Entwicklung eines F3F-Profils

[Jojo26]

Hallo Björn, … gerne Ich freue mich auch, dass sich das Thema „Entwicklung eines F3F-Profils“ durch die vielen tollen Beiträge zu einem klasse Know-how-Fundus entwickelt hat…

Hattest es mal z.B. mit einem Zone2-60k verglichen? Insbesondere bei niedrigeren Typ2 Re's. Gerade der Randbogen ist meiner Erfahrung nach ein sehr empfindlicher Bereich was das gesamte Flugverhalten betrifft. Den Einsatz dort außen kann das Zone nämlich auch noch bei niedrigeren Re's gut (s.h. Vantage).

... ja, das Zone-V2 hatte ich mir vor einiger Zeit bereits angeschaut. Daher ein paar Überlegungen zu ...


F3K/HLG-Profil als Flächenspitzenprofil

Es liegt nahe, für das Endprofil eines F3F (B) – Straks auf eines der hochentwickelten Profile aus der F3K/HLG-Domäne zurückzugreifen. Beide bewegen sich ungefähr im selben Re-Zahl-Bereich: Bei F3F zwar mit höheren Geschwindigkeiten aber sehr kleinen Flächentiefen an der Spitze, bei F3K bei deutlich geringeren Geschwindigkeiten aber höheren Flächentiefen an der Wurzel.

Unterschiede gibt es allerdings in den Anforderungen:

Das (Wurzel)-F3K-Profil darf und soll mit „prallen“ Polaren maßgeblich die Flugeigenschaften bestimmen. Dazu werden „alle Register“ gezogen

• gering(st)e Dicke um bei den kleinen Re-Zahlen höhere Krümmungen zu vermeiden (Ablösungen, geringer Widerstand)
• angemessene Wölbung für gute Leistung im mittleren/hohen ca-Bereich
• Rear-Loading für den extra Punch in diesem Auftriebsbereich

Demgegenüber hat des F3F-Flächenspitzen-Profil den „Looser-Job“ gezogen: "Sein Dasein und seine Notwendigkeit“ ist Folge des elliptischen Flächendesigns zur Reduzierung des induzierten Widerstands bei höher werdenden Ca. Dummerweise kann es bei den geringen Flächentiefen praktisch nichts beitragen zur „Hauptarbeit“ der Tragfläche, die sich in den ersten 80% der Spannweite abspielt. Das Flächenspitzen-Profil soll eigentlich nur eins: Nicht auffällig werden, wenig Widerstand haben und den maximalen Anstellwinkel klaglos mitmachen, um einen Strömungsabriss an der Flächenspitze zu vermeiden.

(Den verkleinerten effektiven Anstellwinkel an der Flächenspitze auf grund des induzierten Anstellwinkels behalten wir uns dabei als Sicherheitspolster in der Hinterhand)

Nun könnte man gut sagen: Schaden würd’s ja bestimmt nicht, wenn das F3F-Profil von den weiteren guten Eigenschaften des F3K-Profils profitiert. Stimmt …

… wenn nicht das F3K-Profil

• bei kleinen bzw. negativen ca bedingt durch die hohe Wölbung und geringe Dicke einen rasanten Widerstandszuwachs hätte (die wenig gewölbte Profilunterseite wird hier zum Problem)
• bedingt durch das dünne „Hinterteil“ konstruktiv kritisch wird. Beispielsweise beträgt die Bauhöhe bei 10cm Gesamtflächentiefe nur noch 2 mm an der Klappenposition 75%.

Meiner Meinung erkauft man sich durch ein F3K-Profil letztendlich Nachteile, ohne die Vorteile wirklich nutzen zu können.

Das F3K-Profil Zone-V2-60

ist sicherlich ein sehr gutes Profil für seinen Einsatzzweck auf das die obige grundsätzliche Beschreibung eines F3K-Profils voll zutrifft.

Es hat allerdings zwei „Auffälligkeiten“:



Ohne die Designüberlegungen von Gerald zu kennen, würde ich vermuten, dass hier ganz ähnlich wie bei Mark Drelas „AG-Knickprofilen“ das Profil für den Klappeneinsatz mit 30% Tiefe optimiert wurde. Allerdings erschließt sich der Nutzen nicht, wenn die Klappen nicht 30% Tiefe haben. Insbesondere auch, wenn die restlichen Profile des Straks "knickfrei" sind.

An der Hinterkante findet im Mikrobereich! – auf den letzten 1-2 mm (bei 10cm Flächentiefe) – eine Art xfoil-Tuning statt. Bei den Berechnung zu JX-GS-06 trat auch bereits das Phänomen auf, dass xfoil bei niedrigen Re-Zahlen es durch geringen cd-min belohnt, wenn der Hinterkanten-Öffnungswinkel möglichst klein ist (der Effekt wurde aber nicht weiter untersucht)

Auffallend ist, dass die Hinterkante auf 0,03% (also 0,03mm bei 10cm Flächentiefe!) aufgedickt werden musste, damit die Hinterkante nicht zu einem Strich ausläuft… sonderbar.



