F5B-Modell Mantikor; Die Weltmeisterschaftskonstruktion

(Dieser Artikel ist in der FMT 6/1995, VTH-Verlag, erschienen. Die Veröffentlichung auf dieser Homepage geschieht mit Zustimmung des Verlags.)

Hier ist schon mal der Text. Die Zeichnungen werden noch eingefügt wenn ich wieder Zeit dazu habe.

Mit dem VERTIGO 3.0, dem Vorgänger des MANTIKOR, wurde die deutsche Meisterschaft 1992/93 gewonnen. Nicht nur Platz 1 wurde durch Wilhelm Schäffer belegt, sondern auch die Plätze 2 und 3 von Jörg Wolter und Werner Vauth. Bestückt mit einem robbe Pro 744/5, der nach Meinung der Experten gar kein Elektromotor der Spitzenklasse sondern eine "Eierhandgranate" sei und als Flächenprofil einem MH-30 von Martin Hepperle, das ebenfalls nach Expertenmeinung völlig "out" sei. Unglaublich, mit diesen Zutaten die gesamte Elite in den ersten B-Kader Jahren vom Treppchen zu verdrängen!!

Dieses Team, dem auch Axel Bruse angehört, wollte daher einen verbesserten VERTIGO für die Weltmeisterschaft in Australien. Das Modell sollte auf dem neuesten Stand der Technik sein und die Erkenntnisse der letzten beiden Jahre mit dem VERTIGO berücksichtigen. Allerdings sollte das MH-30 als Flächenprofil beibehalten werden und auch weiterhin ein robbe Pro zum Einsatz kommen. Wir haben da an andere Verbesserungen gedacht, als wir im Oktober 1993 das Pflichtenheft des neuen Modells festlegten.
Der VERTIGO 3.0 hatte einen Gesamtflächeninhalt von 35,8 dm2, so daß bei einem Gewicht von 2506g eine Flächenbelastung nach FAI von 70g/dm2 erreicht wurde. Erlaubt sind bekanntlich 75g/dm2. Das heißt, die Flügelfläche kann verringert werden um mit der maximal möglichen Flächenbelastung fliegen zu können. Wird die Flügelfläche verringert, wird auch das Gesamtgewicht geringer, was zu einer weiteren Reduzierung der Flügelfläche führt. Durch Abschätzungen der Gewichtsreduzierungen läßt sich die neue optimale Flächen- und Leitwerksgröße bestimmen. Der MANTIKOR erhielt daraufhin eine Flügelfläche von 30,05dm2 und eine Leitwerksfläche von 3,53dm2.

Mit der Leitwerksfläche wurden dann die Abmessungen eines V-Leitwerks bestimmt. Die Abmessungen sind der Abb.1 zu entnehmen. Das V-Leitwerk wurde aufgrund der guten Erfahrungen bei F3B Modellen gewählt und versprach neben geringen aerodynamischen Vorteilen zusätzliche Gewichtsreduzierungen im Vergleich zum T-Leitwerk des VERTIGO. Um die Rudermaschine des Höhenruders, es wird ohne Seitenruder geflogen, im V-Leitwerk unterzubringen, wurde ein 40mm hoher profilierter Pylon zwischen Leitwerk und Rumpf gesetzt. Eine direkte, spielfreie Anlenkung ist dadurch gegeben. Die Anlenkung wurde zudem innerhalb des Pylon durchgeführt, so daß auch hier aerodynamisch verbessert werden konnte. Das V-Leitwerk ist nicht abnehmbar. Eine lösbare Leitwerksbefestigung hätte nur zusätzliches Gewicht und aerodynamische Störquellen verursacht. Der Rumpf mit dem V-Leitwerk wird in einem Arbeitsgang in einer dreiteiligen Form gebaut. Die beiden Rumpfformhälften beinhalten die Unterseiten des V-Leitwerks, die nach dem lackieren der Rumpfformen als Sandwichschalen mit 1mm Rohacell 31 durch Absaugen hergestellt werden. Der eigentliche Rumpf wird anschießend laminiert, wobei die Gewebelagen des Leitwerks überlappt werden. Die Leitwerksoberseite wird in einem Stück in der dritten Form laminiert. Nach dem Einbau von Höhenruderservo, Anlenkung, Leitwerksholm und Empfängerantenne in die Naß in Naß im Sandwich aus Aramid- und Glasgewebe hergestellten Rumpfhälften, wird die Leitwerksoberseitenform aufgelegt und verklebt. Nach dem Entformen werden nur noch die Einschnitte am Leitwerk vorgenommen, um die als Elastic-Flap ausgeführten Leitwerksklappen freizulegen.

