ein höher verwölbtes Profil mit negativen Klappen schnell zu machen (Problem: laminare Laufstrecke auf der Unterseite)
- Die Forderung nach einem hohen alpha-max / ca-max kostet ein wenig Leistung im sehr niedrigen ca-Bereich um ca=0 (insbesondere auf Grund der Ausprägung des Nasenbereichs auf der Profil-Unterseite). Dies ist akzeptabel, da „Sturzflug“ bzw. Beschleunigung bei diesem Entwurf nicht die höchste Priorität hat. Beim Profil JX-GS des VJX ist es gerade umgekehrt.
- Bei kleiner werdenden Re-Zahlen und tendenziell höheren ca-Werten kommt man um Rear-Loading nicht herum, um gute Leistung in mittleren ca-Bereich zu erhalten (Rear-Loading: konkave Wölbung der hinteren Profilunterseite)
- Und schließlich ist man immer mit Abwägung der gegensätzlichen Anforderungen beschäftigt: Hohe Gleitleistung bei höheren Re-Zahlen vs. Leistung bei niedrigeren Re-Zahlen
Am Rande … Durch die Zusammenarbeit mit Andreas Kirch (competition-tools) im Rahmen des neuen MAMBA-GT bekam ich die freundliche Möglichkeit, auf die MAMBA-Profile von Max Steidle zuzugreifen. Whow! Da hatte Max einen wirklich exzellenten Entwurf für den praktisch gleichen Auslegungsbereich wie VJX.glide hingelegt. Einen Profilentwurf, der sich zudem bereits in der Praxis als sehr leistungsfähig erwiesen hat. Kurz war ich geneigt, einfach Max‘ Profile für den VJX.glide einzusetzen … nachdem ich ihm mit großen Respekt noch einmal zugewunken habe, entschied ich mich aber, seine Profile als wichtigste Referenz zu nehmen und zu schauen, wie weit ich komme …
Neu: JX-GP
Ein schnelles Hangflugprofil für leichte bis mittlere Bedingungen
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- JX-GP-100 ist das Grundprofil des neuen Profil-Straks. Es kommt nahe der Flächenwurzel zum Einsatz
- mit 7,5% ist es ein relativ dünnes Profil.
- eine für diesen Auslegungsbereich erstaunlich geringe Wölbung. Der Einsatz von Klappen ist allerdings notwendig, um das Leistungspotenzial voll zu nutzen.
- die kleinere Dicken- und Wölbunsrücklage deuten auf den niedrigeren Re-Zahl-Bereich hin
- leichtes Rear-Loading (konkave Wölbung auf der Profil-Unterseite)
In der cd(cl) – Polare erkennt man schön, wie die Bereiche geringen Profil-Widerstands mit den Auslegungsbereichen „zusammenpassen“. Bemerkenswert für ein Profil dieses Typus ist der maximale Anstellwinkel bzw. der maximale Auftriebsbeiwert.
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JX-GP im Vergleich zu JX-GS
Wie stellt sich das neu Profil JX-GP im Vergleich zu dem Profil JX-GS des VJX dar?
Zunächst überraschend: Mit 1 Grad Klappen kann das JX-GS fast gleichziehen mit dem neuen JX-GP – das sich aber dann seinerseits mit leichten Klappenausschlag von 0,5 Grad wieder absetzen kann. Die „Schwäche“ von JX-GS bei alpha-, ca-max bleibt allerdings trotz Klappen erhalten.
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Die noch starke Leistung von JX-GS mit Klappen im betrachteten Re-Zahl-Bereich passt sehr gut zum angestrebten Überlapp von VJX und VJX.glide. Zur Erinnerung die Verteilung der F3F-Zeit aus dem 1. Teil …
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Selbst ich komme manchmal mit den 3 Profil-Straks JX-GS, JX-GT und JX-GP durcheinander: „Welcher war nochmal für was?“. Da hilft eine kleine Namens-Eselsbrücke mit Auto-Kürzeln: „GS“ für kompromisslosen Sport, „GP“ – Grand Prix für die längere Strecke und schließlich „GT“ – Grand Turismo als Allzweckrennerle.
Der JX-GP-Strak
Der JX-GP-Strak deckt die optimierte Profilierung der kompletten VJX.glide-Tragfläche ab. Zunächst bestand der Strak aus 4 getrennt optimierten Profilen. Es zeigte sich aber, dass das 2. Profil von der Wurzel herkommend, praktisch identisch einem geometrisch gemischten Profil aus dem 1. und 3. Profil gewesen wäre und damit überflüssig.
