Burt Rutan "Boomerang" (M1:3,5): Baubericht

Moin zusammen,

der Boomerang ist nur scheinbar asymmetrisch. Wenn wir mal die richtige Brille aufsetzen und damit meine ich nicht die optische sondern die aerodynamische Brille sieht die Welt ganz anders aus.

Aus der Gewohnheit heraus müssen der Schwerpunkt und dann zwangsläufig auch der Auftriebsschwerpunkt immer auf der Rumpfmittellinie oder bei einem Doppelrumpf zumindest genau in der Mitte zwischen den beiden Rümpfen liegen.

Brillenwechsel: Der Auftriebsschwerpunkt liegt dort, wo die Summe aller Auftriebsmoment Null ist. D.h. rechts und links vom Auftriebsschwerpunkt müssen sich die Auftriebsmomenten (Auftriebswerte einzelner Flügelelement multipliziert mit den jeweiligen Abständen von der Schwerpunktachse) aufheben. Keiner würde der Behauptung widersprechen, dass ein exzentrisch gelagerter Balken durch eine entsprechende Verteilung von Gewichten in die Balance gebracht werden kann. Was für gravimetrische Kräften gilt, gilt auch für Auftriebskräfte.

Diese Balance muss natürlich in den normal auftretenden Flugzuständen eingehalten werden. Das ist beim Boomerang gesichert, denn bei genauerem Hinsehen sind die Flügel rechts und links gar nicht so unterschiedlich. Die Aufgabe sicherzustellen, dass die linke Seite vom Auftriebsschwerpunkt genauso schwer ist wie die rechte Seite ist ja auch noch lösbar (siehe Balken).

Da Flugzeuge nun mal mehr von der Aerodynamik als von der Optik leben halten wir uns einfach an die aerodynamische Mittellinie und schon ist unsere geliebte Symmetrie wieder hergestellt.

Wie heißt es doch so schön beim Technische Zeichnen: Am Anfang war die Mittellinie (es muss nur die richtige sein).

Das ist doch eine klare Richtschnur! (hoffentlich bekommen wir es umgesetzt!?)

Gruß Erwin
 
Aerodynamische Symmetrie

Ein kleiner Nachtrag zur Symmetrie.

Hier zwei Ergebnisse der Auftriebsberechnung mit dem Programm Vortex von Frank Ranis.

Zunächst einmal das Simulationsmodell des Flügels in der Draufsicht.

Vortex_Draufsicht Flügel.JPG


Die beiden Rümpfe wurden als ein Teil des Flügels betrachtet. Sie machen dann ca. 25% des Auftriebes aus. Laut Umfrageergebnis ist das realistisch 😆. Die äußeren Kombiklappen (Querruder und Wölbungsklappe) haben einen Anteil von 22% der Profiltiefe. Die Klappe am Mittelflügel mit 25% Tiefe dient als Wölbungsklappe und in voll ausgefahrenem Zustand als Bremsklappe. Im ersten Simulationsergebnis waren die Klappenausschläge Null.

VortexSim_Saito57_1.JPG


Die errechnete Fluggeschwindigkeit liegt bei 27,9 m/s (100 km/h). Die Y-Position des Auftriebsschwerpunktes liegt bei 1,564 m gemessen vom linken Flügelrandbogen. Die Summe der für die einzelnen Flügelsegmente berechneten Auftriebskräfte entspricht ziemlich genau der Gewichtskraft. Die Auftriebsanteile sind in der nächsten Spalte aufgelistet. Dann folgt die Spalte mit den aus den Auftriebskräften resultierenden Momenten. Der Hebelarm ist jeweils der Abstand der Auftriebsmittelpunkte der Einzelsegmente vom Auftriebsschwerpunkt. Wie gesagt, am Auftriebsschwerpunkt ist die Summe aller Moment Null. Es herrscht somit Auftriebssymmetrie. Es ist erfreulich, dass die Position des Auftriebsmittelpunktes in Querrichtung bis auf 4 mm den Angaben in Burt Rutans Zeichnung entspricht, obwohl wir an der Flügeltiefe einige Anpassungen vorgenommen haben.

