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Aerodynamisch verwunden

Von Karl Horstmann: Sicherlich haben ein paar von euch schon darauf gewartet, ob es denn weitergeht mit dem Entwurf unseres Flächenklappen-Doppelsitzers, der B14. Zuerst sei gesagt: die B14 ist noch nicht fertig, aaaaber wir haben, endlich, einen Designfreeze in dem Entwurf der Flügel- und Profilgeometrie!

Da Nikolas Dasbach sich im letzten Jahr mit dem allgemeinen Profilentwurf beschäftigt hat, konnte ich nun auf seiner Vorarbeit aufbauen und einen vollständigen Satz an Laminarprofilen für den Flügel entwerfen. Einen Satz fragst du? Genau, denn um Flügel optimal an die verschiedenen Anströmbedingungen zwischen Flügelwurzel und -spitze anpassen zu können, werden wir verschiedene Profile verwenden. Dies bezeichnet man auch als aerodynamische Verwindung.

Der offensichtlichste Unterschied zwischen den beiden Bereichen ist sicherlich die Profiltiefe – diese beträgt an der Flügelspitze gerade mal ein Drittel der an der Flügelwurzel. Das hat zur Folge, dass die Strömung dort ablösefreudiger ist, eine äußerst unerwünschte Eigenschaft. Gleichzeitig hat ein Ausschlag der Querruder im äußeren Bereich durch den längeren Hebelarm eine größere Wirksamkeit. Das bedeutet, dass eine Strömungsablösung bewirkt, dass die Querruder nicht mehr so effektiv angeströmt werden und somit die Steuerbarkeit um die Rollachse abnimmt. Das ist gerade bei langsamen Fluggeschwindigkeiten, wie bei der Landung, sehr gefährlich.

Um dies zu vermeiden, kann man den ganzen Flügel in der Hinsicht konservativer auslegen. Quasi unvermeidlich ist dabei allerdings eine starke Widerstandszunahme im Schnellflug, was wiederrum der Entwicklungsphilosphie der B14 widerspricht. Um nun einen Kompromiss zwischen gutmütigen Ablöseverhalten und guter Flugleistung zu finden, habe ich die zwei neuen Profile aus Nikos Vorarbeit abgeleitet. Und genau hiermit haben wir nun einen Flügel, welcher über eine erhöhte mittlere Überland-Geschwindigkeit verfügt und gleichzeitig, insbesondere im Langsamflug, durch gute Steuerbarkeit um die Rollachse überzeugt.

Der Unterschied in der Geometrie mag nicht gravierend ausschauen, jedoch fällt dieser umso gravierender in der einhüllende Geschwindigkeitspolare aus! Hier wurden jeweils die Klappenstellungen des geringsten Sinkens für jede Fluggeschwindigkeit ausgewählt. Quelle: ‘akaflieg-berlin.de

RDS – Klappensteuerung mit Teleskopwelle und Aktuatoren

Zur Realisierung der Flächenklappen wird das Steuerungskonzept vollständig neuentwickelt. Die Flächenklappen sollen mit Aktuatoren automatisch angesteuert werden, um die optimale Einstellung für jeden Flugzustand zu bestimmen. Aktuell konzipieren wir das mechanische Steuersystem der Querruder und Wölbklappen, die sowohl bei ein- als auch ausgefahrener Flächenklappe vollständig angesteuert werden müssen. Da es hierfür bisher keine Designs aus früheren Konstruktionen gibt, konnten wir nicht auf altbewährte Mechanismen anderer Segelflugzeuge zurückgreifen und experimentieren mit neuen Konzepten. Bei der Umsetzung eines Kupplungsmechanismus zur Schnittstelle von Aktuator und Wölbklappenhebel, wobei wir bereits bei der Sensorik Fortschritte verzeichnen können.

Momentan konzentrieren wir uns auf ein Rotating-Drive-System RDS. Es basiert auf dem Prinzip einer Teleskopwelle, die mit in der Flächenklappe verfährt. So wird sichergestellt, dass die Wölbklappe über den gesamten Ausfahrweg ansteuerbar bleibt. Das System besteht aus wenigen Einzelteilen und ist einfach wartbar. Jedoch wird die Technik bisher nur im Modellflug verwendet. Wir arbeiten an der Frage, ob dieses System sich auch für Segelflugzeuge eignet. Dazu existiert bereits ein Steuerungs-Mock-Up, an dem nun experimentiert wird. Ein zweiter Ansatz, der eine Parallelogramm-Führung aus Steuerstangen vorsieht, liegt erstmal in der Schublade. Die Platzersparrnis, die das RDS uns bietet, ist bei dem schmalen Profil der B14 verlockend.

Weiter geht’s mit der Forschung: Um den Entwurfsprozess der B14 voranzubringen, wird in diesem Wintersemester von unseren Mitgliedern das Modul „Flugzeugentwurf III“ belegt. Im Rahmen dieses Moduls sollen verschiedene Auslegungsparameter für die B14 ermittelt werden. Als erste Grundlage wird der aktuelle B14-Flügel betrachtet, welcher auf Basis mehrerer Abschlussarbeiten entstanden ist. Anhand der zugrundeliegenden Bauvorschrift soll ermittelt werden, welche Rollraten und anderen wichtigen flugmechanischen Kennwerte für die B14 realisiert werden müssen. Basierend auf diesen Werten wird die Dimensionierung der Querruderruder vorgenommen. Die dabei auf die Ruderelemente wirkenden Kräfte sollen ermittelt werden, damit die notwendigen Kräfte für die Ansteuerung abgeschätzt werden. Dasselbe wird ebenso für die Wölbklappen vorgenommen. Da es sich bei der Auslegung um einen iterativen Prozess handelt, sollen die Ermittlungsmethoden so gestaltet werden, dass die Parameter schnell geändert werden können, falls sich Anforderungen ändern oder neue Kenntnisgewinne erzielt werden. Dies soll durch die Nutzung eines parametrisierbaren MATLAB-Skripts erreicht werden.

Durch die Definition dieses festen Aufgabenpakets bis zum Semesterende versprechen wir uns einen deutlichen Fortschritt in der B14-Entwicklung. Durch geplante Abschlussarbeiten, die auf diesen Erkenntnissen aufbauen und sie weiterführen, soll der Entwurfsprozess weiter vorangebracht und auch gut dokumentiert werden. Dadurch können auch die zukünftigen Generationen von Akafliegenden am B14-Entwurf weiterarbeiten und die verwendeten Ansätze für eventuelle neue Projekte nutzen. Quelle: ‘Akaflieg Berlin‘.