Eigenbau Jonker JS2

[Felix Schlieter]

Hallo Zusammen,

das jetzige Winter-Projekt neigt sich langsam den Ende zu und der Entschluss über das neues Projekt hat finale Formen angenommen. Es soll eine Jonker JS2 mit Wechselohren im Maßstab 1:4 werden (21m-->5,25, 18m-->4,5).

Die Herausforderung dabei ist die benötigte Festigkeit bei einem Abfluggewicht von (Stand jetzt) <5kg. Da der Rumpf in 1/4 mit ~150mm Breite relativ zierlich ist halte ich die 5kg Abfluggewicht für eine Herausforderung, die aber nicht unmöglich ist. Sollten die rechtlichen Regularien auf >5kg angehoben werden, soll es aber auch möglich sein entsprechend schwerer und stabiler zu bauen. Gerechnet habe ich aber erstmal mit 5kg.

Dabei soll der CFK/GFK-Rumpf in Formen entstehen, die Flächen sollen dabei durchgängig in GFK/CFK verstärkter Positivbauweise entstehen.

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Zum Hintergrund/der Motivation:

In den letzten Saisons bin ich neben F3K-lern immer mehr auf den Geschmack von großen Scale-Seglern gekommen.
Ende 2019 habe ich von Paul Poschen die Urmodelle und Formen des Hybrid übernommen und habe das Laminieren und den Formenbau größtenteils von Ihm an den Formen gelernt.
Über diesen Winter habe ich dann zusätzlich angefangen einen Bergfalken II/55 in 1:4 zu bauen, dieser steht jetzt kurz vor der Fertigstellung.

Die Jonker-Flugzeuge faszinieren mich aufgrund der Kombination von Rumpf- und Tragflächenform schon länger. Das wirkliche Interesse eine JS zu bauen kam dann eines idyllischen Abends als eine JS3 mit Turbine relativ tief über unseren Platz geflogen kam. Ab da war es um mich geschehen

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Planung:

Das Modell wird hinterher hauptsächlich in der Ebene oder an Hängen bei mittleren Bedingungen in der Eifel eingesetzt. Da ich vermehrt auf Strecke fliege sollte die JS gut laufen (bei geringem Sinken), aber auch langsam in der Thermik kreisen (unser Gelände hat oft Thermik um die 1-3 m/s, also keine Alpin-Bedingungen). Senkrechte Abstiege aus 500m, raus ins Tal und anschließend wieder 500m hochziehen ist also nicht das Ziel (ist auch mit der 5kg-Vorgabe absolut nicht realistisch). Ich hoffe das vermittelt ein ausreichendes Bild über die Fluganforderungen.

Um ein Gefühl für den Flieger zu bekommen habe ich eine 3-Seiten-Ansicht ins CAD importiert und auf den passenden Maßstab skaliert. An dieser Zeichnung habe ich dann die Flächengeometrie vermessen (21m Variante) und ein entsprechendes Modell in FLZ-Vortex erstellt (EWD ist auf -1° am HR eingestellt):

Um einen Startpunkt für die Profile zu haben, habe ich mich an den Infos auf der Seite von Helmut Quabeck informiert und bin auf die HQ/DS-Reihe, auslaufend in ein HQ/Acro gestoßen. Während der Recherche bin ich dann auf die Remec JS-3 gestoßen, die auch so ein Strak verwendet. Ob das das Optimum für die von mir angestrebte Modellgröße und den Verwendungszweck ist weiß ich (aufgrund mangelnder Erfahrung in der Auslegung) nicht.
Wenn Ihr bessere Vorschläge oder Erfahrungen mit Fliegern dieser Art habt: immer her damit, das Profil ist nicht in Stein gemeißelt.