Bei den JX-Profilen war ich sehr bemüht, ohne solche „xfoil-Tricks“ zu arbeiten. Wir bereits in einem anderem Beitrag beschrieben, können solche Artefakte sehr schnell beim inversen Profildesign passieren. Man freut sich dann über tolle Polare ohne zu vermerken, in knifflige xfoil-„Eigenheiten“ gestolpert zu sein.

Viele Grüße

Jochen


Björn, „Rear Loading“ wird bei Xoptfoil unterbunden, indem bei den constraints „max_curv_reverse_bot = 0“ gesetzt wird (ein bisschen verquer ausgedrückt: Die Anzahl der Krümmungswechsel auf der Profilunterseite soll 0 sein). Melde Dich gerne bei mir, wenn's nicht klappen sollte.

 

[Röhrich]

Ergänzung zum Rear Loading: das Rear Loading wird für xoptfoil auch uninteressant(er) wenn man die Betriebspunkt mit den niedrigen ca entsprechend stark gewichtet. Dann wird er die hier auftretenden Blasen, Ablösungen etc. verhindern indem er das Rear Loading ausbeult. Damit trifft man dann auch eher was man eigentlich erreichen will. Je stärker man die Geometrie einschränkt desto weniger Spielraum hat man am Ende für die Optimierung zur Verfügung.

 

[Björn]

Hallo Jochen,

danke für die sehr ausführlichen Erläuterung deiner Gedanken hinter dem GS-06. Ich stimme dir voll zu, dass wenn man den Fokus weitestgehend auf den Bereich "Schnellflug" legt, ist deine Betrachtung richtig. Wie schon vorher gesagt, basierte die erste Betrachtung rein auf Typ2 Basis und dann auch noch unterhalb deiner Target Typ2 Re-Zahl. Wobei letzteres beabsichtigt war um die Blasenanfälligkeit zu bewerten.

Die von Dir angesprochenen Punkte habe ich mir heute auch angeschaut und stimme mit den Kritikpunkten hinsichtlich der Probleme bei negativen Ca für ein "F3K" Profil überein. Für ein Modell das vornehmlich nahe an einer Hangkannte bewegt wird ist dies nicht optimal. Ein wenig anders sieht es meiner Meinung (und Erfahrung) jedoch nach aus, wenn du den Einsatzbereich mehr in den "freien Luftraum" verlagerst, wo sich die Ca Anforderung nach oben verschiebt. Hier merkt man, ob ein Außenflügel anfängt eine Blasenproblematik zu entwickeln oder halt nicht. Die Auslegungen mit weniger gutem Widerstandsverhalten im Außenflügel werden dann "gefühlt" steif und/oder fangen sogar leicht an zu Gieren bzw. zu Pendeln. Klar, mit meinem Background von den sehr Thermik lastigen Wettbewerbsklassen, schaue ich aus einem etwas anderen Blickwinkel darauf. Deshalb würde ich diesen Punkt für mich selbst höher und die Nachteile bei negativen Ca's eher weniger stark gewichten, denn ein F3F Modell fliegt auch dort wo man nicht den puren Druck an einer tragenden Kannte, wie dies etwa in Hanstholm oder Rügen der Fall ist. Das betrifft mit Sicherheit sogar die Mehrheit der verkauften/gebauten Modelle. Von daher verstehe ich auch, warum z.B. der Vantage eine Modifikation des Zone-V2 benutzt. Hier legt halt jeder seinen Fokus etwas anders und es gibt nicht die Lösung die alles kann.
Die reduzierten Steghöhen sind ein wenig problematisch, aber das lässt sich mit angepasster Bauweise und auch durch etwas größere Klappentiefen für den normalen Einsatzbereich in den Griff bekommen. Natürlich ist das dann nichts mehr für DS oder 500m senkrecht mit 5kg.

Übrigens der "Knick" im Profil geht, glaub ich, wie du schon sagst auf die Idee von Drela zurück, das Profil so zu gestallten, dass die Oberseite bei erhöhter Wölbung (abgesenkte Klappe) einen weitestgehend homogenen Verlauf aufweist um hier den Widerstand zu reduzieren und das mögliche Ca zu erhöhen. Für Speed dann genau halt das gleiche in grün mit der Unterseite, da diese dort mehr oder weniger der Hauptfaktor ist. Diese Art der Auslegung ist heute in den Klassen F3K, F5J und auch F3J nicht unüblich. Man ist aber dann halt wirklich an fixe Klappentiefen gebunden. Damit ist dann für ein bestehendes Profil auch die Flügelgeometrie mehr oder weniger schon vorgegeben. Ich schau aber dennoch dies bei meinen eigenen Profilen so gut es geht zu vermeiden um hier mehr Freiheit für Variationen zu haben (z.B. Big-Flap Versionen)

Kurz noch etwas zum Thema "xfoil und dünne Endfahnen":
Aus meiner Sicht ist dies definitiv keine rein numerische Affinität für dünne Endfahnen...oder wie du es so schön genannt hast "xfoil-Trick"
Da mir definitv der fundierte aerodynamische Hintergrund fehlt, kann ich das nicht entsprechend begründen, jedoch zeigt z.B. die Entwicklung aller Low-Reynold Profile die keinen reinen Fokus auf max. Speed legen in genau diese Richtung. Aus eigener Erfahrung, nicht nur vom F3K her, kann ich sagen, dass die modernen "dünnen" Endfahnen auch real das xfoil Verhalten wiedergeben und das nicht nur geschönte Polaren in xfoil sind.