Die Frage die mich ganz besonders interessiert ist: Wie stabil ist die Y-Position wenn z.B. Klappen gesetzt werden und können wir durch unterschiedliche Querruderausschläge Positionsverschiebungen auszugleichen?

Das Simulationsergebnis sagt, macht euch keine Sorgen der Flieger ist aerodynamisch symmetrisch. Hier der Beweis:

VortexSim_Saito57_2.JPG


Fazit: Baut den Flieger ohne verzogene Flächen und er fliegt gerade aus.

P.S.: Die anderen Achsen habe ich mir natürlich auch angeschaut. Bei dem Höhenleitwerk und den zwei Seitenleitwerken sollte es keine Probleme geben.

Habe jahrelange Erfahrungen mit Simulationen und so gute Ergebnisse machen mich daher immer nervös 🧐.

Gruß Erwin
 
Wenn ein Rumpf keinen Einbruch in der Zirkulationsverteilung verursacht, dann haben Generationen von Aerodynamikern falsch gerechnet und falsch gemessen! Schau doch mal in die NACA Reports, da gibt es massig Infos dazu.
 

Dix

User
Er hat es doch mit einem "Umfrageergebnis" validiert... ;) Das wird dann schon passen. :D

Ich hab großen Respekt, dass die Jungs das Ding mit diesem Gurkenflügel hier so genial wuppen! Und wir das quasi live verfolgen dürfen. Inklusive der Gedanken und Ideen.

Jungs, ein dickes DANKE DAFÜR! Weiter so! 👍
Wenn der Hobel nur halb so gut fliegt, wie er jetzt schon aussieht, dann hat sich die Mühe doch glatt gelohnt.
 

ggrambow

User
Wenn ein Rumpf keinen Einbruch in der Zirkulationsverteilung verursacht, dann haben Generationen von Aerodynamikern falsch gerechnet und falsch gemessen! Schau doch mal in die NACA Reports, da gibt es massig Infos dazu.
Erwin war fast so weit, dass er aufhört zu rechnen, mach ihn nicht wieder nervös 😀. Ich halte es mit der Hummel. Aerodynamisch berechnet kann sie nicht fliegen, zum Glück weis sie das nicht.

Gruß Gerhard
 

ggrambow

User
Er hat es doch mit einem "Umfrageergebnis" validiert... ;) Das wird dann schon passen. :D

Ich hab großen Respekt, dass die Jungs das Ding mit diesem Gurkenflügel hier so genial wuppen! Und wir das quasi live verfolgen dürfen. Inklusive der Gedanken und Ideen.

Jungs, ein dickes DANKE DAFÜR! Weiter so! 👍
Wenn der Hobel nur halb so gut fliegt, wie er jetzt schon aussieht, dann hat sich die Mühe doch glatt gelohnt.

Danke 😁 Der Hobel wird fliegen, da bin ich sicher. Ich freue mich tierisch auf den Erstflug, dauert halt noch etwas. Dieses Jahr müssen die beiden aber in die Luft.
Gruß Gerhard
 
Einfluss Rumpf auf Auftriebsverteilung,

Moin Rainer,

ich unterschreibe deine Aussage obwohl sie uns nicht richtig weiterbringt.

so besser?

Vortex_Draufsicht Flügel_FRUE50.JPG

Klappen Null

Vortex_Draufsicht Flügel_FRUE50_KL 15-30-15.JPG

Klappen 15°, 30°, 15°

Ist aber auch nur eine Schätzung. Ich kenne keinen NACA-Report, der eine solche Rumpfanordnung auch nur annähernd diskutiert geschweige denn Lösungsansätze für die Auslegung aufzeigt. Hier Berechnungen für einen „Flügel-Rumpf-Einflussfaktor“ oder Ähnliches zu bemühen erschein mir auch nicht vernünftig, weil solche Faktoren unter anderen Randbedingungen hergeleitet wurden. Wenn du eine Lösung hast immer her damit auch wenn es nur Lösungsideen sind.