Bisher sieht meine Fläche so aus (alles zwischen den Angaben ist "gestrakt"):

Gerechnet habe ich jetzt für das Kreisen mit 11,1m/s (40km/h). Die Re-Zahlen habe ich noch mit dazu geschrieben:

Ab dem Punkt wo es um das Interpretieren der Rezahlen geht hört dann leider das Wissen von mir auf. Wenn ich diesen Strak weiter optimieren will (sinnvolle Profil-Gegenvorschläge sind herzlich willkommen) stellen sich mir folgende Fragen:

Die Rezahl besagt ist ja, ob ein Körper (hier Profil) sich bei bestimmten Geschwindigkeiten und Längen (Profiltiefen) turbulent verhält oder eine laminare Strömung anliegt. Für jedes Profil gibt es einen "Grenzwert", ab dem die Strömung abreißt. Also Faustwert habe ich häufiger einen Wert von >100.000 gelesen. Aber woher bekomme ich diese Information genau, bzw. wie kann ich diese Informationen verarbeiten?

Ich hoffe es gibt hier Profis, die mir weiterhelfen können

Grüße
Felix

 

[reinika]

Für solche 1:4 Modelle hat Benjamin Rodax doch den SA7036 Strak entworfen. Der ist mittlerweile bewährt. Es gibt einige Erfahrungsberichte auf RCN. Der Strak passt auch für deine Wünsche. Evtl. musst halt noch Zwischenprofile straken.
Hier der Entstehungsthread:

ASW 15: Meinungen zu zwei unterschiedlichen Flügelprofilstraks?

Hallo MarkusN, wie schon Christian richtig darauf hinweist, hat das HQ-3-xx von Wattsi 3% Wölbung. Aber was mir wesentlich ausschlaggebender erscheint ist die Angabe von Wattsi, dass er die neue Fläche mit 6 Grad V-Form pro Seite gebaut hat. Das ist ja eine V-Form für einen 2-Achs-Segler...

www.rc-network.de

Angehängt die Dat. Dateien.

Für einen HQ DS Strak ist dein Modell viel zu klein. Die HQDS sind Re-Zahl "hungrig".

Viel Spass mit dem schönen Projekt
Reini

 

[Felix Schlieter]

Hi Reini,

danke für den Vorschlag mit dem entsprechenden Link . Dass das HQ/DS nicht geeignet ist habe ich aus dem Bauch heraus schon fast gedacht, da die anderen Modelle die es verwenden ja wirklich deutlich tiefere Flächen haben.

Von der Beschreibung her (Benjamin + Erfahrungsberichte) entspricht der Strak auch dem was ich suche.

In den Polaren steht auch das drin:

Sind die 140.000,113.000 und 65.030 dann die kritischen Rezahlen, die man dann nicht unterschreiten darf?

Wenn jemand noch andere Vorschläge hat auch noch gerne her damit

 

[reinika]

Die angegebenen Re-Zahlen sind die Auslegungs-Re für Polarentyp 2 in Xfoil ("Dynamische" Polare, Re ändert sich mit dem ca Wert automatisch).
Bei 20% mehr oder weniger, passen die aber immer noch gut.

Hier fliegen Jungs eine 4m ASW15 mit dem Strak, die macht richtig Laune. Wenn Du mit der Bauhöhe klar kommst, wirst Du Freude dran haben.
Die höhere Wölbung bringt gutes Steigen und trotzdem läuft es. Eine runde Sache.
1.75% Wölbung wäre zum Kreisen etwas mager.

 

[Felix Schlieter]

Habe nochmal ein bisschen drüber nachgedacht und die Flächen im CAD einfach mal nebeneinander gehalten. Dann ergibt sich vielleicht ein besseres Bild für die Vergleichbarkeit der Flugzeuge:

Als erstes stellte sich mir die Frage, ob man die Flächen wirklich miteinander vergleichen kann.

