Dienstag, 19. Juli 2011

Mein erstes flugfähiges Entenflugmodell


Was tut man in so einem Fall, wenn man bereits mehrere schmerzhafte Rückschläge erlebt hat und trotzdem etwas Neues ausprobieren möchte? Richtig, man hält den Aufwand erst einmal so gering wie möglich, um einen eventuellen weiteren Verlust nicht allzu schmerzlich werden zu lassen und schaut zunächst bei den Resten nach. Es muss ja nicht gleich wieder eine durchgestylte Designerkonstruktion wie beim ersten Mal werden, schließlich wurde Rom auch nicht an einem Tag erbaut, lieber eine gut fliegende hässliche Ente als ein flugunfähiger Formel I-Bolide:

Bild 1: Erstes erfolgloses Entenflugmodell aus dem Jahre 1981

Damals im Sommer 1981 versuchte ich dieses Designerstück, das mein Vater und ich in monatelanger Kleinarbeit unter der Neonsonne im Keller gebaut hatten, in die Luft zu bringen. Nach mehreren erfolglosen Versuchen zu starten, zog ich den Knüppel bis zum Verbiegen und tatsächlich hob die Ente ab. Was dann folgte, war der erfolglose Versuch, ein Modell, das nicht fliegen wollte, zu stabilisieren. Nach knapp einer Minute endete der Kampf mit einem Absturz. Damit war das Projekt Ente für lange Zeit gestorben.
Während eines Modellfliegerlebens sammelt sich so mit der Zeit das ein oder andere Überbleibsel an, Reste, die nach einem Absturz heil geblieben waren oder zum Beispiel Flügel, die schlichtweg durch Weiterentwicklungen ersetzt wurden. Möglicherweise wäre ja etwas Passendes dabei? Und tatsächlich wurde ich fündig: Es fanden sich ein alter Rechteckflügel mit symmetrischem Profil und einer Spannweite von 1,36 m sowie ein kleiner Trapezflügel von meinem  ersten Elektroflieger, der ein Clark Y-Profil aufwies. Das war bereits eine gute Voraussetzung und so ging ich ans Werk.
Aus dem Trapezflügel schnitt ich den mittleren Teil heraus, sodass sich ein Flächenverhältnis zum Hauptflügel von ca. 30% ergab. Als nächstes entstand ein Kastenrumpf, der von seiner Breite so gestaltet wurde, dass er den bestehenden Ausschnitt für das Querruderservo abdeckte.
Als Antrieb plante ich einen bürstenlosen Motor mit einer Leistung von 400 Watt in Heckposition ein. Aufgrund der Schwerpunktlage, die hinter dem Kopfflügel liegt, verbleibt trotzdem ein langer Hebelarm nach hinten, somit ergibt sich bei einem Entenkonzept zwangsläufig ein ungünstiger Hebelarm für Massen, die im Heckbereich angeordnet werden. Und hauptsächlich die Masse des Flügels sowie meist eines Fahrwerks liegen ohnehin schon recht weit hinten. Mir war daher schon klar, den Akku zum Ausgleich in der Rumpfspitze platzieren zu müssen. Als jedoch eine erste Kontrolle des Schwerpunktes möglich war, folgte eine herbe Ernüchterung: mindestens 200 Gramm Blei wären zusätzlich in der Spitze erforderlich gewesen, um die richtige Schwerpunktlage zu erreichen. Das bedeutete einfach zu viel tote Masse, die es unnötigerweise zusätzlich zu beschleunigen galt, ich wollte ja keine fliegende Bleiente bauen. Also die Rumpfspitze wieder abgeschnitten und gegen den Motor ausgetauscht und ohne große Zauberei brauchte nun kein unnützer Ballast mehr mitgeschleppt zu werden. Diese Entscheidung erwies sich noch unter einem weiteren Aspekt während des Erstfluges als sehr glücklich und bewahrte wahrscheinlich vor erheblichen Beschädigungen oder gar dem Totalverlust des Modells, doch davon später.