Schöne Grüße
Björn


PS: Ja das Reduzieren der Wendepunkte schließt natürlich die Rear-Loading aus. Dennoch mag dies ja in Grenzen gewollt sein. Ich hatte insgeheim gehofft, Du hast eine Möglichkeit implementiert, die Stärke des Rear-Loadings direkt parametrieren zu können (z.B. fixe Zielkoordinaten, eine individuelle Vorgabe der Krümmungen für Oberseite/Unterseite, ...)

 

[Björn]

Die Diskussion die ich losgetreten habe mit dem Außenflügel, ist ja eher ein Detail und soll hier den Aufwand und die Arbeit die in dem Projekt stecken in keinster Weise schmälern.

Denn spätestens mit dem GS gibt's jetzt eine moderne, schnelle und zudem veröffentlichte Profilserie für den F3F/Hangflug Bereich. Das war zumindest für meinen Kenntnisstand bisher eher Mangelware und schließt damit eine Lücke.

Viele Grüße
Björn

 

[Peter Wick]

Noch eine kleine Zusatzbemerkung zu Strakprofilen und deren Entwicklung. Ich denke auch, dass man aufpassen sollte die Strakprofile unabhängig oder "konturenmässig" sehr verschieden vom "Hauptprofil" zu designen. Damit nicht gesagt, dass Ihr das getan habt. Der Flügel ist schlussendlich ein 3D Gebilde und die Druckunterschiede die durch die unterschiedlichen Profile entstehen gehen da mit einher. Das bedeutet, wenn fx die Druckminima an sehr unterschiedlichen Stellen stattfindet, wird die Strömung das versuchen 3D mässig das auszugleichen und damit die 2D Profileigenschaften verändern - was gut und schlecht sein kann :-) Das sieht man sehr gut im Beitrag von Gerald Tayler, wo er ja ein Fächendesign mit dem Profildesign kombiniert. Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass man bei allen Strakprofilen den Nullauftriebswinkel im Auge behalten muss. Der Nullauftriebswinkel ist leider KEINE konstante Grösse, sondern verändert sich mit der Re-zahl! Man muss sich also auch die Veränderung der Nullaufriebswinkel in unterschiedlichen Flugzuständen anschaun und die sich damit ergebende Schränkung. Dass das alles gut aufgeht ist bei sehr unterschiedlichen Profilen eher schwierig - gerade wenn man sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Und dann ist da noch die Unsicherheit im Bezug auf die Vorhersagen von Xfoil, die nämlich auch den Nullauftriebswinkel betreffen.

 

[thomasderflieger]

Das sieht man sehr gut im Beitrag von Gerald Tayler, wo er ja ein Fächendesign mit dem Profildesign kombiniert.

Das interessiert mich sehr, ich kann den Beitrag aber gerade nicht finden. Koenntest den bitte jemand verlinken? =)

LG Thomas

 

[Peter Wick]

bitte schön... https://www.rcgroups.com/forums/sho...y-II-wing-development&highlight=zone airfoils
Ein recht langer thread, aber lesenswert. Er heisst übrigens Taylor mit o

liebe Grüsse Peter

 

[Jojo26]

Hallo Björn,
volle Zustimmung und gut, dass Du den Fokus von JX-GS (GX, FX) nochmals hervorgehoben hast. Es ist ja fast schon ein Privileg, dass man sich beim F3F-Profildesign nicht mit so knfiffligen Aufgaben wie beispielsweise "Hochstart" oder "Thermikschnüffeln" auseinander setzen muss. Dafür kommen dann andere Aspekte mit ins Spiel bzw. werden wichtiger...

Mit kleinen Hinterkantenwinkel meinte ich nicht eine insgesamt dünne Endfahne des Profils, sondern Maßnahmen um den Hinterkantenwinkel auf den letzten 5% nochmals zu verringern. Sorry, wenn ich micht da unklar ausgedrückt habe! (aber das ist wirklich schon ein Spezial-Detail-xfoil-Thema )

Hallo Peter,
sehr gut - ja! Wenngleich man "starke Nerven" braucht, bei all der Kompliziertheit der Zusammenhänge noch in die "dunkle 3D-Welt" einzusteigen

Jochen

 

[Peter Wick]

Nur um das klarzustellen - die Strakprofile von Jochen sind schon sehr gut aufeinander abgestimmt hinschtlich des Nullauftriebswinkel und auch konturenmässig! Tolle Arbeit!

