- Hitch Hiker - ein gepfeilter DLG Nurflügler mit Flächenverwindung und aktiver Gierdämpfung

Hallo zusammen,


ich möchte an dieser Stelle mein aktuelles Projekt vorstellen und in der kommenden Zeit über Baufortschritte berichten.

Ein besonderer Dank geht an dieser Stelle auch an Michael Bensch von workbensch.de für die Planung und Durchführung der Fräsarbeiten, wobei durchweg eine hervorragende Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erzielt wurde.

Zur Veranschaulichung des Konzepts hier erstmal ein paar Bilder aus dem CAD:

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Fluglage bestes Gleiten direkt von Vorne

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Winglet in Startkonfiguration


Das Modellkonzept:


Der Start

Der Wurfpin ist in die Endleiste der Winglets eingestarkt, da die Leitwerke nur mit Federkraft, um eine Drehachse auf ihren Anschlag zur Flugzeugmitte hin gezogen werden, lässt sich der Pin greifen in dem ein Winglet mit den Fingerkuppen etwas verdreht wird. Während des Schleuderwurfs macht das andere Winglet, durch die auftretende Fliehkraft, einen starken Seitenruderausschlag, der auch nach Freigabe des Modells noch für eine gewisse Zeit aufrecht erhalten wird. Hierfür ist eine Mechanik, aus Federn und Trägheitsmassen vorgesehen, mit der die richtig Aufhaltedauer eingestellt werden kann. So sollte, trotz des geringen Leitwerkvolumens, ein effizienter Start möglich sein, denn durch die Wurfpinposition deutlich hinter dem Schwerpunkt entsteht beim Abwurf ein stark schiebender Flugzustand, welcher durch den Widerstand des äußeren Winglets noch verstärkt wird. Der Drehimpuls des Modells weist zunächst also in die richtige Richtung um einen schiebefreien Zustand zu erreichen. Gleichzeitig hat das äußere Winglet direkt nach dem Abwurf einen deutlich erhöhten Hebelarm und wirkt der Drehbewegung also nicht nur durch Widerstand, sonder auch mit Auftriebserzeugung entgegen.

Wie ein Drehwurf trotz Griffposition hinter dem Schwerpunkt stabilisiert werden kann, wird im Abschnitt „elektronische Stabilisierung“ unter Punkt 3 beschrieben.


Warum Flächenverwindung

Nurflügler haben normalerweise das Problem, dass Höhenruderausschläge gleichzeitig wie unvorteilhafte Wölbklappenstellungen wirken. Bei Modellen mit geringer Längsstabilität ist dieser Effekt dank kleinerer Ruderausschläge weniger ausgeprägt. Für einen kleinen Thermiksegler empfinde ich eine hohe Eigenstabilität aber als deutlich angenehmer. Die Flächenverwindung ermöglicht es theoretisch, zusammen mit einer starken Pfeilung und einem übereliptischen Flächengrundriss, eine nahezu optimale Auftriebsverteilung über den gesamten Auftriebsbereich zu realisieren, ohne dafür hohe Profilwiderstände in Kauf nehmen zu müssen. Beim Hitch Hiker ist die Flächenverwindung nur bis zu etwa 2/3 der Halbspannweite vorgesehen. Im Langsamflug, also dann wenn es besonders entscheidend ist, ist die Auftriebsverteilung ziemlich elliptisch, außen natürlich etwas erhöht wegen der Winglets. Beim besten Gleiten sind die Flächenenden hierfür etwas zu stark geschränkt, was die maximale Gleitzahl zwar etwas verringert, dafür aber für leicht negative Werte beim induzierten Widerstand im Außenflügel sorgt, wodurch geringere Seitenruderausschläge im Kurvenfug benötigt werden. (Anleihen an einer Hortenglocke) Im Schnellflug (CA 0) reichen die Auftriebsbeiwerte von CA 0,1 an der Wurzel bis – 0,2 am Außenflügel. Ein stabiler Flugzustand entsteht hier durch den großen negativen Momentbeiwert des Wurzelprofils. Dieser führt wiederum dazu, das hier auch im Schnellflug noch ein relativ stark gewölbtes Profil (2,14 %) ohne Wölbklappen effizient betrieben werden kann.