Aus Gewichtsgründen verzichtete ich zunächst auf ein Fahrwerk und sah nur eine Kufe vor. Entgegen der ursprünglichen Absicht legte ich auch ein steuerbares Seitenruder an. Leider musste ich beim Anbringen des Ruders feststellen, keine passenden Ruderscharniere mehr zu haben. Was war also zu tun? Hier auf dem Land ist der Weg zum nächsten Modellflugladen etwas weiter und lohnte sich allein wegen der Scharniere nicht. Da noch die Bügelfolie auf meinem Tisch lag, fiel mir die Folie ein, die die Klebeseite der Bügelfolie schützt. Sie ist reißfest, leicht und sehr biegsam, aber würde sie sich auch im Balsaholz ordentlich befestigen lassen? Ein erster Versuch in einem Balsarest zeigte, dünnflüssiger Blitzkleber auf beiden Seiten klebt den Folienstreifen in sekundenschnelle untrennbar fest. Klasse, so ergibt sich eine sehr billige und unerschöpfliche Quelle für Scharniere bei kleineren Modellen! Außerdem reicht bereits die Dicke eines Teppichmessers, um einen genügend breiten Spalt zu schneiden, in den sich die Folie sehr gut einschieben lässt.
Meine beiden Frauen sahen dem Projekt mit Zweifel und Erwartung entgegen. Bei der farblichen Gestaltung wollten sie allerdings mitreden, so bekamen das Seitenleitwerk einen lachenden Smiley von meiner Frau Karin und der Kopfflügel ein Blümchen mit einem Herzchen von meiner Tochter Selina. Mit so einer liebevollen Unterstützung musste der Erfolg unweigerlich mit eingebaut sein!
An einem schönen Tag Ende Mai sagte mir ein Fliegerkollege seine Unterstützung als Starthelfer zu, nun gab es kein Zurück mehr. Nach einem kurzen Hinweis, dass üblicherweise hinten bei der Ente allerdings vorne ist, beförderte er mit einem kräftigen Wurf den Neuling in die Luft und…er flog mit einer leichten Tendenz nach unten geradeaus. Nur ein sehr beherztes Ziehen am Höhenruder führte dann zum Steigflug und dass, obwohl das Höhenruder direkt im Luftstrom der Luftschraube lag. Trotzdem blieb dessen Wirkung viel zu gering, im Kurvenflug musste ich bis zum Anschlag ziehen, um ein Wegtauchen zu verhindern. Im gedrosselten Flug setzte zudem ein Abtauchen der Nase ein, dem nicht wirksam entgegen gesteuert werden konnte. Na, das würde bei der Landung ja heiter werden! Auch die Wirkung des Querruders ließ sehr zu wünschen übrig, reichte jedoch gerade noch aus. Ansonsten lag die Ente stabil in der Luft und drehte sehr langsam ihre Kreise. Das Flugbild war einfach genial (na klar, der Stolz überwog über das kantige Design)! Allerdings schien der Motor ein wenig Sturz zu brauchen, da bei Vollgas ein leichtes Wegsteigen zu beobachten war.