Ich wollte nur hervorheben, dass wenn man Profile - z.B. Zone aussen, verwendet - die nicht aus dem Hauptprofil abgeleitet sind, dass man dann etwas vorsichtig sein muss hinsichtlich des Nullauftriebswinkel und der Flügelgeometrie.

 

[Jojo26]

JX-GS-Strak ergänzt

Bei den Designarbeiten zu den neuen Tragflächen stellte sich heraus, dass es gut wäre noch ein Profil für die äußerste Tragflächenspitze zu haben. Deshalb bekam der bisherige Strak bestehend aus 3 Hauptprofilen nochmals einen kleinen „Nachwuchs“ …


An die Spitze: JX-GS-04

Das neue Profil erweitert das bisherige Außenprofil JS-GX-06 weiter in Richtung kleinere Re-Zahlen, die bei nur wenigen Zentimetern Flächentiefe an der Flächenspitze auftreten. Noch mehr als für JX-GS-06 gilt hier: „Durchhalten und möglichst alles mitmachen“ – siehe hierzu auch diesen Beitrag.

Das Profil ist für sich gesehen nicht besonders bemerkenswert. Seine Qualitäten kommen an dieser Außenstelle des Straks zum Tragen.

Zur Einordnung nochmals eine Übersicht des JX-GS-Straks - der Strak wurde hier beschrieben.

Profil	Dicke (bei) Wölbung (bei)​	Ausgelegt für Re √ca​	Gerechnet mit Ncrit=7 und Re​	Geprüft bei ncrit = 7 + 9 und Re​
JX-GS-15	7,6% (27,7%) 1,46% (40,0%)​	150.000​	600.000 (+400.000)​	700.000 300.000​
JX-GS-10	7,4% (26,8%) 1,47% (36,1%)​	100.000​	400.000 (+300.00)​	600.000 250.000​
JX-GS-06	7,1% (25,0%) 1,47% (32,3%)​	60.000​	250.000 (+150.000)​	300.000​
JX-GS-04	6,9% (23,9%) 1,48% (30,7%)​	40.000​	150.000 (+100.000)​	250.000​

Damit ist der Strak komplett und es könnte nun an den Entwurf einer Fläche gehen …


Der Strak in einer Fläche

Um ein Beispiel zu geben, wie der JX-GS-Strak in einer Tragfläche eingesetzt werden könnte, möchte ich – ein wenig off topic – den Entwurf einer (möglichen) F3F-Fläche skizzieren.

Rahmenvorgaben: 2,9m Spannweite (ohne Rumpf), 24cm Wurzelflächentiefe.

Für einen ersten Wurf des Flächengrundrisses ist der „Planform Creator“ – ein kleines Tool aus der „Strak Machine" – super hilfreich. Der Planform Creator erzeugt einen (über-) elliptischen Flächengrundriss wobei die Pfeilung als zusätzlicher Parameter definiert werden kann.

Praktischerweise kann bei der Definition angegeben werden, bei welchem Re √ca – Wert man welches Profil einsetzen möchte. Der Planform Creator erzeugt daraufhin folgendes Bild:



Die Zwischenpositionen mit den „blended Profilen“ wurden definiert, um in den Berechnungsprogrammen FLZ Vortex und Xflr5 zusätzliche Stützstellen für eine genauere Approximierung des Flächengrundrisses zu bekommen (die Programme kennen nur trapezförmige Flächensegmente, mit denen ein elliptischer Grundriss der Tragfläche nur angenähert werden kann).

Die Koordinaten dieses ersten Wurfs des Planform Creators werden dann in FLZ Vortex manuell erfasst. Nun kann dort das Feintuning des Tiefenverlaufs entlang der Spannweite stattfindet. Ziel ist es dabei, den Tiefenverlauf so zu gestalten, dass das ca-max nicht zuerst in Richtung Flächenspitze überschritten wird, um ein möglichst gutmütiges Überziehverhalten zu bekommen.

Nach ein paar Iterationen sieht dann der ca-Verlauf (grüne Linie) so aus:



Die Auslegung erfolgte bei dieser Fläche relativ „spitz“ mit wenig Auftriebsreserven an der Flächenspitze.

Mit den getunten Tiefenwerten wurde anschließend der Planform Creator nochmals „ge-tweaked“ damit er die endgültige Form möglichst genau darstellt. Als kleines Schmankerl erzeugt der Planform Creator eine XML-Datei mit der Beschreibung des Flächenentwurfs. Diese XML-Datei kann direkt in Xflr5 (bei der Definition einer Fläche) importiert werden:



Nachdem Xflr5 mit allen Profilen des Straks gefüttert wurde, die Polare im aufgespannten Re-Zahl-Raum berechnet wurden, können die aerodynamischen Berechnungen der Tragfläche beginnen …

An Designarbeit an der Fläche ist anschließend vor allem noch zu tun:

• Festlegung der Scharnierlinie. In dem Beispiel bildet sich die Scharnierlinie aus jeweils 24% Klappentiefe an der Wurzel und an der Flächenspitze. Mit ein wenig mehr Tiefe an der Wurzel, weniger Klappentiefe an der Spitze und einem Hauch mehr Rückpfeilung bekommt man eine „senkrechte“ Scharnierlinie wie sie bei den meisten heutigen F3F-Flächen üblich ist.
• Der Randbogenbereich muss später im CAD nach eigenem Geschmack noch „geformt“ werden.