Um die Komplexität zu reduzieren, wurde auf den Einsatz von Wölbklappen verzichtet, was sicherlich die größte Schwäche des Konzepts darstellt. Das Modell wurde eher „schnell“ ausgelegt, so dass im Schnell und Normalflug geringe Widerstände erreicht werden, allerdings ist schon bei etwa CA 0,85 für den Gesamtflügel Schluss, weshalb in der Thermik etwas schneller, bzw. steiler gekreist werden muss. Auf der anderen Seite sorgt die Flächenverwindung auch bei „Querruderausschlägen“ für eine deutlich weniger schädliche Verzerrung der Auftriebsverteilung bzw. des induzierten Widerstands, als bei Klappenausschlägen und auch der Profilwiderstand bleibt annähernd gleich. Das führt dazu, dass häufiges Ändern der Schräglage oder Kurvenwechsel mit geringer Widerstandszunahme möglich sind. Es wird also ein dynamischerer Flugstil belohnt. (Jedenfalls ist das die Hoffnung) Außerdem werden so Pilotenfehler durch falsche Klappenstellungen ausgeschlossen 🥸


elektronische Stabilisierung


1. Dämpfung um die Querachse

Berechnungen mit XFLR5 haben gezeigt, das durch einen schiebenden Flugzustand ein aufrichtendes Nickmoment erzeugt wird, zusammen mit der geringen Nickdämpfung lässt diese Eigenschaft ein unruhiges Flugverhalten um die Querachse erwarten. Um dem entgegen zu wirken ist der Einsatz eines Flächengyros mit Dämpfung auf dem Höhenruder vorgesehen. Die Flächenverwindung wird über eine torrsionsweiche Tragfläche und ein Torrsionssteifes Cfk Rohr (10/8 mm Durchmesser 45 grad gewickelt) realsiert, welches wurzelseitig angelenkt wird. Um Bauraum und Servokraft einzusparen sind der Drehwinkel des Flügels und der Servoweg nicht linear miteinander miteinander gekoppelt, das führt allerdings dazu, dass ein einfacher V-Mischer nicht ausreicht um Quer und Höhenrudersteuerung sauber voneinander zu trennen. Das Problem kann gelöst werden, indem die PWM Signale die, unter der Annahme einer Parallelogrammsteuerung, aus dem Flächengyro kommen, mit Hilfe eines Arduinos an die modellspezifische Kinematik angepasst, und erst dann an die Servos weitergeleitet werden.

Wenn man schonmal dabei ist...

Wahrscheinlich macht es Sinn den Flächengyro auch selbst zu bauen, um noch die folgenden Funktionen integrieren zu können. Für die gesamte Stabilisierungseinheit werden dann neben dem richtigen Code 🙈 nicht viel mehr als ein Arduino und ein paar Beschleunigungs und Drehratensensoren benötigt.


2. Künsliche V-Form

Das Modell hat eine stark negative V- Form. Diese wurde so gewählt, dass das Schieberollmoment gerade noch positiv ist. Deshalb hat das Modell nur eine sehr schwach ausgeprägte Tendenz „richtig rum“ zu fliegen. Es muss also ständig mit dem Querruder die Schräglage korrigiert werden. (etwa wie bei einem Brettnurflügler ohne V-Form) Diese Entscheidung wurde so getroffen um eine Taumelschwingung im Langsamflug zu vermeiden, die zu befürchten ist beim Zusammenspiel von geringer Rolldämpfung (wenig Streckung, schwere Außenflügel) und hohem Schieberollmoment (positive Pfeilung, positive V-Form) (Dieses Phänomen wurde von Helmut Quabeck auf seiner Homepage ausführlich am Beispiel seines RidgeRunners beschrieben.)