Um von den Pixeln weg zu kommen habe ich ein wenig rumgemessen:

Die Flächentiefe der JS2 von innen nach außen in mm (jeweils an den Sichtkanten gemessen):

185 --> 181 --> 174 --> 149 --> 118 --> 77 --> 54 --> Winglet​

Die Flächentiefe der ASW15 von innen nach außen in mm:

244 --> 220 --> 100 (Randbogen)​

Dementsprechend hat die JS2 ~75% der Tiefe an der Wurzelrippe, an dem Randbogen (bzw. "kurz vor dem Winglet") sogar nur ~50%.

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Hintergrundgedanke:

Die Rezahl ist ja proportional zur charakteristische Länge und der Geschwindigkeit:

Vergleiche ich die JS mit der ASW, so ist bei gleicher Geschwindigkeit also die Tragflächentiefe für die Rezahl verantwortlich. Und die Rezahl bestimmt bei gleicher Profilierung das Flugverhalten ("weil wir uns im Idealfall immer nahe an einer laminaren Strömung bewegen wollen").

Fliege ich also bei gleicher Geschwindigkeit, erhalte ich Rezahlen mit dem Faktor 0,75 und außen 0,5 im Vergleich zur ASW (alleine durch die deutlich geringere Flächentiefe).

Das muss dann das Profil "verkraften" oder ich fliege um den Faktor (1/0,7)=1,42 bzw 1/0,5=2 schneller, um die selben Rezahlen zu erreichen.

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Schlussfolgerung:

Deswegen würde ich doch jetzt (mit meinem jetzigen Wissen) davon ausgehen, dass sich der Flügel bei der JS (weiter außen) nicht ansatzweise so schön laminar verhält wie bei einer ASW15 mit 4m. Und "aus dem Bauch heraus" klingt die Halbierung der Rezahlen auch "suboptimal".

Wenn ich hier irgendwo falsch liege gebt mir bitte Bescheid, ich bin "lernwillig"!

 

[Frank Thorn]

Schau dir mal diesen Baubericht an.
Da steht viel Erhellendes zum Thema Profilierung bei niedrigen Rezahlen drin.

SB10 1:6 - thermik-board.de

 

[JML]

Das Kritischte wird ja das Außenprofil sein. Hier gab´s Tips zum Strak und ein entsprechendes Profil für ganz kleine Re-Zahlen..

 

[reinika]

Hallo Felix

Das verstehst Du richtig, dass Re mit der Tiefe proportional sinkt. Es sei denn, Du fliegst höhere Flächenbelastungen, dann steigt Re wieder mit der Geschwindigkeit. Um das Abzuschätzen machst Du dazu Auslegungsrechnungen mit FLZ Vortex am Ca max des Modells, dann zeigt dir Vortex die lokalen Re an.
Allerdings wird die Grenzschicht bei tieferem Re längere laminare Laufstrecken ausbilden. Daraus entsteht dann das Problem, dass der Umschlag zu Turbulenz erst nach der Ablösung eintritt. Das sind die berüchtigten Blasen, kein Abriss. Die Blasen erhöhen Anstellwinkelabhängig den Widerstand des Profils und verschlechtern die Ruderwirkung.

In deinem Fall muss man den Strak "extrapolieren", sprich ein weiteres Profil für noch kleinere Re anhängen.
Das verlinkte Profil von Uwe hat weniger ca max und erzeugt etwa 1/2 Grad Schränkung. Das von Hans hab ich auf die Schnelle nicht gefunden.

Dafür hänge ich dir noch zwei Profile an, die sehr gut zum Strak passen, sowohl vom ca max, wie vom Auftriebsanstieg her. Damit kannst Du auch weitere Zwischenprofile generieren, das wird passen. Sie stammen aus einem anderen Strak von mir, mit sehr ähnlichen Eigenschaften.

Das A204 mit 8.5% D ist bis Re 50 000 runter noch sinnvoll einzusetzen. Das A206 mit 8.1% D auch noch drunter. Unter 50 000 wird es dann eh schwierig mit Xfoil-Prognosen. Es fragt sich halt auch, wie dünn man bauen kann, ohne sich grössere strukturelle Probleme einzuhandeln.
Diese zwei Profile sind praxisbewährt, schau sie dir an. Vielleicht kann sie ja noch jemand brauchen.

