Probleme mit Längststabilität bei Selbstkonstruktion (H101 Salto 3m)

[andrecillo]

Hallo,

ich habe endlich nach vielen Arbeitstunden einen semiscale H101 Salto 3m Spannweite fertig bekommen. Ich habe den aus Holz mit Rippenflächen gebaut.




Die Grunddaten sind:

Spannweite: ca. 3m
Flügelfläche: 50 dm²
Profil: HQ/ACRO-1,5/12 (Cm0= -0.055, Nullauftriebswinkel -2,11grad)
Gewicht: ca. 2.8 kg
Öffnungwinkel LW: 102.5 grad
LW Fläche: 5.7 dm² (nicht projeziert)
Profil: NACA0009
Hebelarm: ca 0.84 m

Heute hat er seinen Jungfernflug hinter sich und zum Glück ohne Rippen oder Holmbrüche, das war aber während des Fluges nicht immer ganz klar. Laut dem Piloten neigte der Flieger bei Tiefe zu Unterschneiden und bei Höhe weiter nach oben zu drehen. Noch dazu hat sich die Madenschraube der Motorwelle nach 20 Sek. gelöst und drei Pole im nigel nagel neuen Brushless durchtrennt (hab den Händler schon eine Reklamationsmail geschrieben).

Nun war die Diagnose das der Schwerpunkt zu weit hinten liegt (Stabilitätsmaß zu gering). Ich bin mir aber leider nicht ganz sicher ob das wirklich das Problem lösen wird.

Ich habe das Programm von Reiner Stumpfs verwendet um die EWD und die SP Lage zu bestimmen. Demnach sollte das Modell ein Stabilitätsmaß von ca. 12% haben bei (2.7 grad EWD und 73 mm SP Rücklage). Beim Jungfernflug hatte ich den SP nochmal 5 mm weiter vorne. Nun ist aber die große Frage wie das Programm mit V-Leitwerke zu bedienen ist. Ich habe nur die Spannweite des LW auf die Horizontalen projeziert. Mark Drela hat eine andere Methode vorgeschlagen um die Flächen zu skalieren (http://www.charlesriverrc.org/articles/design/markdrela_vtailsizing.htm). Damit komme ich zu ganz anderen Ergebnisse bei der SP Berechnung...

Nun habe ich das Gefühl, daß das LW zu klein ist und das Problem nicht einfach mit dem SP gelöst werden kann. In der einen Diskussion um Dimensionierung von Leitwerken, auch von Mark Drela, (http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=585281) wird das sog "horizontale Leitwerksvolumen" als Richtgröße für das LW eingeführt. Demnach sollte diese Größe ca. Vh = 0.3 - 0.6 betragen. Bei meinem Modell liegt es bei 0.33, was vielleicht bei einem größeren Trägheitmoment etwas knapp sein Dürfte.

Was meint ihr dazu? Einfach Blei rein und hoffen, daß der Flieger besser fliegt oder doch lieber das LW neu bauen und etwas größer dimensionieren?

Viele Grüße,

Andrés

 

[MarkusN]

Also das Steuerverhalten klingt schon nach schwanzlastig. Und zwar nicht einfach zu geringes Stabilitätsmass, sondern echt instabil, d.h. Schwerpunkt hinter dem Gesamtneutralpunkt. Und so Daumen mal Augapfel scheint mir das Leitwerk schon arg klein.

 

[GeorgR]

Ja, ja, ich staune immer wieder, dass mit der Vergrößerung des Gewichts vorne ein unterschneidendes Modell nicht mehr unterschneiden soll (Beispiel: aerodesign.de - Siegmann, ich habe es auch schon oft von anderen Modellfliegern gehört).

Das ist nur die halbe Wahrheit. Im Freiflug, wo man nicht in den Flug eingreifen kann, würde es kein Mensch so machen. Gleichzeitig mit der Verlagerung des Schwerpunktes nach vorn muss auch die EWD vergrößert werden, sonst unterschneidet der Flieger erst recht und geht ungespitzt in den Boden. Warum sollte er es nicht tun, wenn er vorn noch schwerer wird?