Beim Hitch Hiker dürfte daher folgendes passieren: Das Absinken eines Flügels führt wegen einer nun seitlich zur Flugrichtung gerichteten Auftriebskomponente zunächst zu einem Schiebezustand, wegen des geringen Schieberollmoments aber kaum zu einem selbständigen Wiederaufrichten, stattdessen wird der Schiebeflug durch die Winglets in einen Kurvenflug umgewandelt. Ein Drehratensensor um die Hochachse liefert hier also den wichtigsten Datensatz um das Modell mit Hilfe von Querruderausschlägen geradeaus, und nebenbei auch aufrecht fliegen zu lassen. Diese Herangehensweise hat gegenüber einer direkten Messung und Anpassung der Schräglage den Vorteil, dass keine absolute Orientierung im Raum hergestellt werden muss, und ein plötzliches heben einer Tragfläche, etwa durch Thermik, nicht sofort weggesteuert wird, sondern über den daraus resultierenden Kurvenflug erst etwas später, (Massenträgheit entlang der Querachse + Trägheitsmoment um die Hochachse (ein Zeitversatz bei Gegensteuermaßnamen kann diesen Effekt natürlich noch verstärken)) Thermik sollte also trotz erhöhter Eigenstabilität noch deutlich angezeigt werden.

Anders als bei einem konventionellen Segler mit großer V-Form bleibt hier aber dank des kleinen Schieberollmoments die Eigenschaft erhalten, Kurven sehr effizient auch ohne den Einsatz des Seitenruders zu fliegen zu können, wodurch Widerstand gespart werden kann. (Eine Seitenruderanlenkung ist trotzdem vorgesehen, allerdings nur auf der kurveninneren Seite.)


3. Die Startphase

Wegen der weit hinten liegenden Wurfpinposition vermute ich, dass die Fluglage während des Drehwurfs ohne weitere Stabilisierungsmaßnahmen nur schwer oder gar nicht zu kontrollieren ist. Eine elektronische Startoptimierung könnte etwa nach folgendem Schema ablaufen:

Der Startmodus wird an der Fernsteuerung aktiviert, und gleichzeitig alle anderen Servobewegungen unterdrückt. Ab dem Erreichen einer bestimmte Fliehkraft wird der Anstellwinkel des Modells stabilisiert, indem eine Drehrate um die Querachse von 0 und eine bestimmte Höhenruderstellung als Idealwert gelten. Bei einer Priorisierung von kleiner Drehrate vor kleiner Ruderabweichung, können beide Werte näherungsweise durch Höhenruderausschläge erreicht werden. So soll nicht nur für eine Stabilisierung, sondern auch für kleine Auftriebsbeiwerte gesorgt werden. Nach dem anschließenden Abfall der Fliehkraft, wird eine zügige Drehung um die Querachse um ca. 80 Grad veranlasst. Danach wird Kurs gehalten. Aus der Drehrate, und der gleichzeitig auftretenden G-Kraft direkt nach dem Abwurf lässt sich relativ genau die Abwurfgeschwindigkeit errechnen, der wiederum ein Zeitpunkt für das Einleiten des Abfangmanövers zugeordnet werden kann. Dieses beginnt frühzeitig, um mögliche Störgrößen zu berücksichtigen. Hierzu wird die Nase wieder etwas gesenkt und erneut Kurs gehalten. Da das Modell nun wieder Auftrieb erzeugt, kann die Höhenruderstellung beim diesem Manöver Aufschluss über die Fluggeschwindigkeit geben. Sobald für das Kurs halten ein neutraler Höhenruderausschlag benötigt wird, deaktiviert sich der Sartmodus von selbst und das Modell fliegt eigenständig einen Abfangbogen. Natürlich kann der Startmodus jederzeit auch durch das Loslassen des Startkopfs verlassen werden.


Der aktuelle Stand

Die folgenden Bilder zeigen die Frästeile nach dem Entfetten ohne weitere Nacharbeit
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Asymmetrische Flächenteilung. Hier die beiden Oberschalen. Der Trennfugenspalt als Turbulator wirkt sich wegen der kleine Re-Zahlen und der großen Profildicke im Wurzelbereich laut Berechnungen kaum negativ auf das beste Gleiten aus. Leichter Widerstandszuwachs wird erst im Schnellflug spürbar. Ein Teil des Spalts ist symmetrisch zur Flugzeugmitte angeordnet, hier ist ein Turbulator gewollt, im weiteren Bereich wird er in Kauf genommen.


