Samstag, 1. Oktober 2011

Sekato oder wie aus einem hässlichen Entlein ein stolzer Schwan wurde

Die erfolgreichen Erfahrungen mit meiner ersten flugfähigen Ente (Siehe im Juli "Mein erstes flugfähiges Entenflugmodell", veröffentlicht in der MFI 2/2011) spornten mich dazu an, aus dem hässlichen Entlein einen ansehnlichen Schwan weiter zu entwickeln, denn hübsch war sie nun wirklich nicht. Aber sie half mir die Aerodynamik eines Entenflugzeugs zu verstehen, um auf dieser Basis weiterentwickeln zu können. Und sie bot mir eine hervorragende Plattform, um Weiterentwicklungen auszuprobieren, die ich beim Nachfolgemodell einsetzen wollte. Auf der Suche nach einem geeigneten Namen für den Nachfolger verewigte ich die Anfangsbuchstaben meine treuesten Fans, die mich auch bei diesem Bau tatkräftig unterstützten: meine Tochter Selina, meine Frau Karin und mich selbst, Thomas.
Für die Gestaltung enthielt mein Pflichtenheft folgende Punkte:

  • Jetähnliche Form
  • Zur Erhöhung der Grundgeschwindigkeit ein Profil mit geringerem Auftrieb am Kopfflügel und Verdünnung des symmetrischen Profils von 15% beim Vorgänger am Hauptflügel auf 10% innen und 12% Dicke außen.
  • Einstellwinkeldifferenz nur noch 2 Grad
  • Motorsturz 1 Grad
  • Kopf- und Hauptflügel sollten aus einem Styroporkern mit Balsbeplankung entstehen
  • Insgesamt sollte der Aufbau trotzdem so einfach wie möglich bleiben
  • Am Hauptflügel sollten zwei Maßnahmen zur Stabilisierung der Strömung im Langsamflug zum Einsatz kommen: Strakes und ein Sägezahn. Strakes erzeugen einen stabilisierenden Wirbel und ein Sägezahn erschwert das Abreißen der Strömung nach außen.

Es begann im Laufe des September 2010 mit einer einfachen Draufsicht, der nach kurzer Zeit eine Seitenansicht folgte:



Bild 1: Erste Aufsicht und Seitenansicht des Sekato

Der Startschuss fiel am 01.10.2010 mit dem Entwerfen der Spanten in Corel Draw für die Fräse. Nachdem ich diese tagelange Kleinarbeit hinter mich gebracht hatte, enttäuschte das Fräsergebnis: kein einziger Spant war so gefräst worden, wie er entworfen worden war, entweder stimmte die Position der Aussparungen für die Gurte nicht oder die Symmetrie. Lediglich die Seitenteile zur Aufnahme der Flügel passten. Schon in der Vergangenheit hatte ich häufiger mit Fräsfehlern zu kämpfen, die um so häufiger auftraten, je größer der Anteil von zu fräsenden Kurven oder Schrägen war.  Wegen der Profilrundungen und der Schrägen zur Annährung der oberen Rumpfrundung häuften sich diesmal die Fehler ganz besonders. Offensichtlich verursachte bereits die Umwandlung in die Druckdatei Fehler aber auch beim Verfahren während des Fräsens konnte man sehen, wie Steps schlichtweg verloren gingen. Durch Herrn Hanauer von Balsawood, über den ich mein Balsaholz bezog, erfuhr ich inzwischen, wie fehlerbehaftet die Ansteuerung über den Druckerport ist. Er selbst hat eine Fräse im Einsatz, deren Ansteuerung über einen USB-Port erfolgt. Langfristig werde ich wohl hier in eine andere Elektronik investieren müssen.
Wie dem auch sei, es blieb nichts anderes übrig, als in guter alter Handarbeit die Spanten zu entwerfen und mittels einer Laubsäge aus dem Sperrholz zu befreien.
Der folgende konventionelle Aufbau des Rumpfes aus Holz bereitete keinerlei Schwierigkeiten. Bereits am Computer hatte ich die ellipsenförmigen Rundungen an der Oberseite durch 6 mm Balsaholzleisten angenähert, sodass das nachträgliche Abhobeln und Verschleifen dann die gewünschte Form erbrachte.
Lediglich die Rumpfnase musste ich nachträglich um fast 7 cm verlängern, weil die Kiefernleisten in Verbindung mit den 4 mm Seitenwänden aus Balsaholz sich einer Verdünnung des Rumpfes von 10 auf 6 cm sperrten; schon bei der Verjüngung auf 8 cm rissen die Seitenwände, sodass die Verlängerung unvermeidbar wurde. Der Optik hat das jedoch nicht geschadet, ganz im Gegenteil, so wirkt die Rumpfnase noch schlanker. Allerdings sollte sich die Verlängerung nachteilig auf die Einhaltung der Schwerpunktlage auswirken.


