HAWk

Einleitung

„HAWk“ ist ein für Modellbauer entwickeltes Nurflüglerkonzept aus 3D gedruckten Teilen, das sich genauso gut fliegen lässt wie ein Modellflugzeug aus herkömmlichen Materialien. Es ist aus Light-Weight-PLA (LW-PLA) gedruckt, wobei die meisten Teile im „Vase-Mode“ gedruckt werden, um maximale Gewichtseinsparungen und eine schnelle Ersatzteilfertigung zu ermöglichen.

Alle Dateien, die zum Drucken benötigt werden und eine detaillierte Bauanleitung sind auf unserer Printables Seite verfügbar.

Motivation

HAWings – das Team hinter dieser Konstruktion – ist immer auf der Suche nach neuen spannenden technischen Herausforderungen. Als studentisches Team, das sich aus Ingenieuren, 3D-Druck-Freaks und Modellbauern zusammensetzt, war (und ist) dieses Projekt eine aufregende Erfahrung, ein fast vollständig 3D-gedrucktes Flugzeug zu entwickeln, das tatsächlich gut fliegt – und dabei leicht, schnell und einfach als zugängliche Plattform für unsere Bedürfnisse (und auch etwas Modellflugspaß) zu replizieren ist.

Features

Vorhersehbares Flugverhalten

HAWk fliegt bei allen Geschwindigkeiten sehr ruhig und ist auch ohne Flight Controller leicht zu manövrieren. Wurfstarts funktionieren ohne Probleme, auch bei der Landung zeigen sich die guten Flugeigenschaften. Strömungsabrisse sind vorhersehbar und leicht zu vermeiden und HAWk lässt sich nach einem Strömungsabriss sehr schnell und einfach abfangen.

Vase-Mode Druck

Der Nurflügler ist komplett so konzipiert, dass er für den unkomlizierten 3D-Druck auf jedem Drucker geeignet ist. Er ist in mehrere kleine Segmente unterteilt, die auf fast jedes Druckbett passen. Die meisten LW-PLA-Teile sind im Vase-Mode druckbar. Dies ermöglicht sauber gedruckte Teile ohne Nähte, Fäden oder Ausfransungen, selbst auf billigeren 3D-Druckern.

Modularität

HAWk ist modular aufgebaut – auf diese Weise wird jeder HAWk, der erstellt wird, den Bedürfnissen des Besitzers so weit wie möglich angepasst. Derzeit umfasst dies die folgenden Optionen:

  • Motorbefestigung entweder in der Nase oder im Heck
  • Verschiedene Motorbefestigungsplatten

Weitere zukünftige Optionen finden Sie im Abschnitt „Roadmap“.

Herstellbar mit gängigen 3D-Druckern

Druckbar auf einem Prusa Mini – alles was Sie brauchen ist ein Druckvolumen von mindestens 18 x 18 x 18 cm. Optional, wenn Ihr Drucker ein Bauvolumen von mindestens 400 mm erlaubt (wie der FLSUN V400), können Sie den Hauptrumpf in einem Stück drucken.

Leichtbaustrukturen

Eine der größten Herausforderungen bestand darin, dass Design mit dem Druck im Vase-Mode kompatibel zu halten. Die Tragflächenteile sind beispielsweise genau unterteilt, damit sie am besten mit dieser Designphilosophie funktionieren, vor allem dort, wo sich die Ruderhörner befinden. Um die Rumpfteile mit so wenig Material wie möglich zu verstärken, haben wir uns für einen ungewöhnlichen Ansatz entschieden, bei dem das Material LW-PLA zum Einsatz kommt: Zunächst wird der Entwurf als Vollrumpf modelliert. Anschließend werden extrem schmale Schnitte in den Körper gemacht, die die Verstärkungsstrukturen bilden. Beim Drucken setzt der Vasenmodus die Füllung automatisch auf 0%, so dass diese kleinen Schnitte als Wände erkannt werden. In PrusaSlicer wird der Radius zum Schließen des Schnittspalts auf 0 gesetzt – dadurch verbinden sich die beiden Wände zwischen den Schnitten und bilden die Verstärkungsstruktur, die dieses Konzept möglich macht.