… und dann kann’s eigentlich schon an die finale CAD-Konstruktion gehen…

Wer sich die Fläche „live“ anschauen möchte, findet im Anhang eine zip-Datei mit den Projektdateien von FLZ-Vortex und Xflr5.


Gutes Gelingen!

Jochen

--

Die Hauptprofile des JX-GS-Straks sind hier zu finden.

 

[Hans Rupp]

Hallo Jochen,

das doofe an der Scharnierlinie ist, dass sie ja im Raum verläuft. Wenn man jetzt einen elliptische Grundriß und eine Scharnierlinie mit geradem Verlauf in Spannweiterichtung anlegt, wäre es ein großer Zufall, wenn diese auch in der Höhe eine Gerade bildet. Das kann man ignorieren, da ja durch die Biegung es im Flug sowieso kaum eine Gerade bilden wird, spätesten unter Last ist es sowieso vorbei. Ich habe es trotzdem bei meinen Entwürfen über die Dicke es so angepaßt , dass es im Rahmen der Baugenauigkeit (bei Abweichungen in der Größenordnung 100stel mm habe ich aufgehört) innerhalb der jeweiligen Klappenlänge eine Gerade im Raum wurde.

Hast du aus einem bestimmten Grund 24% Klappentiefe gewählt?

Hans

 

[Jojo26]

Hallo Hans,

... ich verstehe. Guter Punkt. Die Optimierung hast Du gemacht um mechanische Spannungen beim Ausschlag zu vermeiden?

Bei der dargestellten Fläche (in FLZ) ist die Bezugslinie für die Pfeilung über alle Segmente bei 76% Flächentiefe (mit konstantem Pfeilungswinkel). Die Bezugslinie fällt also mit der Scharnierlinie (erster Wurf) zusammen. Zusammen mit der praktisch geraden Unterseite der Profile sollte daher die Abweichung der realen Scharnierline von einer Geraden minimal sein ... (so mein Gedanke ohne es verifiziert zu haben) ... und von der "Statik" weggesteckt werden können.

Die 24% sind ein Daumenwert. Wie bereits geschrieben würde ich bei dem Profil eine Klappentiefe eher zwischen 22% und 25% nehmen...

Viele Grüße!

Jochen

 

[Hans Rupp]

Hallo,

genau, zumindest im Keller. Ohne Anpassung hatte ich eine Welle von ein paar 1/10mm drin, wobei ich eine dediziertes Klappenprofil verwendet habe, die Klappe musste genau bei 27% anscharniert werden. In Speedstellung ist die Unterseite auch quasi gerade.
Am Seil sind 24% für den Druckaufbau eher wenig. In F3F ist es o.k.

Hans

 

[jduggen]

Moin Zusammen,

tolle Sache die Du hier voran treibst... weiter so.
Ich hatte ja für UweH`s seinem "Dispar" das CAD gemacht... und bei dem "Krummholz mit je 3 Klappen pro Seite mussten die Scharnierlinien auf jedenfall "gerade" sein.
Deshalb war auch das "Skelett" der Scharnierlinien die Basis für das ganze CAD Modell. Auf den Linien wurde alle "Rippen" mit der örtlich nötigen Schränkung "aufgefädelt".
Siehe Bild, hört sich schlimmer an als es ist... und geht mit jedem Strak und jeder Geomtrie.

Frohes Auslegen,
Jörg

 

[Hans Rupp]

Hallo,

wenn man alle Rippen an der Schanierlinie auffädelt, ist das Problem an der Scharnierlinie gelöst und man verlagert die Welle in die Nasenleiste und damit vordere Trennebene, was an sich kein Problem darstellt, optisch wird man das kaum siehen. Wir wollten es eben nicht,weil wir befürchteten dass es sichbar sein würde. Hängt vom Ausmaß der Welle ab. Nach hinten raus entsteht auch eine Welle, aber das ist in homöpathischen Ausmaß und damit erstens vernachlässigbar und daher nicht sichtbar und zweitens bei hinten offenerer Form wie bei uns sowieso egal.

Genau kann ich das nicht mehr sagen, da es in der 3D Modellierung von SolidEgde sichbar wurde und von Martin im CAD-Modell gefixt, ich habe damals die Profildaten iterativ angepasst, bis seine CAD-Kurven hinreichend stetig verliefen.

Hans

 

[Jojo26]

Am Leitwerk: JX-E

Nachdem die Designarbeiten an den neuen Flächen mit dem Profilstrak JS-GS langsam fortschreiten, wandern die Gedanken bereits Richtung Leitwerk und dessen Auslegung...