Du wirst insgesamt kaum was vorgefertigtes finden, das deutlich besser ist, als so ein Strak.

 

[reinika]

Hier noch Polarenbeispiele und Auftriebsanstieg der oben genannten Profile bei Re 50 000 und ncrit 9.
Lila = SA7036a
Rot = A204
Blau = A206
Grün = SA 7035mod von Uwe

Die A204 und 206 weisen klar weniger Blasenwirkung auf als die anderen und erreichen das ca max des SA7036a. Weiter decken sich die Linien des Auftriebsanstiegs sehr gut.
Uwe`s Profil war für eine andere Anwendung entworfen.

 

[JML]

Ist es denn nicht so, dass neben dem Reduzieren der Dickenrücklage eines Profils auch das Entwölben zum Randbogen hin, einen positiven Einfluss auf die kritische Re-Zahl hat ?
Nichts anderes hat Uwe da ja angewendet. - Die Dickenrücklage zu deinem Vorschlag ist ähnlich, nur hat sein Profil 1,9% Wölbung, während dein A104 2,5% Wölbung aufweist. Dass das ein wenig Auftrieb kostet, liegt auf der Hand (wie die gute alte Schränkung ja auch).

 

[reinika]

Grundsätzlich alles, was den Druckanstieg vermindert, das verringert auch die kritische Re Zahl. Also entwölben, , Dicke reduzieren, Dickenmaximum nach vorne, Wölbungsmaximum nach vorne. Jeder Druckabfall (Geschwindigkeitsanstieg) der nicht verursacht wird, muss nachher nicht als Druckanstieg (Verzögerung) überwunden werden, oder es braucht eben eine längere Rampe dazu.
Wobei die Unterseite die Oberseite mit beeinflusst (Zirkulation). Eine "schnelle" Unterseite steht also der Oberseitenströmung entgegen. Das ist genau der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Profilen: Uwe`s SA 7035mod ist dicker, die Oberseiten sind sich recht ähnlich.

Aus diesem Grund sind typische F3K und F5J Profile ja auch recht dünn. Wobei dünner nicht immer besser ist, weil Dicke auch ca max und Polarenbreite bringt. Weiter gibt es ja noch Strukturelle Anforderungen. Es ist halt immer ein vertrackter Kompromiss

 

[Felix Schlieter]

Habe mich inzwischen auch in einem alten Eppler-Profilbuch vom MTB nochmal parallel schlau gemacht. Die Kernaussage zu kurzen Profilen war (genau wie Reini gesagt hat):
Es geht um die "Druckdifferenz pro Strecke" die evtl nicht ohne Wirbel ausgeglichen werden kann. Ist mein Profil also kurz und dick "kommt die Luft mit der Grenzschicht nicht hinterher".

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Mit den Berechnungen bin ich jetzt nach mehreren Versionen mit meinem Wissen zu dem Ergebnis gekommen:

Gibt es dazu noch Einwände?

 

[reinika]

Es geht um die "Druckdifferenz pro Strecke" die evtl nicht ohne Wirbel ausgeglichen werden kann. Ist mein Profil also kurz und dick "kommt die Luft mit der Grenzschicht nicht hinterher".

Genau, "Druckgradient" heisst das Zauberwort. Laminare Grenzschicht kann weniger steile Gradienten überwinden, turbulente etwa das 3 fache (Daumenregel). Deshalb werden Profile in Straks auf eine passende Re Zahl hin entworfen. Die sollte man dann auch ungefähr einhalten, wobei es da schon Spielraum gibt. Es geht dabei darum, dass der Grenzschichtumschlag Laminar/Turbulent stattfindet, bevor sich die Blase zu weit ausdehnt.

Gibt es dazu noch Einwände?