Wegen der schwachen Steuerung musste ich die Landung leider schneller einleiten als gewünscht. Also, tief anfliegen, den Motor drosseln und hoffen, dass alles gut geht!
Die Nase ging wie bereits zuvor beobachtet leicht nach unten und blieb trotz voll gezogenen Höhenruders in dieser Position. Vor Nervosität vergaß ich dann auch noch auf die Windrichtung zu achten und setzte die Ente mit Rückenwind in die Jungbirken im Vorfeld des Flugplatzes, die sich als weiche Ruhestatt erwiesen, denn Gott sei dank blieb alles heil.
Wäre der Motor zusätzlich auch noch in Heckanordnung gewesen, hätte das Höhenruder wegen der fehlenden Anströmung in Verbindung mit der geringen Grundgeschwindigkeit wahrscheinlich fast gar keinen Effekt gehabt und damit wohl das Ende der Ente bedeutet. Auch das dürfte also ein weiterer Grund gewesen sein, warum die beiden Vorgänger so schwer vom Fliegen zu überzeugen waren, denn die Motoren waren so angeordnet, dass sie nur den Hauptflügel anströmten.
Nach dem Vergrößern des Höhenruderausschlages, dem Zumischen des Seitenruders zum Querruder und dem Erhöhen des Motorsturzes trat mein Kollege zum zweiten Mal in Aktion. Mit dem Motorsturz meinte ich es allerdings zu gut, eine Unterlegscheibe statt zweier hätte genügt. Steigflug? Der war damit kaum noch möglich. Die anderen Änderungen zeigten jedoch Wirkung: Gemeinsam mit dem Seitenruder ließen sich die Kurven nun sehr schön ein- und ausleiten, die Höhenruderwirkung blieb aber noch immer viel zu schwach, denn das Abtauchen beim Drosseln ließ sich nach wie vor nicht korrigieren.
Diesmal wollte ich alles richtig machen und leitete die Landung gegen den Wind tief ein. Die Ente tauchte wie gehabt trotzdem nach dem Drosseln ab. Somit glich der finale Bodenkontakt mehr einem einschlagenden Speer, aber außer der Luftschraube, die in den Fliegerhimmel aufstieg, blieb die Ente abermals unbeschädigt.
Welch ein Erfolg! Trotz der erkannten Kinderkrankheiten stellten sich die Grundüberlegungen und einige glückliche Umstände als richtig heraus. Nun mussten jedoch konsequente Änderungen erfolgen.
Der Motor machte einen etwas schwächlichen Eindruck und wurde gegen ein Exemplar mit 470 Watt Leistung ausgetauscht, der Motorsturz wieder etwas vermindert. Da ein zusätzliches Fahrwerk zum Einsatz kommen sollte, konnte etwas mehr Leistung ohnehin nicht schaden. Zur Sicherheit vergrößerte ich gleich den Raum für den Akku so, dass auch ein vierzelliger Lipo locker darin untergebracht werden konnte. Die Landekufe wich wie gesagt einem Dreibeinfahrwerk; das würde realistischer aussehen und sich außerdem positiv auf die Lebensdauer der Luftschraube auswirken.
Mit dem Kopfflügel war allerdings kein Staat mehr zu machen, hier half nur ein kompletter Neubau mit Vergrößerung der Gesamtfläche inklusive der Ruderfläche. Gegenüber einem „normalen“ Höhenruder ist der Hebelarm zum Schwerpunkt deutlich kürzer, folglich sind größere Kräfte erforderlich, um eine Bewegung um die Querachse zu erzielen.