Schnell könnte man geneigt sein, das Leitwerk, die kleinen Leitwerksflächen als etwas Nebensächliches abzutun. Als Profil kommt ein symmetrisches NACA0009 drauf – und gut ist. Die Musik spielt sowieso an den Tragflächen.

Bei näherer Betrachtung wird allerdings schnell klar, welch wichtige Rolle das Leitwerk für die Gesamtleistung des Modells spielt. Die besondere Aufgabenstellung in Verbindung mit den geringen Re-Zahlen am Leitwerk, führte schon früh zur Entwicklung von speziellen Höhenleitwerksprofilen, die für diese Aufgabe optimiert sind.

Inzwischen gibt es eine Reihe hervorragender und bewährter Profile wie

- HD801 von Hannes Delago
- HT14 von Mark Drela
- S8025 von Michael Selig
- TP29 von Thierry Platon
- und weitere ...

Welches Profil ist nun aber das richtige, das „beste“ für den geplanten F3F-Einsatz? Welche Kriterien sind bei der Auswahl anzulegen?

Als ich mir eine Kriterienliste erstellte, diese bei den vorliegenden Profilen anwendete, war ich mit dem Ergebnis noch nicht wirklich zufrieden: Entweder war das Profil zu schnell (für höhere Re-Zahlen ausgelegt), zu langsam (für niedere Re-Zahlen ausgelegt), zu dick, zu dünn …

Da gab’s nur eins: Xoptfoil-JX und der Partikel-Schwarm mussten nochmal ran.

Entstanden ist dabei ein kleiner Profil-Strak bestehend aus 2 Profilen für ein Höhenleitwerk: JX-E
(„E“ steht dabei für „Elevator“)

Bevor die beiden Profile ein wenig beleuchtet werden, soll zunächst die zu Grunde liegende Kriterienliste erläutert werden.


Anforderungen an ein Höhenleitwerksprofil

Geschwindigkeit und Re-Zahl-Bereich

Die Profile sollen in einem Geschwindigkeitsbereich von 20-40m/s richtig gut, darunter und darüber noch ordentlich funktionieren. Bei einer Flächentiefe an der Wurzel von 125mm ergibt sich ein Re-Zahl-Bereich von ca. 150.000 - 350.00. An der Flügelspitze mit 75mm hat man dann noch einen Re-Zahl-Bereich zwischen ca. 100.000 - 200.000.

Maximaler Anstellwinkel

Das Höhenleitwerk sollte möglichst alle „Turnereien“ des Modells ohne Strömungsabriss mitmachen können. Insbesondere sollte es den maximalen Anstellwinkel der Tragfläche problemlos verkraften können.

Durch die geringe Streckung des Höhenleitwerks vermindert der induzierte Anstellwinkel den effektiven Anstellwinkel günstigerweise um bis zu 2 Grad (bei hohen Anstellwinkeln). Zusätzlich liegen zumindest Teile des Höhenleitwerks im Abwindfeld der Tragfläche und führen zu einer weiteren Reduzierung.
Als maximaler Anstellwinkel für das Profil wurden daher moderate 10 Grad als ausreichend angesetzt.

dca / dalpha und das „Tote Band“

Die wichtigste Aufgabe des Höhenleitwerks: Auf Änderungen des Anstellwinkels mit einer Auftriebsänderung zu reagieren um das Flugzeug entgegen der Drehbewegung um die Querachse zu stabilisieren. Theoretisch, bzw. in einer reibungsfreien Strömung, reagieren alle Profile mit der gleichen Auftriebsänderung auf eine Änderung des Anstellwinkel - dca / dalpha = const.

In einer reibungsbehafteten Strömung mit seinen Turbulenzen, Blasen und Ablösungen geht diese lineare Abhängigkeit dann zum Teil verloren. Im ungünstigsten Fall bewirkt eine Änderung des Anstellwinkels nur eine geringe oder sogar keine Auftriebsveränderung. Wir befinden uns dann im „Deadband“. Die Ursache hierfür liegt an zwei laminaren Ablöseblasen, die sich an der Hinterkante eines symmetrischen Profils oben und unten „häuslich niederlassen". Je nach Profil wandern diese Blasen bei einer Anstellwinkeländerung vor und zurück, verändern damit die Profilkontur und damit den Auftrieb.

Eine gute, weitergehende Erläuterung mit schönen Abbildungen ist beispielweise hier zu finden:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936115001260?via=ihub

Ziel bei der Profilentwicklung sollte daher sein, diesen Effekt zu vermeiden um ein sensibles Ansprechen des Höhenleitwerks sicherzustellen.

Profilwiderstand

Während man bei einer Tragfläche den Profilwiderstand noch (zähneknirschend) in Kauf nimmt – schließlich bekommt man dafür auch Auftrieb zum Fliegen – würde man sich für das Höhenleitwerk eigentlich Null-Widerstand wünschen, zumindest im Hauptarbeitsbereich von +- 1-2 Grad Anströmwinkel. Null-Widerstand geht nicht, aber ein gutes Profil sollte speziell in diesem Bereich auf minimalen Widerstand ausgelegt sein.