In der obigen Darstellung wurden die Rumpfüberlappungsbereiche in ihrem Auftriebsbeitrag reduziert. Der Auftriebsschwerpunkt wandert um ein paar Millimeter Richtung Hauptrumpf. Also für die Beantwortung der Frage ob eine stabile Fluglage in Hinblick auf das Rollverhalten vorliegt nicht so entscheidend. Habe solche Berechnungen zu Dutzenden gemacht. Richtig stabil sind sie allerdings nicht.

Bezüglich Fluggeschwindigkeiten gibt es natürlich deutliche Unterschiede. Der Reibungswiderstand wäre natürlich auch eine endlose Diskussionsrunde.

Mein Ziel ist es nur abzuschätzen ob es klappen könnte oder ob wir irgendwo ein „No Go“ haben.

@ Dirk: Danke für deine Anerkennung. Validierung über Umfrageergebnisse ist klasse ausgedrückt, aber eine belastbare Validierung wird wohl der Erstflug sein.

Gruß Erwin
 
So hätte ich das auch gemacht, bzw. so habe ich das immer gemacht...

Der Auftriebseinbruch ist doch immer da, ob ein Rumpf, mehrere Rümpfe, Gondeln, Verdrängungskörper, symmetrisch, asymmetrisch. Klar, exakt diese Geometrie findest du nicht in der Literatur, aber die Effekte sind zigmal gemessen und lassen sich überlagern.

Und wie viel "Lift Carry Over" da jeweils wirklich drüber geht, das ist "Erfahrung". Ich habe 0.5 bis 0.8 genommen, je nach dem wie voluminös der Rumpf war und abhängig von Flügelfläche und Streckung.

Was bei der Rutan Konfiguration schon aus der Geometrie zu sehen ist, ist, dass sich der Auftriebsmittelpunkt kaum verschiebt, die Momente resultierend aus dem Auftriebsverlust durch die Rümpfe sind annähernd gleich, kleiner Rumpf (Fläche) mit großem Abstand, bzw. umgekehrt. Mich verblüfft das Ergebnis nicht ...

Rainer
 
Moin,

habe mir mein Geschreibsel von gestern noch einmal durchgelesen und möchte einem Missverständnis vorbeugen.

Mit „Richtig stabil sind sie allerdings auch nicht“ ist nicht der Flieger sondern die Berechnungen gemeint. Vortex kommt auch nach 60 Iterationsschritten manchmal nicht zu einem stabilen Rechenergebnis, was für Simulationsprogramme nicht ganz ungewöhnlich ist. Nimmt man die Auftriebsreduzierung raus ist Rechnung stabil und man bekommt ein Ergebnis, welches dann aber richtig interpretiert werden muss.

Wie Rainer schon richtig sagt, kann man bei genauerem Betrachten der Geometrien schon einige Effekte vermuten, so auch der Effekt dass sich der Auftriebsmittelpunkt kaum verschiebt.

Burt Rutan hat in seiner Konfiguration keine Klappe am Mittelflügel. Wir wollen aber zur Reduzierung der Start- und Landegeschwindigkeit die Möglichkeit hier zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen nutzen. Nur machen wir dadurch unsere aerodynamische Symmetrie kaputt. Bezüglich des Auftriebs ist das durch eine leichte seitliche Verschiebung des Schwerpunktes schnell ausgeglichen. Man kann sich aber ohne viel zu rechnen leicht vorstellen, dass der Flieger aufgrund des erhöhten Widerstandes an der Mittelflügelklappe nun nach links zieht (giert). Die Rechnung zeigt das auch durch ein entsprechendes Giermoment an. 1,5° Seitenruder nach rechts und das Giermoment ist wieder Null. Wo kein Moment ist dreht sich auch nichts und der Flieger fliegt wieder geradeaus.