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Viele kleinere Bauteile wurden auf einem Vakuumtisch gemeinsam aus einem Block gefertigt. Um sie zu vereinzeln werde ich als nächstes die Stege mit einem Bohrer perforieren und dann von der Rückseite aus, den Löchern folgend, mit einer Stichsäge die entsprechenden Segmente heraustrennen. Anschließend wird gefeilt, geschliffen und zum Teil poliert. Einige Elemente werden dauerhaft mit den Flächen und Leitwerksformen verschraubt. Sie wurden einzeln gefertigt um die Fräsbarkeit der Geometrie zu gewährleisten. Andere dienen als eigenständige Formwerkzeuge für die Einbauten.

Die Planung ist also weitgehend abgeschlossen und demnächst werden sicherlich weitere Fortschritte sichtbar. Da ich gerne langsam arbeite wird der nächste Post mit Sicherheit nicht so lang 😉 Ratschläge und Kommentare sind natürlich jederzeit willkommen.


Liebe Grüße
Arne
 

fiepsi

User
Erinnert mich an den "Little Wing" von Christian Behrens .
Jedenfalls ein sehr interessantes Projekt! 👍


Grüße, Michael
 

v.p.

User
Hey,
Interessantes Projekt.
Aber wenn ich mich Recht erinnere sind Gyros im F3K Wettbewerb verboten.
Für den Alltagsflugbetrieb aber sicher nen interessanter Flieger 👍😁

Beste Grüße
Max v.P.
 

Dix

User
Im Langsamflug, also dann wenn es besonders entscheidend ist, ist die Auftriebsverteilung ziemlich elliptisch, außen natürlich etwas erhöht wegen der Winglets.
Habe ich da etwas falsch verstanden, oder ist das die Garantie für eine Oberzicke?

Außen etwas erhöhter Auftrieb
- heißt Abriß dort zuerst.
- heißt hinter dem Schwerpunkt.
- heißt aufnicken.
- heißt Anstellwinkelvergrößerung
- heißt der Abriss verteilt sich auf dem ganzen Flügel...

?:confused:
 
Bei den ganzen Sensoren und dem integrierten Arduino wäre es ja auch noch eine Möglichkeit das ganze Modell mit einem autonomen Soaring Programm auszustatten.
Dann wäre es sehr witzig mit dem Flieger bei starker Thermik wandern zu gehen. - jeder bekommt einen Waypoint. - und so lange man in LIne of Sight ist sollte das noch nicht mal illegal sein.
 
Danke für das feedback 🙂
@Dix Mit "außen etwas erhöht" meinte ich, dass die Winglets auch an den Flügelspitzen noch für etwas Auftrieb sorgen. Bei einer elliptischen Auftriebsverteilung müsste der Wert hier gegen null gehen. Für genügend CA max. Reserven am Außenflügel ist gesorgt, so dass ein Strömungsabriss in der Mitte beginnt, also auch vor dem Schwerpunkt. Das Überziehverhalten sollte deshalb sehr gutmütig sein.
@v.p. Auf Wettbewerben wird man damit sicherlich disqualifiziert, dass die Spannweite beim Start zeitweise mehr als 1,5m beträgt könnt auch problematisch sein. Beim Nasenradius >5 mm müsste ich nochmal nachmessen 😅
 