Rudereinsatz

Was bereits bei einer Anstellwinkeländerung über „Deadband“ geschrieben wurde, gilt auch für die Wirksamkeit des Höhenruders. Im Hauptarbeitsbereich sollte geringste Ruderausschläge zu einer Auftriebsveränderung führen und nicht weggedämpft werden.

Größere Ausschläge führen zu einer etwas verqueren Situation: Ein Ruderausschlag nach unten erhöht den Auftrieb, das Modell dreht sich „auf den Kopf“, der Anstellwinkel wird verkleinert bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt. Aus diesem speziellen Sachverhalt konnte ich allerdings kein Optimierungsziel ableiten – außer dass das Profil bei größer werdenden Ruderausschlag und entgegengesetztem Anstellwinkel keine Auffälligkeiten zeigen sollte.

ncrit

Wie auch beim Hauptstrak JX-GS sollte die Höhenleitwerksprofile mit ncrit=7 gerechnet und den "turbulenten Verhältnissen" zumindest ein wenig Rechnung zu tragen (Eine ausführliche Diskussion zu „ncrit“ findet sich bei den Erläuterungen zu dem Strak JX-GX).


Der kleine JX-E Strak

Nach einigen Iterationsrunden mit Xoptfoil-JX sind die beiden Profile JX-E-250 und JX-E-150 entstanden:

Profil	Dicke (bei) Symmetrisch​	Ausgelegt für Re-Zahl​	Anmerkung​
JX-E-250	8,0% (24,9%)​	150.000 – 350.000​	Wurzelprofil mit Mindestdicke​
JX-E-150	7,5% (21,5%)​	100.000 – 200.000​	An der Flächenspitze​

Im Zusammenspiel decken sie den erforderlichen Re-Zahl-Bereich am Höhenleitwerk ab:



Die Profil-Eigenschaften lassen sich am besten im Vergleich mit anderen Höhenleitwerksprofilen bewerten:



Bei Re = 350.000 spielt das auf höhere Geschwindigkeiten ausgelegte HD801 seine Stärken aus und punktet mit niedrigstem Widerstand, der allerdings nur in einem schmalen Bereich verfügbar ist.
Das JX-E-250 schiebt sich mit zunehmenden Re-Zahlen vor die eher „langsamer“ ausgelegten TP29 und HT14, die dafür ein hohes ca-max (alpha-max) liefern.

Bei Re = 100.000 bricht das HD801 bereits „widerstandsmäßig“, gleichzeitig entsteht ein „deadband“ (gut zu sehen in der cl(alpha) – Kurve zwischen -0,5 und +0,5 Grad)
JX-E-150, HT14 und TP29 sind bei dieser Re-Zahl praktisch gleich in ihrem Verhalten. Die etwas geringere Dicke des JX-E-150 im Vergleich zu den beiden anderen Vergleichs-Profilen ergibt einen Hauch weniger Widerstand.

Fazit: Das hervorragende TP29 legt die Messlatte ziemlich hoch. Das JX-E-Tandem kann über einen größeren Re-Zahl-Bereich noch ein bisschen Leistung „herausquetschen“. Als kleinen Bonus erhält man, zumindest an der Wurzel, ca. 15% mehr Rudersteghöhe.

Im Anhang die beiden JX-E – Profile …

Viele Grüße

Jochen

 

[Modellflieger0]

Ich bin zwar kein Profilspezialist sondern nur ein ganz normaler Modellflieger, finde aber die Sache mit dem Hlw. schon auch wichtig und gut, das sich jemand damit wissenschaftlich befasst und seine Erkenntnisse für jeden zur Verfügung stellt.

Eine Frage hätte ich dazu, diese beiden Profile fürs Höhenleitwerk, bringen die messbar einen Geschwindigkeitszuwachs? Gibt es da schon konkrete Messergebnisse.

Roland

 

[Tern]

Hallo Jochen, zunächst besten Dank für Deine Arbeit.

Aus Erfahrung weiss ich, dass die Verbesserung des TP29 wirklich schwierig ist.
Halte dieses für das aktuell beste frei zugängliche F3F Höhenleitwerksprofil.

Ein wichtiger Punkt beim Leitwerk ist, dass es verschiedene Flugzustände gibt, die dem Leitwerk einiges abverlangen.
So muss das Leitwerk in der Regel an einem F3F Flieger bei mittleren bis höheren Flügel cA (in den Wenden, beim Pumpen) Auftrieb liefern bei kleinem (Schnellflug geradeaus) Abtrieb.

Das heisst auch, dass das entwölbte Profil in der Lage sein muss Auftrieb zu erzeugen.
Das ist etwas paradox weil wenn wir ziehen, das Profil entwölbt wird, gleichzeitig aber Auftrieb verlangt wird, um den Momentenhaushalt im Gleichgewicht zu behalten.
Dieser Aspekt sollte in einer Optimierung berücksichtigt werden, da F3F ein Wendenwettbewerb ist.
Hier punktet meiner Meinung nach ein etwas aufgedicktes (8%) TP29.