Bild 2: Verbesserung der Ente durch einen vergrößerten Kopfflügel und Fahrwerk

Auch wenn es auf dem Foto kaum zu erkennen ist, die Fläche des Kopfflügels ist jetzt gut 30% größer als vorher. Die Profildicke verringerte ich zudem von ca. 18 % auf 10%. Zur Verminderung der Umströmungsverluste im Außenbereich des Kopfflügels schloss ich die Endrippe mit einer 1 mm dicken Sperrholzrippe ab, die rundum mindesten 4 mm dicker war:




Bild 3: Endrippe am Kopfflügel zur Verringerung der Umströmungsverluste am Rand

Die ursprüngliche Anlenkung des Ruders über Umlenkhebel erwies sich bei dem nun geteilten Höhenruder als zu ungenau und brachte zudem abweichende Ausschläge, folglich wurden die Blätter über zwei Servos direkt angelenkt. Und wie so oft, steckte auch hier der Teufel im Detail: Mein DX 6-Sender hat zwar die Motordrossel links, ist aber nicht umprogrammierbar auf Mode 2 eingestellt, das heißt, dass auch das Seitenruder links geflogen wird und nicht das Querruder wie bei Mode 4, in dem ich fliege. Deshalb steckte ich das Querruderservo in den Seitenruderanschluss und umgekehrt, zudem waren ja bereits beide Ruder zur Verbesserung der Rolleigen-schaften gemischt. Unabhängig von diesem kleinen Schönheitsfehler, wie sollte ich nun zusätzlich zwei Höhenruderservos mischen? Da sie zur Ansteuerung gegenläufig laufen müssten, war ein Zusammenlöten nicht möglich. Als einzige Variante nach einigen erfolglosen Versuchen blieb der Anschluss des zweiten Servos an den Kanal für das Einziehfahrwerk. Durch Versetzen der Mittelstellung über Travel Adjust beim Schaltkanal und 80 % Dual Rate auf dem Höhenruderkanal erreichte ich schließlich einen identischen Ausschlag beim Mischen der beiden Funktionen. Solange ich nun während eines Fluges die Finger vom Schaltkanal lasse, bleibt die Welt in Ordnung, ansonsten dürfte der Kopfflügel zum Dauerquerruder mutieren.
Am Nachmittag des 15.06.2010 war es dann soweit, diesmal allein auf dem Platz gab ich beherzt Gas. Erster Versuch, die Ente genierte sich sichtlich und drehte sofort nach rechts ab. Zweiter Versuch mit Gegensteuerung durch Seitenruder; der Effekt blieb der gleiche. Also verbog ich das Frontrad und siehe da, eine Geradeausfahrt wurde möglich. Würden die Änderungen nun den gewünschten Erfolg bringen? Reichten die Ausschläge aus? Vor allem: ließ sich die Ente im gedrosselten Zustand so weit aufrichten, dass eine normale Landung möglich werden würde? Nur wenige Minuten später klärten sich alle Fragen, denn die Ente beschleunigte sehr gut und nach ca. 15 Metern war sie bereits in der Luft. Welch ein Flugbild! Nicht wirklich schön aber trotzdem irgendwie beeindruckend selten! Auch die Ruderausschläge passten jetzt alle. Also nach ein paar Gewöhnungsrunden Gas ´raus und schauen was passiert. Das Absenken der Nase verlief flacher und welche Freude, ein Ziehen am Höhenruder weit vor dem Maximalausschlag zeigte eine positive Gegenwirkung. Die Landung sollte also auch kein Problem mehr werden.