Das Leitwerk sieht in der Tat etwas klein aus. Ich würde zunächst die EWD vergrößern - das macht man natürlich temporär auch, wenn man am Höhenruder zieht - und den Schwerpunkt weiter nach vorn durch Vergrößerung des Ballasts verschieben.

 

[Naitsabes]

Servus,

würde auch sagen, dass die Beschreibung des Flugverhaltens nach instabil klingt.
2,7° EWD sollte ein ausreichend hoher Wert sein.
Ich würde sagen, du hast recht, und das V-Leitwerk ist zu klein geraten.
Bevor du deine wunderschöne Holzkonstruktion riskierst, würd ich das Leitwerk vergrössern.

Grüße
Andi

 

[Naitsabes]

Hmm, hab mir jetzt mal eine Skizze von dem Flieger angesehen. Ist dein Modell Scale? 73mm SP kommt mir etwas weit hinten vor... muss mal rechnen.
Kannst du mir ein paar Werte geben:
Pfeilung
Flügeltiefe innen und aussen (auch für Höhenruder)
und den Abstand von Nasenleiste Flügelwurzel zu Nasenleiste Höhenruder

Grüße
Andi

 

[MarkusN]

Ja, ja, ich staune immer wieder, dass mit der Vergrößerung des Gewichts vorne ein unterschneidendes Modell nicht mehr unterschneiden soll (Beispiel: aerodesign.de - Siegmann, ich habe es auch schon oft von anderen Modellfliegern gehört).

Eine entsprechende Anpassung der EWD gehört natürlich auch immer dazu. Darüber brauchst Du bei RC aber nicht viele Worte verlieren, weil das mit einem Griff zum Trimmhebel beim Einfliegen getan ist. Freiflug ist da natürlich anders.

 

[Naitsabes]

Servus andrecillo,

hab jetzt mal eine 3 Seitenansicht vom
H101 Salto angesehen. Auch wenn ich den Flügel
ein wenig mehr pfeile, sollte der Schwerpunkt nach meinen Berechnungen bei max.61 mm liegen. Bei 72mm liegt schon der Neutralpunkt. Höhenleitwerk mit Öffnungswinkel wie von dir angegeben, aber die Größe maßstabsgetreu, also schätze sogar kleiner als bei dir.
Wenn du mir die genauen Werte deines Fliegers schreibst, kannst du dir wahrscheinlich den Bau eines neuen Höhenruders sparen.

Liebe Grüße
Andi

 

[Quaxx]

Längsstabilität

Längsstabilität

Hallo Andrés!

Augenscheinlich finde ich das Leitwerk auch sehr klein bei dem Segler. Prinzipiell würde ich auch favourisieren, das Leitwerk zu vergrößern. Ich sehe allerdings noch mehr Probleme als hier bis jetzt aufgezeigt wurden.

Den Angaben zu Folge, die Du gemacht hast, hab ich mal eine Rechnung überschlagen. Wenn man mal einen Auftriebsbeiwert Deines Flügels in Höhe von 1,1 unterstellt, dann kommt man nach Adam Riese auf eine Fluggeschwindigkeit im Gleitflug von etwa 9 m/sec. Die Tiefe von Deinem Leitwerk konnte ich nur gaaanz grob schätzen Pi x Foto... (Nenn sie bitte noch mal); aber wenn ich jetzt mal 80 bis 120 mm am Tip des Leitwerks unterstelle, dann komm ich auf eine Re-Zahl von ungefähr 57.000 bis 77.000. Das ist nicht gerade die Wohlfühl-Reynoldsche Zahl (Re) für ein NACA 0009! Hab mal ein paar Polare berechnet. Mir scheint, dass Dein Leitwerk des öfteren mal im kritischen Re-Zahl-Bereich arbeiten muss. Kann mir schon vorstellen, dass Dein Flieger da Kapriolen produziert!