Ich sehe, Du hast die Profile passend nach Re eingesetzt. Gut gemacht

Die Frage ist jetzt, ob Du das strukturell so hinkriegst. Der 21m Flügel ist strukturell schon anspruchsvoll. Servos müssen ja auch noch rein.
Sonst könnte man noch etwas schinden, indem im Innentrapez Das SA7036i beibehalten wird und die folgenden Profile je einen Schritt nach aussen wandern. Das A204 geht auch noch im Aussentrapez. Das A206 dann ins Winglet setzen.

Das würde allerdings theoretisch etwas höhere Profilwiderstände mit sich bringen, dafür wäre der Flügel steifer in Biegung und Torsion.
Aber das musst Du entscheiden, wo dein Limit im Bau liegt.

 

[reinika]

Was Du evtl. nochmal anschauen solltest, ist der Verlauf des lokalen ca (Grün) im Vergleich zum lokalen ca-max Grün gepunktet). So wie es jetzt ausschaut wird die Strömung bei den Querrudern zuerst abreissen. Da ist der Abstand der Linien am geringsten, und zeigt so das Risiko von Tip-Stall an.
Um da zu besseren Vorhersagen zu kommen, gibst Du bitte mal ein paar Panels ein. So 10stk in Tiefenrichtung, mit sinL setzt das Programm die Panels vorne enger, wo die grosse Profilkrümmung ist. In SPW Richtung innen so alle 10cm, nach aussen enger, so um 5 cm Abstand.
So eingestellt bekommst Du aussagekräftigere Kurven.
Die Funktion Blasenwiderstand würde ich ausschalten, die ist...naja.

 

[Felix Schlieter]

Panels habe ich angepasst, sieht dann so aus (an den roten Pfeilen Strömungsabriss):

Heißt jetzt muss Schränkung (aerodynamisch oder geometrisch) im Außenbereich eingebaut werden.

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Kurzer Einschub zum "Servo und Klappen-Konzept", damit wir über die selben QR reden:

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Weiter mit der Schränkung:

Ohne Schränkung sieht das so aus:

Dann habe ich mit den A204 und A206 in xflr5 rumexperimentiert (beide Ergebnisse waren abzusehen, aber man kann es ja mal probieren ):

• mehr oder weniger Wölbung (1%,2%,3%,4%) --> in beide Richtungen wird das Abreißverhalten deutlich kritischer.
• Dicke weiter nach vorne oder hinten schieben --> hat auch nichts genützt.

Deswegen habe ich mich um die geometrische Verschränkung gekümmert und so lange probiert, bis der Strömungsabriss ca. auf die Hälfte der Fläche gewandert ist:

Um die einzelnen Verwindungen besser einzeichnen zu können, hier nochmal mit weniger Panels:

Jetzt ist der Strömungsabriss zwar moderater, aber bei höheren Geschwindigkeiten bekomme ich dann negative Auftriebswerte:

Komme ich da noch irgendwie mit anderen Tricks drumherum?

 

[reinika]

Hallo Felix
Du hast da ja schon einiges verstanden und ausprobiert. Das ist cool.

Allerdings tritt da ein Problem auf, das ich so nicht mehr auf dem Schirm hatte, obwohl mir das schon früher mal aufgefallen war. Man wird eben nicht jünger. Ich hätte am Anfang genauer hinsehen sollen, sorry.
Konkret gibt es eine relativ grosse Differenz im ca_max zwischen dem SD7036i und a. Das siehst Du an der gepunkteten grünen Linie, die stark nach aussen abfällt. Dieser Strak wurde eben für einen Doppeltrapez Flügel entworfen. Da muss das Randbogenprofil nicht soviel ca leisten wie die Innenprofile, weil der Auftrieb aussen eh auf null zurück geht.
Das Problem entsteht jetzt, wenn da noch zwei Trapeze aussen dran hängen, dann ist das ca-schwächere SD7036a nicht mehr am Randbogen und die Innenprofile sind echte "ca-Monster".
Deine Version mit Schränkung würde zwar funktionieren, aber es wäre trotzdem unschön. (es gibt noch günstige Einflüsse, die in der Rechnung nicht drin sind -> Rumpf)
Weitgehend Abhilfe schaffen würden innen Profile, mit "eingebauter ca Begrenzung". Hab ich ja vor Jahren genau deswegen gemacht und wieder verdrängt