UweH

User
Mit "außen etwas erhöht" meinte ich, dass die Winglets auch an den Flügelspitzen noch für etwas Auftrieb sorgen. Bei einer elliptischen Auftriebsverteilung müsste der Wert hier gegen null gehen.
Hallo Arne,

bitte nicht Auftriebs(beiwerts)verteilung und Zirkulationsverteilung durcheinander schmeißen. Idealerweise ist die Auftriebsbeiwertsverteilung nicht elliptisch, sondern möglichst füllig und fällt erst sehr weit außen relativ steil ab. Damit beginnt der Abriß zuerst am Innenflügel während der Außenflügel noch Auftriebsreserve hat und das Flugzeug damit steuerbar bleibt.
Idealerweise elliptisch ist die Zirkulationsverteilung, die umgangssprachlich oft auch als Auftriebsverteilung bezeichnet wird um sie leichter mit der Auftriebsbeiwertsverteilung verwechseln zu können:p Dabei ist die Zirkulationsstärke am Randbogen immer Null weil wo kein Flügel mehr ist hat er auch keine Zirkulation.
Die Problemzone beim Wingletpfeil ist die Oberseite des Wingletfußes am Knick, wo sich Wingletzirkulation und Außenflügelzirkulation überlagern.

Ich finde das Projekt sehr interessant, aber beim Anblick der aufwändigen Aluformen für dieses experimentell sehr stark "belastete" Modellkonzept bekomme ich schon irgendwie Angst....

Ich drücke Dir die Daumen dass Deine Überlegungen aufgehen und der Aufwand tatsächlich zu einem praxistauglichen Modell führen 👍

Gruß,

Uwe.
 
Hallo Arne!

Da hast Du Dir ja ganz schön etwas vorgenommen.
Bewegliche Winglets, Flächenverwindung, elektronische Stabilisierung usw. integriert in einen 150 cm spannenden Nurflügel mit einer Abflugmasse die wahrscheinlich nicht über 280 Gramm liegen soll.

Folgende Punkte würde ich bedenken:

- Die Torsionssteuerung benötigt entweder eine elastische Flügelschale mit eine Vielzahl von Anlenkungspunkten oder bei wenigen Anlenkungspunkten stabile Nasen.- und Endleisten zwischen denen ebenfalls eine elastische Flügelschale liegt.
- Die Profiltreue leidet in beiden oben genannten Fällen durch Ausbeulen bzw. Einfallen der Flügelschale (kennt jeder der jemals einen bespannten Rippenflügel verdrillt hat)
- Für halbwegs brauchbare "Ruderreaktionen" sind im Langsamflug sehr große Verdrillwinkel nötig.
- "Querruderausschläge" bei Flächenverwindung heben die Schränkung einseitig auf und machen damit Probleme beim Ausleiten speziell von langsamen Kurven.
- Die am kurveninneren Winglet ausgeschlagenen "Seitenruder" sind nur zum Einleiten von Kurven (Abbremsen des Innenflügels) geeignet. Ab einer sehr moderaten Schräglage ist das Ausleiten einer Kurve mit solchen Rudern nicht mehr möglich.
- Beim Beschleunigen muss das äußere Winglet rund 30° nach außen schwenken, damit es auch nur einigermaßen widerstandsarm angeströmt wird.
- Der derzeitige DLG-Trend hin zu sehr schlanken Flügelenden ermöglicht erst die Beschleunigung derselben auf jenseits von 250 km/h und damit die heute üblichen Wurfhöhen. Ein Winglet am Flügelende bremst die Drehbewegung gleich zweifach, durch seine Masse und, selbst wenn es dem Schiebewinkel entsprechend eingestellt wird, natürlich auch aerodynamisch.
- Bei Winglets die nach unten stehen passiert so etwas natürlich auch leichter:

LG Franz
 
Zuletzt bearbeitet:
@UweH Danke fürs Daumen drücken! ☺
@keep-res-simple Die Beulsteifigkeit und gleizeitige Felxibilität um die Torrsionsachse soll dei der Tragfläche duch einen massiven Schaumkern und eine Faser(gelege)ausrichtung von 90 Grad zum Holm erreicht werden.

Das sowas fliegen kann wurde hier schonmal beschrieben. Natürlich habe ich diese wertvollen Erfahrungsberichte in meine Überlegungen einfließen lassen.

Ein Start sollte eher so aussehen. Wobei ich natürlich hoffe, das Pendeln etwas reduzieren zu können.

LG
 

UweH

User
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