Aerodynamik

Das Design liefert gute Flugeigenschaften – ein Ergebnis unserer doppelten Berechnungen. In XFLR5 haben wir die Flugzeuggeometrie und das Tragflächenprofil so angepasst, dass HAWk so gut wie möglich fliegt. Dabei war uns wichtig, dass wir einen Kompromiss finden, der problemloses Fliegen bei niedrigen Geschwindigkeiten ermöglicht und gleichzeitig mit dem Gewicht verschiedener Arten von Bordausrüstung (Akkus, FPV-System, zusätzliche Sensoren, …) immer noch viel Spaß macht und den Piloten nicht unnötig fordert. Mit diesen Berechnungen waren bereits die ersten Flugtests von HAWk erfolgreich genug, um alle unsere Piloten zufrieden zu stellen und unser Design zu verifizieren. Die Eigenschaften des Flugzeugs, auch bei Wind, sind sehr stabil und vorhersehbar und zeigten, dass unsere Berechnungen richtig waren. Dennoch würden wir den HAWk absoluten Anfängern in diesem Hobby nicht unbedingt empfehlen, da wir der Meinung sind, dass Nurflügler für Anfänger im Allgemeinen nicht besonders gut geeignet sind.

Datenblatt

Eigenschaft Wert
Spannweite
1300 mm
Profiltiefe (Wurzel)
220 mm
Profiltiefe (Spitze)
160 mm
Pfeilungswinkel
20 deg
Verdrehung
-1.2 deg
Profil
HS3090
Schwepunkt
126 mm hinter der Flügelvorderkante der Wurzelrippe
Abflugmasse
800 - 1200 g (Abhängig von Batterie und verwendetem Druckmaterial)
Flächenbelastung (Flügel)
40 g/dm^2 - 60 g/dm^2
Mindestfluggeschwindigkeit
7.5 m/s (with 800 g take-off mass)

Hardware Konfiguration

Gestestet
Günstige 5” Konfiguration

Diesen Aufbau hatten wir zur Hand, als wir die Prototypen gebaut haben. Es ist nicht sehr effizient, aber jeder, der Modellflugzeuge oder Drohnen baut, sollte bereits etwas Ähnliches besitzen. Die Flugzeit beträgt etwa 10 Minuten mit einem 4S 1200mAh-Akku bei kalten Wetterbedingungen.

Motor: Any 2306 or 2207, ~2400KV

Prop: Alle 5” 3-Blatt- oder 6” 2-Blatt-Drohnenpropeller mit angemessener Steigung

ESC: Alle mit 30A+

Batterie: 4S 1300mAh LiPo

6s – 5” Konfiguartion – EMPFEHLUNG

Dieses Setup ist derzeit unsere empfohlene Konfiguration. Der Betrieb eines 6s-Drohnenmotors mit 4s ermöglicht die Verwendung eines größeren Propellers aufgrund der geringeren Drehzahl. Dies bietet die optimale Balance zwischen Leistung und Effizienz.

Motor: Alle 2306 or 2207, 1500 – 1700KV (getestet mit eco II 2306-1700KV)

Prop: 7″ or 8″ 2-Blattpropeller (getestet mit HQProp 8×5)

ESC: Alle mit 30A+

Battery: 4S 1300mAh LiPo

Hohe Effizienz

Dieses Setup bietet eine deutlich längere Flugzeit, hat aber eine etwas begrenzte Leistung. Außerdem wird der Motor bei Vollgas relativ warm.

Motor: T-Motor 2203.5, 1500kv oder StanFPV 2203, 1500kv

Prop: 7″ 2-Blattpropeller (getestet mit gemfan 7042)

ESC: Alle mit 30A+

Battery: 4S 1300mAh LiPo

Ungetestet
Hohe Effizienz und hohe Geschwindigkeit

Dieser Aufbau soll lediglich einen anderen Propeller und einen anderen Akku als der Aufbau mit hoher Effizienz erfordern und Fluggeschwindigkeiten von bis zu 100 km/h erreichen.

Motor: T-Motor 2203.5, 1500kv oder StanFPV 2203 1500kv

Prop: 5″ or 6″  2-Blattpropeller

ESC: Alle mit 40A+

Battery: 6S 800-900mAh LiPo

Roadmap

  • Montageoptionen für verschiedene Servogrößen

FPV Version

  • Nase mit Montageoption für eine FPV-Kamera und einen VTX-Sender

  • Montageoption für Flugregler mit gängigen Maßen und Antennen

UAV-Platform Version

  • Möglichkeiten für weitere Sensoren bieten

    • Platz für Geschwindigkeitssensor in der Nase

    • Platz für LiDAR-Sensor

  • Kammera mit Ausrichtung zum Boden