Olivia
I. Abstract
Für die stetige Weiterentwicklung und Innovation in der Luftfahrtbranche mit der Zielsetzung des effizienten Fliegens, liegt ein Hauptschwerpunkt auf der Entwicklung neuer Flugzeugkonfigurationen. Eine dieser, nicht unerforschten, jedoch weiterentwickelbaren Konfigurationen, ist die eines Nurflüglers. Eine wirtschaftliche Realisierung und Erforschung dieses Themengebietes kann im Rahmen von Modellentwicklungen erfolgen.
Anfang des 20 Jahrhunderts gewann die Nurflüglerkonfiguration zunehmend an Aufmerksamkeit. Bis heute hat sich diese Konfiguration allerdings nicht in der zivilen Luftfahrt durchsetzen können. Kabinenlayout sowie konstruktive und logistische Möglichkeiten schränken die Nutzung dieses Konzeptes ein. Ökologische und ökonomische Herausforderungen lassen jedoch ein Nurflüglerkonzept im Spektrum des Forschungsinteresses stehen.
Der allgemeine Entwicklungsablauf und Dimensionierungsvorgang eines solchen Flugzeuges im Modellmaßstab soll in diesem Paper beschrieben werden.
II. Rahmenbedingungen der Dimensionierung
Mithilfe von Randbedingungen werden zunächst die Grundgrößen des Modells konfiguriert. Um eine Dimensionierung zu vollführen, müssen einige Grenzbereiche für die grundlegenden Ausmaße des Modells vorgegeben werden. Dies kann in der zivilen Luftfahrt zum Beispiel eine Kabine oder ein Platzbedarf durch eine Nutzlast sein, um den der Rest des Fliegers „herum konstruiert“ wird. Da eine Nutzlast im eigentlichen Sinne für das zu entwickelnde Modell nicht vorgesehen ist, resultieren Spannweite, Geschwindigkeit aus Einsatzweise des Modells und prägen die folgenden Randparameter des Flugzeugs. Für das Projekt ist für die weiteren Entwicklungsschritte auch ein anwenderfreundliches Konstruieren zu berücksichtigen, da als Zielgruppe Einsteiger im Modellflug gedacht ist.
Mithilfe der für eine Vordimensionierung üblichen Formeln und Erfahrungswerten aus dem Flugzeugentwurf sind grundlegende Parameter
ermittelt worden.
III. Aerodynamische Auslegung
Für eine längsstabile Auslegung eines Nurflüglers ist die Schwerpunktslage bezüglich des Neutralpunktes zu beachten. Der Neutralpunkt ist der Punkt, in dem das Nickmoment bei variierendem Anstellwinkel konstant ist. Grundsätzlich muss der Schwerpunkt unter dem Gesichtspunkt der Längsstabilität vor dem Neutralpunkt liegen. Zusätzlich muss ein positiver Nickmomentenbeiwert 𝑐𝑚0, das heißt ein kopflastiges Moment, das aus der Profilumströmung entsteht, gegeben sein. Dies kann durch ein S-Schlag-Profil erreicht werden, welches durch die leicht hochgebogene Hinterkante im hinteren Bereich des Profils Abtrieb erzeugt, der das Flugzeug stabilisiert. Des Weiteren kann eine Positive Pfeilung selbigen Effekt erzielen, genau wie ein nach oben ausgeschlagenes Querruder.
Aus iterativen Rechengängen folgt das Profil RS5004A als bestmögliches Profil unter den gegebenen Randbedingungen.
Durch das Hufeisenwirbelverfahren, sowie dem Programm FLZ Vortex wurden die aerodynamischen Grundgrößen ermittelt und hingehend der angestrebten Leistungseigenschaften optimiert.
Specs
| Antrieb | Elektromotor mit 1200𝑈𝑘∗𝑚𝑖𝑛 |
| Akku | LiPo 3S 11,1V 2200mAh |
| Profiltiefe außen | 160 𝑚𝑚 |
| Profiltiefe Wurzel | 250 𝑚𝑚 |
| Gleitzahl | 17,77 |
| Spannweite | 1,8 m |
| Flügelfläche | 0,348 𝑚² |
| Anstellwinkel | 4,5° |
| V-Stellung | −2° |
| Verwindung | -7° |
| Pfeilung | 30° |
| Profil | RS5004A |
Das Ruder wird von 50% der Profiltiefe außen bis 25% der Profiltiefe am inneren Ruderende, ausgelegt. Die Ruderbreite ergibt sich mit 280mm.
IV. Auswahl elektronischer Antriebskomponenten
Die Auswahl der einzubauenden Elektronikkomponenten basiert auf Erfahrung und wird ebenfalls an das vorgesehene Anwendungsgebiet des Modells angepasst. Das anfängerfreundliche Modell soll bei kontrollierbaren Geschwindigkeiten fliegen, allerdings die in der Auslegung festgelegte Geschwindigkeit auf jeden Fall überschreiten können. Die Motorisierung erfolgt demnach durch einen Elektromotor mit 1200𝑈𝑘∗𝑚𝑖𝑛 – das entspricht 1200 Umdrehungen pro Minute pro Volt – mit klappbarem Propeller, der durch einen dreizelligen Lithium-Ionen-Akkumulator, mit 11,1V Nennspannung, gespeist wird. Verbunden werden Motor und der Akkumulator durch eine Reglereinheit, die die benötigte Drehzahl anpasst. Der klappbare Propeller wird bei gegebener Motorleistung mit einem Durchmesser von 10 𝑖𝑛𝑐ℎ gewählt.