Du hast dich richtig reingearbeitet, daher will ich das jetzt nicht so stehen lassen. Wenn Du mir deine Vortex-Datei schickst, setze ich dir da passenden Ersatz ein. Wenn du möchtest...........

 

[reinika]

Noch was zum alternativen Profildesign. Hier das Wurzelprofil in 11% Dicke.
Durch die flachere Beschleunigungsstrecke hinter der Nase wird der Auftriebsanstieg begrenzt (roter Ring bei der ca_alfa Linie).
Man sieht in beiden Diagrammen ein markanteres Verhalten im oberen Bereich.
In der Profilabbildung siehst du den Grund in der Kontur.
Leistungsmässig nehmen sich die Profile sonst nichts, laut Xfoil. Nur ca_max ist um rund 0,1 eingegrenzt.

 

[H.J.W]

Hallo,
eine interessante und aufschlussreiche Diskussion.
@reinika: Zu deiner kritischen Anmerkung zur Funktion des Blasenwiderstandes ".......die ist...naja." Ist diese Funktion nicht aussagekräftig, bzw. hilfreich? Was spricht dagegen?

Gruß Hermann

 

[reinika]

Hallo Hermann

FLZ Vortex arbeitet mit einem stark vereinfachten Profilprogram, um weniger Rechnerleistung zu beanspruchen. Es rechnet reibungsfrei, wie Eppler. Dafür läuft es schneller.
Die Blasenfunktion ist irgendwie implementiert und deckt sich nicht wirklich mit Windkanalmessungen, oder Xfoil. Oft zeigt sie ein Problem bei beginnender Nasentubulenz, die ja üblicherweise mit einer kurzen Blase einher geht, aber selten Einbrüche in der Polare verursacht. Diese Spitzen in der Druckverteilung an der Profilnase können dafür das ca_max limitieren, je nach Re Bereich (manche reden vom "platzen der Blase").
Das ist eben auch der Hintergrund zum obigen alternativen Profildesign.

Das abknicken der ca_alfa Linie wird auch dadurch verursacht. Wenn die Blasenwarnung dort überreagiert, dann funzt die Abrissprognose in Vortex nicht. Daher lass ich es lieber ohne Warnung laufen und bewerte die Profile extern in Xfoil, Profili, oder man verwendet direkt XFLR5.
X5 muss aber nicht unbedingt sein, wenn man die Zusammenhänge kennt. Es braucht mehr Rechnerleistung und (bei mir) auch mehr Zeit.
Wenn es keine wissenschaftliche Arbeit werden soll geht es also auch mit FLZ Vortex, ein gut funktionierendes, leistungsfähiges Flugzeug zu entwerfen. Wenn man ein paar fliegende Referenzmodelle damit untersucht hat und deren Eigenheiten in den Daten identifiziert hat, kann man schneller zu Resultaten kommen.
FLZ Vortex wurde ja für Modellflieger gemacht.

XFLR5 kann mehr und liegt sicher näher an der Wirklichkeit, aber das Werkzeug allein macht es nicht. Es gibt viele Einflüsse, die nicht in den Rechnungen erscheinen, da braucht es Erfahrung und Fingerspitzen. zB. Baugenauigkeit, Aeroelastik, Massenverteilung, Oberfläche, etc

Soweit mein Senf dazu

Gruss
Reini

 

[reinika]

Eine Frage noch an Felix.
Ist es erlaubt kleine Retuschen an der Geometrie anzubringen? Damit kann man die örtliche ca Belastung auch steuern.......