Die einfachste Abhilfe würde ich darin sehen, Turbulatoren an der Vorderkante des Leitwerks anzubringen. Zackenband dürfte das einfachste sein. Schneller fliegen hilft auch (Wölbklappen negativ; etwas mehr Tiefe trimmen; mehr Ballast an Board (ohne Schwerpunktänderung) erhöht die Flächenbelastung).

Schwerpunktproblem? Kann ich Dir so nicht berechnen - bräuchte mehr Daten. Aber eins vorweg. Wenn Du ein Strömungsproblem am Leitwerk hast und die Schwerpunktvorlage jetzt vergrößerst und die EWD erhöhst, kannste Dir noch mehr Probleme einhandeln, als Du jetzt schon hast. Was nicht heißen soll, dass Du nicht die Schwerpunktvorlage vergrößern musst, wenn Dein Stabilitätsmaß zu klein ist. Dann würde ich aber auf jeden Fall Zackenband ans Leitwerk kleben.

Versuch mit Zackenband oder neues Leitwerk? Die Entscheidung kann ich Dir nicht abnehmen - vor allem, weil ich das Flugverhalten nicht gesehen hab. Deine Re´s am Leitwerk solltest Du aber in jedem Fall berechnen und wenn Du ein neues Leitwerk baust, dann bei zu kleinen Re´s ein anderes Profil verwenden (ggf. Ebene Platte oder mindestens NACA dünner NACA 0007 z. B.). Zuspitzung am Leitwerk würde ich auch verringern.

Holm und Rippenbruch

Quaxx

 

[andrecillo]

Hallo,

Erstmal vielen Dank für eure Antworten. Hier kurz vor der Arbeit die Daten zur Geometrie. Später antworte ich genauer.

LW
Spannweite: 280mm
Wurzelrippe: 130 mm
Endrippe: ca. 75 mm
Pfeilung: ca. 14mm
Öffnungswinkel: 102.5 grad
EWD: 2.7 +- 0.2 grad


Flächenhälfte:
Spannweite 1500 mm
Wurzelrippe: 228 mm
Endrippe: 95 mm
Pfeilung: 34 mm
Winkel zum Rumpf: 5 grad

Rumpfbreite zwischen den Flächen: 120 mm
Rumpfbreite am LW: 22 mm

Abstand von Nasenleiste Flügelwurzel zu Nasenleiste Leitwerk: 845 mm

Ausgesuchter Ca-Wert: 0.7 für beste Gleitzahl damit sollte die Fluggeschwindigkeit ca. 12 m/s betragen.

Viele Grüße,

Andrés

 

[Naitsabes]

OK, sieht die Draufsicht so aus?

 

[Naitsabes]

So ists noch besser, hab das Leitwerk korrigiert...
müsste nun genauso aussehen wie dein Salto.
Und dann ist in der Tat das Höhenleitwerk zu klein! Ist laut Berechnung nicht stabil.

Grüße
Andi

 

[andrecillo]

Hallo Andi,

die Fläche sieht schon super aus, aber beim Leitwerk und Hebelarb stimmt etwas nicht ganz (mit dem Gimp schnell nachgemessen). Siehe:



Deiner Zeichnung nach ist der Abstand Nase-Nase ca. 762 mm und nicht 845mm. Die Projektion des Leitwerks ist auch falsch: 142 mm statt 218 mm = 280 mm * cos (90 - 102.5/2).

Danke,

Andrés

 

[Naitsabes]

OK, Leitwerk hab ich halbiert, kann natürlich nicht stimmen. Das der Abstand Nase -Flügel zu Nase - Leitwerk nicht stimmt, ist interessant - klasse, deine Projektion darüber

Check mal dieses Layout, da ist er nämlich stabil:

Edit: Bitte Bild nicht beachten, unten weiterlesen

 

[pfranz]

Praktische Erfahrungen

Praktische Erfahrungen

Hallo Andrés,

ich kann nicht so gut SP und EWD und Stabilitätsmasse etc. berechnen.