V. Fertigungstechniken
Nach der Festlegung aller relevanten aerodynamischen und elektronischen Designaspekte ist als nächster Schritt die Fertigungsmethodik und Bauweise zu behandeln. Der Flügel wird als Rippenbauweise ausgelegt. Die wirkenden Luftkräfte werden über diese auf einen CFK-Holm übertragen, der somit als lasttragendes Bauteil gilt. Diese Kräfte werden in einen Biege-Torsions-Kasten eingeleitet. Zusätzliche Stabilisierung erfolgt durch eine Nasenleiste. Sowohl Querruder, als auch der Rest des Flügels werden foliert, wobei das Querruder durch Laminieren mit Balsaholz versteift wird. Aus diesen Strukturauslegung ergibt sich eine Gesamtflügelmasse von 400𝑔.
Umgesetzt werden alle fertigungsrelevanten Konstruktionen im CAD-Programm CATIA. Die Rippen sollen durch Lasercutten gefertigt werden und müssen demnach aus dem CATIA-Modell in eine verwertbare Datei abgeleitet werden, die letztlich vom Computer des Lasercutters eingelesen wird. Die Wände des Rumpfes sollen ebenfalls mit Hilfe eines Lasercutters gefertigt werden. Neben den Ausgabedateien für die Fertigung ermöglicht das CAD-Modell auch eine gute Übersicht über den Gesamtflieger und lässt Problematiken wie Flügelverbindung und Servopositionierung einfacher umsetzen.
Der Rumpf, der sich allein als Folge der Motorisierung ergibt, hat ein Gewicht von 600𝑔 und ist
Träger der Telemetrie und Antriebselemente. Er wird nach den Aspekten der Schwerpunktslage, anlehnend an das Stabilitätsmaß, konstruiert. Das heißt, dass der Rumpf eine Schwerpunktslage bei eingebautem Akkumulator und Motor, sowie der restlichen Steuereinheiten, garantieren soll, aus der sich dann eine stabile Fluglage ergibt. Als Material wird als Kompromiss aus Kosten, Festigkeit und Gewicht 3mm Pappelholz verwendet. Der verwendete 3S-Akku mit einer Kapazität von 2200𝑚𝐴ℎ befindet sich aufgrund der Flügelpfeilung im hinteren Bereich des Rumpfes und ist also wesentlich verantwortlich für die Rumpflänge.
Die Flügelverbindung mit dem Rumpf besteht aus einer Steckverbindung aus CFK-Rohren, zwei Fixierdübeln, sowie zwei Nylon-Schrauben. Aus Belastungsgründen wurden die innenliegenden Rippen 1 und 2 verstärkt
Zuletzt ist zu erwähnen, dass die angestrebten Werte und Auslegungsparameter theoretische Optimalwerte sind, deren Realisierbarkeit und Güte noch einer Verifizierung durch Praxistests bedarf.
VI. Ausblick
Derzeit befindet sich das Nurflüglermodell in der Fertigungsphase und die Flugerprobung steht kurz bevor.
In der heutigen Luftfahrt hat das Nurflüglerkonzept prinzipiell lediglich eine substanzielle Bedeutung im militärischen Bereich, jedoch ist es dort schon seit Anfang der 30er Jahre vertreten. Grund dafür ist zum einen das sehr gute Radarprofil eines Nurflüglers. Ein bekannter Vertreter ist die Northrop B-2, die durch die tarnkappenoptimierte Konstruktionsweise hervorsticht. Wesentliche Probleme stellt nach wie vor das Kabinenlayout. Da der Rumpf aufgrund seiner flächigen Gestaltung und somit hoher resultierenden Kabinenbreite für die an den Fensterreihen platzierten Passagiere einen hohen Hebelarm zur Rollachse des Fliegers schafft, sind die Beschleunigung und somit die G-Kräfte, als auch die Neigung an diesen Positionen im Kurvenflug sehr hoch. Ein komfortabler Reiseflug wäre an diesen Plätzen nicht möglich. Die Probleme des Kabinenlayouts können jedoch heute teils durch kombinierte Designs, wie die eines BWBs – Blended Wing Body – verringert, allerdings noch nicht in aller Fülle gelöst werden. Dieses Konzept ist durch einen formflüssigen Übergang von Rumpf und Flügel gekennzeichnet, kann im Gegensatz zum Nurflügler in Rumpf und Flügelbereich eingeteilt werden. Ein BWB vereinigt daher sowohl Eigenschaften des Nurflüglers durch den Beitrag des Rumpfes zum Auftrieb, als Charakteristiken eines konventionellen Flugzeuges. Ein Blended Wing Body weist daher ähnliche Vorzüge auf, wie ein traditioneller Nurflügler, bietet dagegen aber zusätzlich mehr Optimierungsmöglichkeiten, die den zivilen
Luftfahrtstandards entsprechen. Die im militärischen Bereich wichtige Radarabschirmung wird aber durch die bei dieser Konfiguration vorhandenen Seitenleitwerke stark beeinträchtigt, wodurch das Einsatzgebiet primär in Richtung Passagier- oder Frachtflug tendiert.