(nach meiner bisherigen Erfahrung sind 3 optimierte Profile in den allermeisten Fällen absolut ausreichend, um aerodynamisch hochwertige Tragflächen in unserem Modellbauumfeld zu bekommen. Es lohnt sich eher, mehr Aufwand in diese 3 Profile zu investieren als durch eine vermeintlich höhere Profilzahl eine Tragfläche zu optimieren)
Das 1. und 2. Profil markieren den „Leistungsbereich“ der Tragfläche, in dem vor allem auch über die Profileigenschaften die gewünschten Eigenschaften der Tragflächen zu erreichen. Zur Flächenspitze hin, geht es nur noch ums „Überleben“ in den kleiner werdenden Re-Zahlen ohne den Leistungsbereich zu sehr zu beeinflussen.
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Die Eigenschaften der 3 Profile:
JX-GP-100: Das Hauptprofil des Straks. Es gibt die grundlegenden Eigenschaften des Straks vor. Die weiteren Profile versuchen diese Eigenschaften hin zu kleineren Re-Zahlen abzubilden.
(An der Wurzel wird noch eine aufgedickte Kunst-Version eingesetzt werden, da die Dicke von 7,5% für Verbinder und Ballastkammern zu gering wird und der Flächenanschluss kompatibel zu VJX sein soll.)
JX-GP-055: Das Profil beendet den „Leistungsbereich“ der Tragfläche. Das Profil kann noch gut die Grundeigenschaften des Hauptprofils bei niedrigen Re-Zahlen abbilden.
JX-GP-033: Das Tip-Profil hat noch 2 Aufgaben: Bei den kleinen Re-Zahlen an der Flächenspitze zu „überleben“ und dabei möglichste hohe Anstellwinkel klaglos mitzumachen. „Glücklicherweise“ ist an der Flächenspitze der effektive Anstellwinkel durch den induzierten Anstellwinkel bei höheren alpha ein gutes Stück reduziert…
Die 3 Profile einmal normiert …
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und einmal maßstäblich in ihren Flächenabschnitten:
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JX-GP Strak bei 48s
Polare des Straks bei einer 48er-Zeit, Geschwindigkeit 25m/s, RE-Zahl von 400.000 an der Wurzel bis 130.000 an der Flächenspitze (55mm vor Ende)
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- Die beiden Strak-Haupt-Profile haben trotz der unterschiedlichen Re-Zahlen ihren kleinsten Widerstand bei gleichen Auftriebswerten. (Das Profil an der Flächenspitze muss RE-Zahl bedingt aus dem Rahmen fallen)
- Alpha- bzw. ca-max bewegt sich durchgängig auf hohem Niveau. Das Außenprofil darf ein wenig abfallen, da der induzierte Anstellwinkel den effektiven Winkel verringert
- Gleichmäßiger Verlauf der Gleitpolare auf gutem Niveau, das durch Klappeneinsatz weiter gesteigert wird. Die maximale Gleitzahl bei den 3 Profilen ungefähr bei gleichem ca-Wert.
JX-GP Strak bei 63s
Verlauf der Polare des Straks bei einer 63er-Zeit, Geschwindigkeit 18m/s, RE-Zahl von 300.000 an der Wurzel bis 100.000 an der Flächenspitze (55mm vor Ende)
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- Die 3 Strak-Profile halten sich bei den kleineren Re-Zahlen noch wacker. Das Widerstandminimum ist angepasst an den höher liegenden Auslegungsbereich und über die Profile weiterhin konstant. Bei JX-GP-055 stellen sich die ersten Blasen ein…
- Alpha- bzw. ca-max bleibt auch bei den niedrigeren Re-Zahlen recht stabil entlang des Straks
- Weiterhin gleichmäßiger Verlauf der Gleitpolare auf gutem Niveau. Die maximale Gleitzahl bei den 3 Profilen ungefähr bei gleichem ca-Wert
Fazit Profildesign
Mit dem JX-GP-Strak wurde eine Profilfamilie entwickelt, die speziell auf den angestrebten Einsatzzweck „F3F bei mittleren bis leichten Bedingungen“ ausgelegt und optimiert wurde.
Auch wenn die Leistungsdaten erfreulich sind, darf man sich keine „Wunder“ verhoffen. Das Niveau der aktuell eingesetzten Profile ist bereits sehr hoch. Der Hauptvorteil dieser Profilentwicklung lag in dem „Privileg“ der Spezialisierung auf eher niedere Re-Zahlen, wodurch noch ein wenig herausgekitzelt werden konnte.
Die Stärke des JX-GP-Straks liegt sicherlich auch in den hohen alpha-, ca-max-Werten, die in Verbindung mit einem entsprechenden Tragflächendesign gewagte Wendemanöver erlauben und so dem Piloten mehr Freiheitsgrade gibt, sich an die spezifischen Hangbedingungen optimal anzupassen.
Der neue JX-GP-Strak ist
hier auf Github zu finden und kann von dort heruntergeladen werden.
Eine kurze Anleitung zum Herunterladen von Github:
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Mit dem neuen Profil-Strak hoffentlich gut gerüstet, kann es nun im nächsten Teil an das Tragflächendesign gehen…
Herzliche Grüße
Jochen
leider nicht geeignet. 