Daher den Klappenausschlägen am Mittelflügel das Seitenruder beimischen und die Theorie in Flugversuchen bestätigen, oder schnell eine neue Theorie aufstellen!

Gruß Erwin
 
Hallo Erwiin,

mach doch mal das Clustering an den Unstetigkeitsstellen etwas grober, die Sigularitäten sind doch schon am explodieren! Dann konvergiert das sicherlich besser...

Rainer
 
Hallo Rainer,
das Clustering habe ich extra eng gewählt damit wir die Hürden der Unstetigkeiten nehmen können (so meine Theorie). Hier das Ergebnis mit groberem Cluster. Es hat mich schon im ersten Iterationsschritt erwischt.
Für den Rumpfüberdeckungsbereich hat Frank Ranis mir empfohlen möglichst fein aufzulösen.

Cluster Unstetigkeitsstelle grob.JPG


Ja ja der Neutralpunkt!!! Du wirst ihn auf einem der oberen Bilder ganz vermissen. Da lag 1m weiter hinten. Ich habe den Verdacht, dass Vortex mit der Vorpfeilung etwas Probleme hat. Will aber Frank nicht ansprechen, da er z.Zt. aufgrund des coronabedingten Baubooms mit Anfragen überhäuft wird.
Ich bin eigentlich z.Zt. ganz zufrieden mit den Ergebnissen und versuche mich etwas auf den Bau der Rümpfe zu konzentrieren damit Gerhard nicht anfängt ermahnend den Finger zu heben. Wir wollen in diesem Jahr noch mit dem Flieger in die Luft gehen.

Die Ströle wird dabei auf niedrigem Niveau bleiben müssen auch wenn es noch so reizt. Trotzdem danke für deine Tipps. Die sind jederzeit willkommen. Hier bist du Fachmann

Gruß Erwin
 
Hallo Erwin,

mir scheint, dass das Clustering in Tiefenrichtung von Segment zu Segment unterschiedlich ist (vor den Klappen). Das kann eine Fehlerquelle sein, das habe ich immer genau gleich gemacht.

Gleiches Problem am Leitwerk im Kreuzungspunkt HLW - SLW.

Liegt das Leitwerk so, dass der Nachlauf des Flügels das Leitwerk schneidet? Wenn ja, dann kommt da beliebige Sch..... raus!

Nur so zur Anregung ...

Rainer

PS grüß Frank von mir, wir hatten viel Kontakt, als ich noch gearbeitet habe, speziell wegen Rümpfen und Widerstand.
 
Moin Rainer,

die Panelbreiten sind in Tiefenrichtung konstant. Ich habe in 10 Panels aufgelöst. Vortex ändert die auch nicht im Fall eines Segments mit Klappen. Bei der Definition der Klappentiefe wird der Klappenausschlag nur aufgeteilt. Das geschnittene Panel wird nur entsprechend seines Klappenanteils angestellt. Hier am Beispiel der Klappe des Mittelflügels dargestellt. Ich denke das ist aerodynamisch und auch numerisch eine gute Lösung.

Vortex_Panelaufteilung und Klappenwölbung.png


Bei der Problematik Flügelnachlauf und Leitwerksposition haben wir folgende Situationen.

In der Normalfluglage schneiden die freien Wirbel nicht das Höhenleitwerk. Der Anströmwinkel ist 0°.

Vortex freie Wirbel Normalfluglage.jpg


Bei gesetzten Klappen gibt es Durchdringungen. Der Anströmwinkel ist jetzt auch 4,4°.

Vortex freie Wirbel gesetzte Klappen.jpg


Beim Einsetzen von Durchdringungen macht sich der Neutralpunkt sofort auf den Weg nach hinten. Die Rechenergebnisse sind zunächst noch plausibel mit Ausnahme der Lage des Neutralpunktes und des daraus resultierenden traumhaften Stabilitätsmaßes von mehreren Hundert Prozent. Bei obigem Bild waren die Klappen mit 15° außen und 30° am Mittelflügel gesetzt. Das Stabimaß war 375%! Jetzt ist aber die Grenze erreicht innerhalb der die sonstigen Werte noch halbwegs vertrauenserweckend sind. Danach beginnt der von dir schon angesprochen Sch….bereich.