Deshalb teile ich hier mal meine praktischen Erfahrungen mit:

• Einem HQ-Profil mit 1.5 % Wölbung und für Kunstflug, würde ich höchstens 1-1.5° EWD spendieren, sonst läuft das Ding nicht. Heisst also 1-1.5° am Rumpf angestellt und 0° am HLW (so ähnlich würde ich das machen).
• SP für HQ-Proflie bei ca. 1/3 der Flügeltiefe bei Trapezform und gerader T/4-Linie. Sollte für den Salto nicht schlecht sein.
• Der Salto (ich habe selber einen mit ca. 4 m von Valenta) ist ein bisschen eigensinnig mit dem V-Leitwerk. Beim grossen Vorbild solls auch so gewesen sein. Mein Verdacht ist, dass der Öffnungswinkel des V-LTW ev. zu gross ist.
  Die Höhenruderwirkung ist nämlich beinahe unabhängig vom Öffnungswinkel während die Seitenruderwirkung stark mit zunehmendem Öffnungswinkel abnimmt.
  Dadurch ist beim Kreisen mit den Saltos immer viel SR-Einsatz nötig.

Ich hoffe Dir mit meinen pragmatischen, nicht theoretisch fundierten und berechneten Aussagen, etwas weiter geholfen zu haben.
Nicht alle Angaben konnte ich so einfach ohne nachrechnen aus Deinen Angaben wiederfinden.

Grüsse,
Patrick

 

[Naitsabes]

Sorry, vergiss obiges Bild - der Fehler liegt darin, dass man nach ändern eines Parameters das Bild zoomen muss, sonst bleibt es unverändert. Also folgendes sollte deinem Modell entsprechen:

 

[Rainer Stumpf]

Hallo Andres,
du hast mit meinem Programm EWD und Schwerpunkt berechnet. Wenn du die Werte abgespeichert hast, dann schick mir doch einfach mal das File. Den Bildern nach kann ich nur wie meine Vorredner sagen ,das Höhenleitwerk ist zu klein! So 8 - 10% der Flügelfläche sollte der projezierte Flächeninhalt des HLW schon betragen. Die 2,7° EWD sind für ein Akromodell zuviel, das ist schon mehr ein Thermiksegler. 0,5° wären da die bessere Wahl!
Noch was: Legt man den Schwerpunkt weiter vor, dann muss die EWD vergrössert werden und umgekehrt. Ein grösseres Höhenleitwerk verschiebt den Flugzeugneutralpunkt und damit auch den Schwerpunkt nach hinten!

 

[andrecillo]

Hallo,

Ich habe zwei Videos in YouTube veröffentlicht. Da kann man vielleicht erkennen wie das Flugverhalten ist. Man sollte dabei bedenken, daß der Pilot sehr erfahren ist und es sich nicht um Bedienungsfehler handelt. Nochmals hier öffentlich vielen dank an Roland, daß er das Modell wieder heile auf dem Boden bekommen hat!

Start: http://de.youtube.com/watch?v=YOz9y6G00uw

Landung: http://de.youtube.com/watch?v=Sl9kG-q5MRo



@Naitsabes
Nun scheint das bis auf kleine Fehler der Fotoaufnahme zu passen.



Was benutzt Du um die Stabilität zu bestimmen? Ist es für die jetzige Geometrie stabil (mit welchem Stabilitätmaß)?


@Quaxx
Ich habe Heute das mit den kritischen Re-Zahlen analysiert (mit XFoil bzw. XFLR5). Ich habe das Gefühl Du hast recht und das Leitwerk könnte gerade unterhalb der kritischen Re-Zahl liegen. Ich denke allgemein, daß es nicht schaden würde das Leitwerk neu zu bauen, weshalb ich gleich auch besser ein anderes Profil nehmen würde. Da habe ich an den HT14 gedacht, der bei niedrigen Re Zahlen gut funktioniert. Hier ein vergleich der Profile bei kleine Re Zahlen (50 000, sehr langsamer Flug), "normale" Re (70 000, Gleitflug) und etwas größere (100 000, beim Austoben)





Ich hab wohl leider die Farbkodierung ausgeschnitten. HT14 ist gelb und von den anderen beiden ist NACA 0009 der mit mehr Widerstand bei Nullauftrieb (tut mir Leid).