Bild 4: Die verbesserte Ente im Flug

Wenige Minuten später und deutlich beruhigter erinnerte unseren Testpiloten die Stoppuhr an den Kapazitätsstand des Akkus und ich leitete die Landung ein. Sauber baute die Ente die Höhe ab und lag satt in der Luft, mit leicht gezogenem Höhenruder setzte sie auf und . . . das Frontfahrwerk klappte nach hinten. Ich konnte mich nicht erinnern, ein Einziehfahrwerk vorgesehen zu haben, außerdem hätte das dann auch irgendwie verkehrt herum gearbeitet! 4 mm Pappelsperrholz als Rückwand waren wohl doch etwas zu labil, um selbst normale Landestöße aufzunehmen.
Noch am gleichen Abend verstärkte ich mit einem Stück Stahlblech und zusätzlich 6 mm Birkensperrholz den rückwärtigen Abschluss des Bugfahrwerks. Zwei Tage später folgten die nächsten Tests. Jetzt hielt und funktionierte alles, das Konzept war rund!
Rückenflug ist zwar möglich, aber wegen der hohen Anstellwinkeldifferenz nur mit einem entsprechend großen Tiefenruderausschlag. Gleichermaßen müssen Rollen stark mit Tiefenruder unterstützt werden, weil sonst nach dem Erreichen der Rückenlage ein scheinbar unkontrolliertes und spektakulär aussehendes Abtauchen eingeleitet wird. So unterstützt lassen sich dann aber auch große Rollenkreise drehen.
Wie war das noch gleich mit der eierlegenden Wollmilchsau? Nein, ein Kunstflugmodell ist die Ente trotzdem nicht.
Die Ente überziehen? Das ist völlig unmöglich, selbst mit stehendem Motor und ständig voll gezogenem Höhenruder bleibt die Steuerung um die Längsachse aktiv. Das Modell geht stattdessen wie in Zeitlupe in einen Zustand des Sinkfluges zunächst mit der Nase nach unten, um Fahrt aufzuholen, die dann wieder in ein Anheben der Nase umgesetzt wird, bis die Fahrt erneut abgebaut ist und sich das Ganze wiederholt. Bei einem Sturzflug aus genügend großer Höhe richtet sich so das Modell durch den hohen Frontauftrieb deshalb sogar selbst wieder auf. Da ein Überziehen nicht möglich ist, gibt es auch kein Trudeln, die Ente geht in eine Steilspirale über, deren Rotation mit dem Loslassen aller Knüppel sofort beendet ist. Die Flugeigenschaften sind so stabil, dass die Ente sogar zur Anfängerschulung eingesetzt werden könnte, etwas gewöhnungsbedürftig ist dann nur der Anblick des „Rückwärtsfliegers“.
Als Antrieb reicht ein 3s-Lipo für normalen Flug aus, selbst ein Looping ist mit ein wenig Anlauf möglich, der richtige Spaß beginnt allerdings erst mit einem 4s-Lipo, dann sind locker senkrechte Steigflüge möglich.
Für den harten Flugbetrieb erwies sich allerdings das Bugfahrwerk aus 3,5 mm Stahldraht als zu schwach, häufig bog es sich bei der Landung nach hinten, sodass die Ente beim Bodenkontakt abkippte. Deshalb musste der rechte Kopfflügel bereits zweimal wieder neu befestigt werden.
Insgesamt also hatte sich der Aufwand gelohnt und Weiterentwicklungen schrien geradezu danach, ausprobiert zu werden!  Höchste Zeit also, dem hässlichen Entlein einen stolzen Schwan folgen zu lassen!
Doch mich beschäftigte noch etwas: Warum musste dem Querruder zu seiner Wirksamkeit das Seitenruder zugemischt werden? Als der Hauptflügel noch in konventioneller Auslegung seine Dienste tat, reichten die Ausschläge doch aus und daran hatte ich nichts verändert. Die Ursache konnte folglich nicht an der großen V-Form des Flügels liegen. Also nochmals die grauen Zellen angestrengt: Soll z. B. eine Linkskurve geflogen werden, so muss sich das linke Querruder heben und das rechte senken. Das bewirkt eine Verminderung des Auftriebs am linken und eine Erhöhung des Auftriebs am rechten Flügel. Als bereits mitdenkende Leser wissen wir aber, dass bei der Ente der Flügel hinter dem Schwerpunkt sitzt und selbst nicht unwesentlich zum Auftrieb des gesamten Flugzeuges beiträgt. Eine Auftriebssenkung führt zu einem schwanzlastigen und eine Auftriebserhöhung zu einem kopflastigen Moment, also eigentlich so, wie es sein soll, wenn da nicht noch der längere Hebelarm zum Schwerpunkt wäre. Die Ausschläge bewirken nämlich auch eine Erhöhung des Luftwiderstands und damit ein rückdrehendes Moment, auch negatives Wendemoment genannt, das die Wirkung des Querruders dämpft oder sogar gänzlich neutralisieren kann. Bereits die Gebrüder Wright hatten mit dem gleichen Problem zu kämpfen, die Flügelverwindung zeigte erst dann Wirkung, als ein Seitenruder drehgleich zugemischt wurde.




Bild 5: Die Ente mit meinem „größten“ Fan Selina und mir

Technische Daten:

Spannweite:              1,36 m
Fläche Hauptflügel:  29,92 dm2
Profil Hauptflügel:     NACA 0015
Fläche Kopfflügel:    8,03 dm2
Profil Kopfflügel:       Clark Y mit 10% Dicke
Länge:                       1,05 m
Abflugmasse:            1800 g
Flächenbelastung:    48 g/dm²
Antrieb:                      Dymond AL 3542 mit 60 A Regler
Propeller:                   10*7 Zoll
Akku:                          4s Lipo mit 2600 mAh
Fernsteuerung:         DX6 mit AR 500-Empfänger

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