Wenn du dir die Frontansicht in der Normalfluglage anschaust kannst du erahnen wo die Durchdringungen anfangen wenn die Maschine angestellt wird.

Frontansicht Normafluglage.jpg


Das Höhenleitwerk hochsetzen wäre doch ein zu starker Eingriff in das Originaldesign. Daher Mut zur Lücke getreu Gerhards Spruch „das Original fliegt auch“! Ich hoffe ja noch immer auf den Zauberwirbel des Motors.

Morgen werden wir das Urmodell des Hauptrumpfes fürs Laminieren der Form vorbereiten.

Gruß Erwin
 

Genie

User
Dieses doch etwas ungewöhnliche Projekt in so kurzer Zeit auf die Beine zu stellen, da ziehe ich meinen Hut. Kanns kaum erwarten, eure nächsten Teilerfolge zu sehen.
Zwei Fragen hätte ich da noch an Erwin : Du schreibst da etwas von mehreren Lagen Versiegelung auf dem gefüllerten und verschliffenem Rumpf. Was für ein Mittel ist das und welche Funktion hat es ? Es muss sich ja mit dem Urmodell fest verbinden, denn sonst würde das Flüssigwachs es ja wieder runter holen.
Zweite Frage : Handelt es sich um ein spezielles Wachs, dass Du für die Trennebene verwendest ( das du vorher warm gemacht hast ) ? Das Gelbe Zeugs meine ich.
Kannst mir auch gern eine PN schicken, weil das nicht unbedingt hier mit rein gehört.

In der Größe macht es natürlich Sinn, gleich eine Negativform zu bauen. Nur für alle Fälle, aber die Form ist ja nicht so kompliziert zu laminieren. Wenn da nur nicht immer dieser riesen Zeitaufwänd wäre, von den Kosten mal ganz abgesehen.
Ich lese fleißig weiter und drücke Euch die Daumen für den Erstflug. Bei so einem Projekt möchte ich nicht der Mann an der Fernsteuerung sein.

Gruß Ralf
 
Moin Ralf,

zunächst danke für die Blumen.

Zum Verfüllen des Spaltes haben wir Wachsknete auf der Basis von Bienenwachs benutzt. Mal googeln, ist ein gelber Block.

Der Trennmittelaufbau ist so etwas wie ein Mercedes mit Ferrariflair. Es geht aber auch in der Golfklasse.

Kunststoffoberflächen sind porös. Ob das nun ein 2K-EP-Füllgrund ist oder noch schlimmer, wenn der durchgeschliffen ist und gedrucktes PLA durchschaut. Diese Versiegelung dringt in jede Pore ein und bildet dort eine quarzartige Verfüllung. Die so vorbereitet Oberfläche ist dann ein hervorragender Untergrund für das flüssige Trennwachs. Der Trennmittelaufbau überlebt sogar mehrere Abformungen und wird daher industriell eingesetzt. Nachteilig ist, dass ein Liter von der Versiegelung 100€ kostet. Ich habe solche Aufbauten beruflich verwendet und da lag es nah, die guten Erfahrungen auch hier zu nutzen.

Wie gesagt, es geht auch einfacher mit Flüssigtrennwachs und für die ganz vorsichtigen mit einer zusätzlichen PVA-Schicht.

Gruß Erwin
 
Beginn des Formenbaus

Nach der Fertigstellung des Urmodells für den Seitenrumpf wurde mit dem Formenbau begonnen.

Nach dem Gelcoat hier ein paar Bilder von den ersten Laminatschichten. Die ersten beiden Lagen waren 160g Gewebe. Danach kam die erste dickere 250ger Lage.

20210304_111047_2.jpg


Die Innenecken wurden natürlich mit angedicktem Harz und GF-Verstärkung vorgefüllt.