Das HT14 scheint mir in allen drei Situationen besser geeignet zu sein. Der Widerstandkoeffizient Cd ist kleiner als bei NACA 0007 und 0009 um Nullauftrieb. Was ich wichtiger für die Stabilität finde, ist daß der Aufrtiebskoeffizient Cl bei kleinen Anstellwinkel stärker mit dem Winkel steigt. Das Camax ist auch fast so gut wie beim NACA 0009. Was meinst Du dazu?


@pfranz
Danke für deine Tipps. Ich habe im Rumpf absichtlich den Anstellwinkel von der Fläche auf ca. 5 grad gestellt, da das verwendete Profil bei 5 - 7 grad die größte Gleitzahl hat (damit würde der Rumpf mit ca. 2 - 3 grad nach unten geneigt fliegen). Ich kann leider nicht ohne erheblichen Aufwand den Winkel ändern.

Am LW ist das anders, da habe ich eine einfache Einrichtung erstellt die mir erlaubt mit Madenschrauben die Winkel +- 2 grad zu ändern. Nach deinem Vorschlag würde der SP bei 76 mm liegen und das Modell hätte einen Stabilitätsmaß von ca. 6 %, was deutlich unterhalb vom jetzigen liegt (12%), was auch schon zu schwach war. Ich vermute, daß die Trägheit groß ist und somit das Leitwerk einfach überrumpelt wird... Wie stark das Seitenruder beim Kurvenflug benutzt werden musste weiß ich leider nicht. Ich schätze Roland (der Pilot) war mit der Hochachse gut beschäftigt und hatte keine Zeit um drauf zu achten .


@ Rainer
Ich habe Dir eine e-mail mit der Datei geschickt. Die projezierte Leitwertsfläche beträgt knapp 9% der Flügelfläche (nach deinem Programm). Ich denke das das Problem an der Projektion liegt: mit cos(theta) oder mit cos²(theta)? Wie kann ich eigentlich interpretieren wenn das Programm mir für eine Konfiguration ein weites Feld an "stabilen" Cl werten liefert? Ist es gut oder eher schlecht?


@Alle
Ich habe das Gefühl das es ein Problem der dynamischen Stabilität ist. Zwar sollte das Modell genug statische Stabilität haben, aber durch das Trägheitmoment scheint das Leitwerk überfordert zu sein. Da hilft wahrscheinlich nur einen höheren Stabilitätsmaß zu nehmen als man sonst bräuchte... Ich tippe aber auf ein zu kleines Leitwerk. Die Bemerkung von Quaxx, daß das NACA 0009 zu "dick" für die Reynoldszahlen ist, scheint mir berechtigt zu sein. Der Vorteil ist, daß ich das LW sehr leicht abmontieren kann und in 1 oder 2 Tage ein neues LW bauen kann. Ich muß ehe warten bis der Ersatzmotor von Staufenbiel ankommt (übrigens haben sie anstandslos den Motor zurückgenommen).


Nun ist aber die Frage welche Maße soll das neuen LW haben? Das Profil wird HT14 sein, das steht schon mal fest. Nun denke ich über die Drela Formel nach (siehe PDF ), bei der die Fläche nicht mit cos(theta), so wie z.B. Franz Perseke es in seinem Buch vorschlägt, sonder mit cos²(theta) skaliert wird.

Drela hat meiner Meinung nach recht, da sich nicht nur die Auftriebsrichtung, sonder auch der Anstellwinkel durch den Öffnungswinkel ändert. Hier macht es einen Unterschied vom Umrechnungfaktor zwischen V-Leitwerk und ein normales HLW von:

cos(theta) = 0.78 gegen cos²(theta)= 0.6

was 18% Fläche bedeuten. Wenn mein LW zu knapp dimensioniert ist könnte es eine große Rolle spielen. Bei gut dimensionierten LW könnte es einfach nicht auffallen.