Bild 2: Rumpfnase mit Ansatz für die Verlängerung

Da der Rumpf über den größten Teil seiner Länge gleichbleibend dick ist, konnten die Spanten auf einer Rumpfseitenwand aufgeklebt werden. Anschließend wurde der Kopfflügel eingesetzt und die zweite Seitenwand angeklebt. Ein nachträgliches Einsetzen des Kopfflügels war aufgrund seiner Pfeilung nicht möglich, sodass sich die Bearbeitung der Wandhölzer in diesem Bereich erschwerte, die dem Rumpf die abgerundeten Kanten unten und das oval oben verliehen.
Für den Kopfflügel setzte ich das Dunham-Profil ein, das sich bereits bei anderen Modellen, die auf Geschwindigkeit ausgelegt waren, bewährt hatte. Mit einer Dicke von 8% war es mit dem Clark Y-Profil des Vorgängers identisch.
Beim Schneiden der Styroporkerne erwies sich meine Frau Karin als willkommene Hilfe. Aufgrund der starken Pfeilung des Innenflügels führte das Schneiden mit dem heißen Draht zu Vertiefungen im Außenprofil. In diesem Bereich schliff ich in der Breite des Schleifklotzes das Styropor herunter, was die Vertiefungen abflachte und stockte die verfälschte Profilverdünnung durch 1,5 mm Balsa wieder auf, das ich nach dem Ankleben mit Weißleim mit Hobel und Schleifklotz nachbearbeitete.


Bild 3: Die beschriebene Ausbesserung der Schneidkerben durch Balsaholz


Aus Sicht der Statik ist ein Sägezahn eine nicht zu unterschätzende Kerbe, die durch die Unterbrechung der Beplankung noch verstärkt wird. Bei Belastungen würden Brüche an dieser Stelle bevorzugt auftreten. Es mag zwar im Flug ungeheuer spektakulär aussehen, wenn sich plötzlich die Spannweite halbiert, der Lebensdauer des Modells dürfte das aber weniger zuträglich sein.
Um die Kerbwirkung zu mindern, schnitt ich zunächst ein 4 mm dickes Stück Styropor aus dem überstehenden Profilstück heraus bis in den Flügelbereich hinein, an dem das Innen- und Außenprofil gleich dick waren, und ersetzte es durch 4 mm Sperrholz, das mit einer Querstrebe aus dem gleichen Material  im Flügel verzahnt ist.


Bild 4: Auffangen der Kerbwirkung durch den Sägezahn mit Sperrholzverstärkung

Vor dem Aufkleben schnitt ich die Beplankung an dieser Übergangsstelle genau ein. Wegen des Sägezahnes musste hier bereits sehr sauber gearbeitet werden. Danach brachte ich die 1 mm dicke Beplankung aus Balsaholz mit Weißleim zunächst auf der Oberseite auf und ließ das Ganze einen Tag lang trocknen. Styropor ist nämlich nicht nur ein guter Wärmeisolator sondern verhindert auch die Verdunstung des im Leim vorhandenen Wassers. Das merkt man nach dem Entformen an dem feuchten Beplankungsmaterial, das meist noch mehrere weitere Tage benötigt, bis es wieder getrocknet ist. Es kann sogar passieren, dass das Beplankungsholz durch die Feuchtigkeit Wellen schlägt. Das gibt sich jedoch in den nächsten Tagen, denn durch die Trocknung schrumpft das Holz wieder. Notfalls hilft man mit einem heißen Bügeleisen nach.
Früher verwendete ich Epoxydharz zum Aufbringen der Beplankung. Das ist zwar stabiler, bringt aber auch deutlich mehr Masse zusammen. Schon häufiger war mir aufgefallen, wie leicht Styroporflügel von Baukastenmodellen zum Teil sind. Die Ursache dafür konnte nur in dem verwendeten Kleber liegen. Das Epoxydharz verliert beim Aushärten keine Masse, wohl aber der Weißleim, dessen Wasseranteil verdunstet. So gelingt der Spagat zwischen Stabilität einerseits und Masse andererseits sehr gut.
Nach der Beplankung der Oberseite war der Flügel nun genügend stabilisiert, um die Aussparungen für die Servos zur Ansteuerung der Querruder auf der Unterseite vorbereiten zu können. Die Aussparungen schnitt ich so groß, dass die Servos zwischen dem 6 mm Sperrholz  stramm gehalten werden. So bleiben diese auch nachträglich zugänglich und könnten ohne größeren Aufwand sogar ausgetauscht werden. Der abschraubbare Deckel aus 1 mm Sperrholz schließt bündig mit der Beplankung ab, er hält gleichzeitig die Servos in der Halterung.