Aus der Praxis:
Ich fliege ein 8% dickes TP29 auf meinem Flieger.
Auffallend zu anderen (zBsp. HD801) ist, dass die Stabilitätsreserven im oberen Teil des F3F typischen Start-Pumpens höher sind.
Das ermöglicht dann auch weiterhinten liegende Schwerpunkte und ist dadurch fehlertoleranter beim Ballastieren.

Gruss
Markus

 

[rc-volkslogger]

Hallo Jochen,
nach einem kurzen Vergleich mit den neuen Daten von Dir, bestätigen sich ja auch meine Versuche vor einigen Jahren ...
Damals DG Freestyler Projekt mit modifizierten HT14 fürs Höhenruder ...

Da ich die DG von Thomas übernommen habe und gerade Überhole und Aufrüste freut mich das natürlich um so mehr.

Einen herzlichen Dank natürlich für Deine Bemühungen
Gruß Martin

 

[Jojo26]

Eine Frage hätte ich dazu, diese beiden Profile fürs Höhenleitwerk, bringen die messbar einen Geschwindigkeitszuwachs? Gibt es da schon konkrete Messergebnisse.

Hallo Roland,

... ich kenne diesbezüglich keine Messungen. Denke aber, dass wenn man gaaanz fest daran glaubt, man auch einen Geschwindigkeitszuwachs feststellen bzw. messen kann Im Ernst: Mögliche Optimierungen bewegen sich bei den heute sehr ausgereiften Profilen und Designs im untersten Prozent- oder Promillebereich. Am Ende ist es die Summe vieler kleiner, zum Teil aufwändiger Verbesserungen, die zu einer spürbaren Veränderung führen.

Beim Höhenleitwerk(s-Profil) ist sicherlich der Einfluss auf die Flugmechanik - siehe auch Markus' Beitrag - wichtiger.

Aus Erfahrung weiss ich, dass die Verbesserung des TP29 wirklich schwierig ist.
Halte dieses für das aktuell beste frei zugängliche F3F Höhenleitwerksprofil.

Hallo Markus,

... ja, ganz bestimmt! Thierry hat hier tolle Arbeit geleistet. Unter ca. Re=200k ist es die Instanz. Darüber können Re-Zahl angepasste Profile Vorteile bringen ...

Ein wichtiger Punkt beim Leitwerk ist, dass es verschiedene Flugzustände gibt, die dem Leitwerk einiges abverlangen.
So muss das Leitwerk in der Regel an einem F3F Flieger bei mittleren bis höheren Flügel cA (in den Wenden, beim Pumpen) Auftrieb liefern bei kleinem (Schnellflug geradeaus) Abtrieb.

... das hab ich noch nicht verstanden. Weshalb bei höherem Flügel ca Auftrieb? Um zu einem höheren ca zu kommen, muss das Leitwerk doch zunächst "Abtrieb" erzeugen ...

Das heisst auch, dass das entwölbte Profil in der Lage sein muss Auftrieb zu erzeugen.
Das ist etwas paradox weil wenn wir ziehen, das Profil entwölbt wird, gleichzeitig aber Auftrieb verlangt wird, um den Momentenhaushalt im Gleichgewicht zu behalten.
Dieser Aspekt sollte in einer Optimierung berücksichtigt werden, da F3F ein Wendenwettbewerb ist.

... mit "entwölben" meinst Du bei den symmetrischen Profilen "Ruder im Strak"?
Ja, das "Paradoxe" versuchte ich auch zu beschreiben. Das Zusammenspiel von Ruderauschlag und Anstellwinkel ist gerade entgegengesetzt zu den Überlegungen, die man bei Tragfläche und Flap anstellt... also z.B. negativer Anstellwinkel zusammen mit positiven Klappenauschlag.

Ich hatte einige Klappenpolare mit TP29 und JX-E durchgerechnet, aber hier nicht wirklich "Angriffspunkte" für eine Optimierung gesehen.

Aus der Praxis:
Ich fliege ein 8% dickes TP29 auf meinem Flieger.
Auffallend zu anderen (zBsp. HD801) ist, dass die Stabilitätsreserven im oberen Teil des F3F typischen Start-Pumpens höher sind.
Das ermöglicht dann auch weiterhinten liegende Schwerpunkte und ist dadurch fehlertoleranter beim Ballastieren.

... klasse und danke für Den Praxis-Input! Was Du beschreibst, kann man förmlich in den Polaren von TP29 und HD801 mitlesen.
(es ist schön, wenn ausnahmsweise Theorie und Praxis einmal zusammenfallen )

nach einem kurzen Vergleich mit den neuen Daten von Dir, bestätigen sich ja auch meine Versuche vor einigen Jahren ...
Damals DG Freestyler Projekt mit modifizierten HT14 fürs Höhenruder ...

Hallo Martin,

... Du hast es halt einfach drauf!

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Jochen