Was meint ihr dazu?

Viele Grüße,

Andrés

 

[Quaxx]

Hallo Andrés!

Das HT 14 sieht für mich nur marginal besser aus. Ja, der Auftriebsanstieg ist steiler und das ist besser. Auch das ca-Max ist besser. ABER: Das ca-Max liegt ähnlich wie beim NACA bei ungefähr 7 Grad. Das finde ich für ein Leitwerk nicht akzeptabel. Mich würde es nicht beruhigen, das HT 14 anstatt eines NACA 0009 zu verwenden. Ich würde Dir empfehlen, entweder eine ebene Platte zu verwenden oder aber:

das HT 14 oder NACA 0007
UND
die Re-Zahl deutlich zu erhöhen!

Wenn Du Probleme mit der Anformung an den Rumpf hast und die Wurzeltiefe nicht erhöhen magst, dann verwende notfalls ein Rechteckgrundriss für das Leitwerk. Dann erhöhen sich wenigstens die Re´s am Außenbereich. Die Fluggeschwindigkeit solltest Du dann auch erhöhen, um die Re´s zu erhöhen. Das mit dem Zackenband würde ich unter allen Umständen (außer ebene Platte) einbeziehen, solange alle Re´s nicht immer über 90.000 am Leitwerk liegen.

Hast Du eigentlich ein Pendelleitwerk oder ein Gedämpftes? Im letzten Fall solltest Du bei Polaren auch immer den Klappenausschlag einplanen.

Bei neuer Geometrie am Leitwerk, bendenke, dass bei einer Verringerung der Streckung am Leitwerk die Längsstabilität leidet. Normalerweise würde ich Dir eine Erhöhung der Streckung empfehlen, aber das verträgt sich nicht mit Deinem Re-Problem - es sei denn, Du nimmst ne ebene Platte.

Zur EWD: Jo sie scheint schon groß, ABER:
Bei der EWD sollte man auch immer den Flügelabwind einplanen. Bei nem V-Leitwerk ist der nicht so ausschlaggebend wie beim normalen tief-liegenden Leitwerk. Bedenke, geometrischer ist nicht gleich aerodynamischer Anstellwinkel. Von daher scheint eine große EWD nicht überraschend.

Viel Erfolg beim Basteln

Liebe Grüße

 

[Quaxx]

Hab nochmal über das Profil nachgedacht. Du löst echt Deine Re-Probleme am Leitwerk, wenn Du ne ebene Platte nimmst. Verkrampf Dich nicht darauf unbedingt irgendwelche vermeintlich schönen andere Profile zu verwenden. Nüchtern betrachtet wäre hier die ebene Platte echt erste Wahl! Dann würd ich die Geometrie fast beibehalten und einfach etwas die Spannweite des Leitwerks erhöhen. Fertig ist die Laube und Du löst Deine Probleme.

 

[Quaxx]

Ich sag das jetzt wirklich ungern, aber Deine Problem-Ursachen würde ich nicht nur am Leitwerk und Leitwerkshebelarm suchen. Zumindest im Langsamflug scheint mir, es könnte sein, dass es um die Strömung am Außenflügel nicht unbedingt zum besten bestellt ist. Da wärste mit 8 bis 10 % Dicke besser beraten gewesen als mit 12! Sprunghafte Änderungen des Profilmoments könnte ich mir bei den Strömungsverhältnissen denken. Das könnte auch ne Ursache für Dein Längsstabiltiäts-Problem sein.

Abhilfe: Die jeweiligen 40 cm Außenflügel würde ich mal probehalber mit Zackenband bepflastern. Ansonsten gilt auch hier: Fahrt erhöhen!: Ballast tanken und Betriebs-cA runtersetzen.

Holm- und Strippenbruch