Bild 5: Fixierung der Querruderservos

Inzwischen feierten wir Weihnachten und meine Frau schenkte mir das passende Antriebsset für den Sekato, einen Diamond AL 5055 mit 80 A Smart-Regler. Woher sie das wohl wusste? Ich konnte mich gar nicht daran erinnern, mit ihr darüber gesprochen zu haben! Nun standen mir alle Bauteile zur Verfügung, der Fertigstellung stand nichts mehr im Wege.
Erst nachdem ich den vorderen und hinteren Übergang vom Rumpf zum Flügel auf dem Flügel angeformt hatte (ich lege Wert auf eine gute Aerodynamik und möglichst wenige aerodramatische Stolperfallen für die vorbeiziehende Luft), verschliff ich die Nasenleiste und klebte dann 2 mm Sperrholz als Abschluss auf die Flügelenden. Nur allzu oft hatte ich erlebt, dass bei zu frühem Verschleifen eine magische Anziehungskraft der Nasenleiste auf stumpfe Gegenstände bestand, die häufig zu Dellen führten. Beim Bearbeiten musste ich allerdings feststellen, wie baufeindlich die Sägezähne sind, weil sie das Abhobeln der letzten Zentimeter vor dem Vorsprung unmöglich machten. Nur durch den Einsatz einer flachen Schlüsselfeile gelang es mir, diesen Bereich zufriedenstellend vorzubereiten um ihn abschließend verschleifen zu können.
Obwohl ich das Seitenleitwerk in beplankter Stäbchenbauweise schon lange fertig gestellt hatte, klebte ich es erst jetzt auf den verschliffenen Rumpf. Bei dem häufigen Hantieren vorher hätte es mit Sicherheit im Wege gestanden, Beschädigungen wären die unmittelbare Folge gewesen.
Bis zum Schluss kämpfte ich allerdings mit einem Verzug der Nasenleiste, die sich wie ein Halbmond verbog. Nachbügeln half überhaupt nicht, also bespannte ich das Seitenleitwerk in althergebrachter Weise mit Bespannpapier und Spannlack. So erreichte ich zumindest zeitweise eine gerade Nasenleiste. Nach dem Aufkleben des Leitwerks auf den Rumpf behandelte ich im Bereich der Außenwölbung nochmals die Bespannung mit Spannlack, denn diese Seite sollte ja durch Zusammenziehung verkürzt werden und die Nasenleiste wieder gerade ziehen. Ein profiliertes Leitwerk wäre hier sicherlich die bessere Lösung gewesen. Ich erinnerte mich in diesem Zusammenhang eines Fliegerkollegen aus meiner Jugendzeit, der bekannt für seine auffälligen und folgenreichen Bauweisen war: Ein begnadeter Modellflieger, dem man jedes Modell an die Hand geben konnte, allerdings war er beratungsresistent, was die Bauausführung eigener Modell anbetraf. So verlor er viele seiner Maschinen schlichtweg durch Schlampereien während des Baus.
Da ich keine ähnlich faulen Kompromisse eingehen wollte, schnitten meine Frau und ich ein profiliertes Leitwerk aus Styropor und ersetzen damit das Brettchenleitwerk.
Nachdem ich mir Gedanken über die aerodynamischen Folgen der Strakes gemacht hatte (Siehe dazu im Juli "Ein Rollstuhl für die Ente oder Betrachtungen zu deren Weiterentwicklung"), probierte ich diese zunächst an meiner ersten Ente aus, indem ich nachträglich zwei keilförmige Anformungen an den Rumpf klebte.