20210304_111100_2.jpg


Hier ist Ruhe und Geduld gefragt wenn einzelne Lagen an den Ecken immer wieder hochkommen. Und tupfen und wieder tupfen bis die letzte Blase kapiert hat dass hier nichts zu suchen hat.

Gerhard trennt z.Zt. das Urmodell des Hauptrumpfes ein. Aber vor dem Laminieren der Hauptrumpfform muss erst einmal die Seitenrumpfform komplett sein. Das Entformen der Laminierformen wird fast genauso aufregend wie ein Erstflug sein.

Gruß Erwin
 

ggrambow

User
Freiwillig macht das kaum einer. Aber bei einem unvorhersehbaren Ausweichmanöver kann es zumindest bei maximaler Horizontalgeschwindigkeit passieren. Am Ende eines Sturzfluges wohl nur wenn die Boden schneller erschienen ist als gedacht.

Ein Lastvielfaches von 10 ist zwar begründbar aber muss nicht unbedingt in das Lastenheft aufgenommen werden.

Wir hatten über die max. G-Zahl philosophiert. Um Erwin zu beruhigen habe ich mir ein GPS mit Beschleunigungssensor angelacht und in meine Viper gesetzt. Da wir jetzt - unter klaren Hygieneregeln - endlich wieder fliegen dürfen habe ich diese Woche getestet. Die höchste Beschleunigung auf der Z-Achse war bei einem Abschwung von 160 m auf 50 m Höhe, Geschwindigkeit oben 160 km/h und in der Spitze unten 299 km/h.

1615183021399.png


Die max. Beschleunigung kurz vor Ende des Abschwunges war 7,83 g, der Abschwung war nicht brutal aber zackig geflogen. Diese Belastung werden wir bei der Boomerang niemals erreichen. Wir sind also weit auf der sicheren Seite.

1615183043970.png


Gruß Gerhard
 

Dix

User
Die max. Beschleunigung kurz vor Ende des Abschwunges war 7,83 g, der Abschwung war nicht brutal aber zackig geflogen. Diese Belastung werden wir bei der Boomerang niemals erreichen. Wir sind also weit auf der sicheren Seite....

Huhu,
täusch Dich da mal nicht. Das mag sein bei ruhigem Wetter und sanftem Flugstil.

Böen oben drauf und ein unfreiwilliges Ausweichmanöver kann schnell mehr werden. Ich würde mit mindedtens 10g, besser noch 15-20g rechnen. Das ist auch bei Großmodellen durchaus möglich. Unbequemere Landungen sind dann auch gleich inklusive.

PS: wie groß ist Deine Viper im Vergleich zur Boomerang? Das macht das Geschwindigkeitsgefühl nochmal anders.
 
Moin Dirk,

wenn ich so leichtfüßig wie du mit den Lasten bei der Auslegung von Strukturelementen eines ganz großen Fliegers umgegangen wäre hätte man mich bei den Reviews rausgeschmissen und mir den Auftrag entzogen ;).

Ich kann dich aber auch verstehen. Unsicherheiten nagen an der Seele. Daher auch Gerhards Versuche. Die Ergebnisse sind sehr dicht an meinen Vermutungen/ Berechnungen und beruhigen mich.

Manchmal hilft ja auch ein „unglücklicher“ Umstand. Da die Steckungsrohre nur in bestimmten Größen zu bekommen sind, ergibt sich daraus eine Belastbarkeit für den Boomerang von 9g mit einem Reservefaktor von 1,1. Das reicht für ein herzhaftes Abfangen mit 200 km/h. Das muss auch für dein vorsichtiges Gemüt reichen 😉.

Ich habe noch nie in meinem Leben ein ferngesteuertes Modell gebaut mit dem ich keinen Looping fliegen konnte. Wenn Boomerang stabil fliegt wird es vermutlich irgendwann passieren. Ist nicht ganz scale aber Gerhard kann ja wegschauen 😇.

Gruß Erwin
 
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