Bild 6: Nachträglich angebrachte Strakes an meiner ersten Ente

Strakes erzeugen einen sehr stabilen Tütenwirbel, der den Auftrieb des dahinter liegenden Flügels um bis zu 40% erhöhen kann. Das bedeutet für ein Entenflugmodell eine Druckmittelpunktverschiebung nach hinten und somit ein kopflastiges Moment. Der Hebelarm für den Kopfflügel verlängert sich aufgrund der notwendigen Schwerpunktverschiebung nach hinten und damit dessen Ruderwirkung. Die Stabilisierung der Strömung am Hauptflügel stellt zusätzlich zur Einstellwinkeldifferenz zuerst ein Abreißen der Kopfflügelströmung im Langsamflug sicher. All diese Eigenschaften müssten sich positiv auf das Flugverhalten des Sekato auswirken. Da aber kein Schwerpunktberechnungsprogramm in der Lage war, diesen Einfluss zu berücksichtigen, versuchte ich die Auftriebserhöhung durch eine Vergrößerung der Flügelfläche um 25% zu simulieren, um die erforderliche Verschiebung des Schwerpunktes berechnen zu können. Ende Januar 2011 konnte ich dann den Testflug mit der ersten Ente wagen und sah alle Überlegungen bestätigt, besonders die Langsamflugeigenschaften verbesserten sich spürbar und erstmals bereitete das Anstellen des Modells bei der Landung keine Schwierigkeiten mehr. Die Simulation der Schwerpunktverschiebung über die Flügelvergrößerung erwies sich ebenfalls als richtiges Instrument. Daher sah ich mich darin bestätigt, den Sekato ebenfalls mit Strakes auszurüsten.
Durch eine einfache Konstruktion aus dreieckigen Spanten, die ich beidseitig mit 1 mm Birkensperrholz beplankte, entstanden die Strakes in sehr kurzer Zeit und fanden ihren Platz an den Rumpfseiten.


Bild 7: Aufbau der Strakes für den Sekato

Den Übergang zum Flügel formte ich mit Epoxyd-Harz, das mit Microballons eingedickt war. So toll das ganze auch nun aussieht, und so positiv sich dadurch die Flugeigenschaften beeinflussen lassen, so unhandlich wurde nur der Rumpf, denn es gab nun keine genügend große flache Seitenfläche zur Ablage mehr. Ich half mir deshalb mit den Außenschalen des Styroporflügels, die gerade dick genug waren, dass die Strakes zwischen ihnen liegend eine brauchbare Seitenlage des Rumpfes ermöglichten.
Auf der diesjährigen Nürnberger Spielwarenmesse lernte ich Herrn Burmeister von der Firma Kontronik kennen, die für hochwertige Elektromotoren und –regler bekannt ist. Im Gespräch erwähnte ich den Bau meines Entenflugmodells und fragte nach einem Testmotor. Zwar hatte mich ja meine Frau bereits mit einem geeigneten Treibling bedacht, aber Motoren kann man nie genug haben. Ohne langes Zögern wurde mir daraufhin freundlicherweise von der Firma Kontronik ein Testmotor günstig zur Verfügung gestellt.
Nachdem ich diesen angeschraubt hatte, erlebte ich jedoch eine böse Überraschung: Der Schwerpunkt sollte unter der oben beschriebenen Simulation 33 cm hinter der Hinterkante des Kopfflügels liegen, das bedeutete einen riesigen Hebelarm für den vorn liegenden Motor. Mit aufgeschraubter Fläche lag ich gute 20 cm davor, durch Platzierung eines 6s-Lipos mit 2500 mA Kapazität im hinterst möglichen Bereich fehlten mir noch immer 7 cm. Um so wenig wie möglich tote Masse mitschleppen zu müssen, gab es nun mehrere Möglichkeiten:

  • Einen wenig leistungsfähigeren und damit leichteren Motor einzubauen. Mit einer Leistung von 1,3 kW war der Sekato sicherlich mit reichlich Kraftreserven ausgestattet. Nun hatte ich den Motor aber schon, andererseits fliege ich sehr gerne mit etwas mehr Reserven. Außerdem gibt es nichts Schlimmeres, als im Flug dahineiernde Jets, die pflaumenweich am Ruder hängen, weil jeden Moment ein Strömungsabriss zu befürchten ist!
  • Platzierung des Fahrwerks hinter dem Flügel.
Und ein zweites Problem deutete sich an: Eine geringe Seitenstabilität, weil durch den sehr weit hinten liegenden Schwerpunkt nun das Seitenleitwerk an einem sehr kurzen Hebelarm hing und die Seitenfläche nach vorn bedrohlich anstieg.
Ich entschied mich dafür, den Motor zu belassen, das Fahrwerk hinter den Flügel zu platzieren und Winglets am Hauptflügel anzubringen. Durch letztere Maßnahme schlug ich drei Fliegen mit einer Klappe: etwas mehr Masse hinter den Schwerpunkt, Vergrößerung der Seitenfläche und Reduzierung des induzierten Widerstands. Und all das bei einem bereits fertig bespannten Modell, bei dem eigentlich nur noch die letzten Einbauten fehlten, ich liebe es!
Die Rücklage des Fahrwerks und der Austausch der Befestigungsschrauben Kunststoff gegen Stahl brachten das Modell bis auf 3 cm an den Schwerpunkt heran. Das ließ hoffen!
Die Winglets an den Flügelenden befestigte ich aus Transportgründen abschraubbar. Damit die Stabilitätswirkung verbessert würde, stellte ich sie gleich mit 2 Grad nach innen gedreht an. Nachdem ich das Bugrad noch gegen eine leichtere Version augetauscht und 20 gr. Blei im Rumpfheck untergebracht hatte, lag der Schwerpunkt an der berechneten Stelle. So stand dann der Sekato am 08.03.2011 fertig vor mir.
Im Nachhinein kam mir die Idee, als Antrieb einen Innenläufer zu verwenden, den hätte ich prima komplett im Rumpf verschwinden lassen können und mit einem Spinner wäre ein noch sauberer Abschluss geschaffen worden. Nobody is perfect! Aber gerade bei einem Prototyp sollte Potential für eine Weiterentwicklung bleiben. Am 20.03.2011 bot sich bestes Flugwetter, nun sollte der Sekato zeigen, was in ihm steckte. Jeder Modellbauer, dem der Erstflug seiner neuesten Errungenschaft bevorsteht, kennt das mulmige Gefühl im Bauch und die weichen Knie. Ich muss zugeben, meine Nerven lagen einmalig blank. Meine Frau machte sicherheitshalber noch ein letztes Foto vor dem Start, meine Tochter Selina begleitete uns, widmete sich aber lieber ihrem Malbuch, hoffentlich war das kein schlechtes Zeichen!


Bild 8: Letztes Foto vor dem Erstflug

Ich begann mit einem 4s-Lipo. Langsam beschleunigte der Sekato und nach fast 100 Metern vor dem Ende der Piste hob er endlich ab. Die Fluggeschwindigkeit war nicht besonders hoch, diese Akkugröße stellte offensichtlich das Minimum dar, aber der Flieger lag stabil in der Luft, ein wenig rechts und Höhe musste ich für einen Geradeausflug trimmen. Der Schwerpunkt lag wohl noch immer zu weit vorn. Nach ein paar Runden und der Bewunderung der ausgefallenen Optik beruhigten sich die Nerven ein wenig. Obwohl ich das Querruder bereits mit dem Seitenruder gemischt hatte, wirkte es schwach, das konnte auch an der Expo-Einstellung liegen, die ich wegen der großen Ruder auf 45% eingestellt hatte. Das Höhenruder zeigte jedoch ausreichend Wirkung. Nach weiteren Runden leitete ich die Landung ein. Langsam baute der Sekato die Höhe ab, ohne Tendenzen zum Ausbrechen oder Strömungsabriss. Kurz vor dem Aufsetzen zog ich etwas mehr, sodass sich das Modell deutlich anstellte, wie ich es bei der Vorgängerente nach dem Anbringen der Strakes bereits beobachtet hatte, und setzte sauber zunächst auf dem Hauptfahrwerk auf.
„Jaaa!!“, ein Freudenschrei entfleuchte mir beim Zurückholen während mir die Hände noch immer zitterten.


Bild 9: Stabil liegt der Sekato in der Luft


Bild 10: Der Sekato im Landeanflug

Die Fliegerkollegen teilten mir freundlicherweise mit, dass ich beim Start wohl nur um Haaresbreite einer Katastrophe entgangen war, denn der Sekato entging nur knapp der Kollision mit dem begrenzenden Stacheldraht. Offensichtlich waren mir die Götter wohl gesonnen. Als ich aber kurze Zeit später einen zweiten Start wagen wollte und dabei die in Reihe geschalteten zwei 3s-Lipos fast kurzschloß, was mit zwei weg schmelzenden Steckern und einem Blitz begleitet wurde, wollte ich das Glück nicht weiter herausfordern und ich sah wegen meiner immer noch vibrierenden Nerven für diesen Tag von weiteren Flugtests ab. Das, was ich gesehen hatte, hatte meine Überlegungen bestätigt.
Für die nächsten Flugtests reduzierte ich die Expoeinstellung des Querruders auf 30% und schaltete diesmal die beiden 3s-Lipos richtig in Reihe. Das sah schon besser aus, der Startweg verkürzte sich deutlich. Kurz nach dem Abheben schnellte meine Herzfrequenz allerdings wieder in ungeahnte Höhen, denn ich stellte plötzlich eine deutliche Tendenz zum Wegdrehen nach rechts fest, der ich nur mit vollem Seitenruderausschlag nach links entgegenhalten konnte. Bei der sofort eingeleiteten Landung setzte der Sekato in leicht spitzem Winkel auf und wurde leicht beschädigt. Die Ursache des unerwarteten Drehens war schnell gefunden: Das linke Querruderservo war in Endausschlag nach unten gefahren! Der zusätzliche Auftrieb war so groß, dass der Ausschlag des Höhenruders nicht mehr zum Aufrichten des Modells gereicht hatte, daher auch der spitze Aufsetzwinkel.
Nachdem ich ein paar Tage später das Servo ausgetauscht und mir zwei neue 3s-Lipos mit 3300 mAh Kapazität geleistet hatte, ging es weiter. Seither läuft alles reibungslos, die neuen Akkus geben dem Motor noch etwas mehr Leistung ab, sodass nun Flüge bis zu 6 Minuten Dauer möglich sind. Die Kraftreserven sind ordentlich, wenn auch die maximale Fluggeschwindigkeit höher sein könnte, dafür wäre allerdings ein Motor mit höherer Umdrehungszahl pro Volt erforderlich. Trotz allem werde ich stets mit einem eindrucksvollen Flugbild belohnt.
Nun hatte mich das Entenfieber für weitere Experimente vollends gepackt. Nur soviel sei verraten: Die nächste Ente wird ein Segler mit ebenfalls ausgefallenem Design!

Zum guten Ende möchte ich noch meiner Frau als überzeugtem Fan von Peter Maffay als Dank für die tatkräftige Unterstützung während der Bauphase ein paar Zeilen widmen:

Ich war jung und mein Pilot 48
und über das Fliegen wusste ich nicht viel.
Er wusste alles und er ließ mich spüren,
ich war kein Plan mehr.
Wir gingen beide hinunter an den Start
und verschüchtert hob ich ab.
Und als ein Flugzeug sah ich den Boden wieder
und es war Frühling, das erste Mal im Leben.
Und es war Frühling, das allererste Mal.


Technische Daten:

Spannweite:              1,43 m
Fläche Hauptflügel:  35,43 dm2
Profil Hauptflügel:     Innen: NACA 0010, Außen NACA 0012
Fläche Kopfflügel:    11,285 dm2
Profil Kopfflügel:       Dunham mit 8% Dicke
Länge:                       1,52 m
Abflugmasse:            3100 g
Flächenbelastung:    77 g/dm2
Antrieb:                      KORATOP 30-40 mit KOBY 90 LV-Regler
Propeller:                   16*8
Akku:                          Zweimal 3s Lipo mit 3300 mAh in Reihe geschaltet
Fernsteuerung:         DX6 mit AR 500-Empfänger
Kontakt-Email:          delfis@web.de


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