Nun zur Entstehungsgeschichte der MANTIKOR Tragfläche. Nachdem die Flächengröße, wie oben beschrieben feststand, konnte das Profil und der Flächenumriß berechnet werden.
Als Profil hatte sich schon beim VERTIGO 3.0 das MH-30, nicht nur rechnerisch sondern auch in der Praxis, bewährt. Die vorhergehenden VERTIGO Versionen waren mit dem RG-14 versehen. Die Flächen, sowohl der VERTIGO Versionen als auch des MANTIKOR, sind natürlich ebenfalls in Schalenbauweise in Formen gebaut. Durch die genaue Einhaltung der rechnerisch vorgegebenen Profilkontur, die Flächenkerne wurden durch Straaken über CNC-gefrästen Rippen hergestellt, ist eine gute Vergleichsmöglichkeit gegeben. Da der Vergleich Praxis/Theorie bzw. Rechnung sich von der Umstellung des VERTIGO vom RG-14 auf das MH-30 als Verbesserung herausstellte, hatten wir großes Vertrauen, daß weitere theoretische Verbesserungen sich auch in der Praxis bestätigen würden.
Neben der notwendigen Verkleinerung der Tragfläche war eine Reduzierung des Gesamtwiederstandes erstes Ziel der Optimierung. Die Tragfläche sollte einen Doppelknick bekommen wie ihre Vorgänger. Die Querruderservos sollten in den Ohren ohne Überstand aus der Profilkontur untergebracht werden. Bei der mit überarbeiteten Servogehäusen vorliegenden Dicke von 12mm stand somit die minimale örtliche Profildicke am Querruderansatz fest. Gegenüber der VERTIGO 3.0 Tragfläche wurde die Profildicke im Mittelstück von 8,3% auf die Originaldicke des MH-30 mit 7,84% reduziert. Das Profil im Randbogenbereich wurde allerdings aufgedickt. Dies hatte zwei Gründe: Zuerst einmal um das Querruderservo unterzubringen, zum anderen, um die Auftriebsverteilung und das Abreißverhalten der Luftströmung bei hohen Auftiebsbeiwerten (Langsamflug und enge Wenden) zu Verbessern. Diese Optimierung wurde mit Hilfe verschiedener Rechenprogramme durchgeführt. Die Profilmodifikationen des MH-30 wurden am PC mit dem Eppler-Programm durchgeführt. Martin Hepperle gebührt an dieser Stelle unser Dank für die Nachrechnung der Profile mit XFoil, einem Programm, das für die kleinen Reynoldszahlen realistischere Polaren liefert als das Eppler-Programm. Verbesserungen die mit den Ergebnissen aus Eppler-Programm Rechnungen erzielt werden, werden mit dem XFoil Programm bestätigt. Dies bedeutet, daß für Vergleiche der Profile untereinander das Eppler Programm geeignet ist. Einen solchen Vergleich der Profile, die bei der Weltmeisterschaft in Australien von den ersten drei der Ergebnisliste verwendet wurden zeigt Abb.2. Zusätzlich wurde noch das RG-15 aufgetragen. Auffallend ist, daß das S7012 im hohen Ca Bereich vorteile gegenüber allen anderen Profilen hat, allerdings auch nur hier. Das RG-14 und das MH-30 sind hier identisch und das RG-15 liegt zwischen dem S7012 und den andern beiden Profilen. Diese hohen Ca Werte sind nur bei den niedrigen Re-Zahlen interessant. Bei niedrigeren Ca Werten und hohen Re-Zahlen ist das S7012 das schlechteste Profil in diesem Vergleich. Hier ist das MH-30 deutlich besser als alle anderen Profile. RG-15 und RG-14 sind hier nahezu gleich, mit leichten Vorteilen des RG-14 im Ca Bereich 0 bis 0,3. Für den Steigflug und den Streckenflug ist für F5B-Modelle der Ca Bereich von 0 bis 0,6 von Bedeutung. In diesem Bereich hat das MH-30 deutlich geringere Wiederstände als alle anderen Profile. Aus diesem Grund wurde es daher auch von uns verwendet. Die geringfügigen Nachteile dieses Profils für den Zeitflug sollten durch andere Maßnahmen, wie Anhebung der Profildicke im Außenbereich der Tragfläche und Winglets, ausgeglichen werden. Es wurde vom Profil her eine möglichst widerstandsarme extrem schnelle Fläche entworfen. Durch das Winglet, die Profilaufdickung und eine Optimierung des Flächenumrisses, wurde die Tragfläche für hohe Ca Werte, wie sie in den Wenden und im Zeitflug auftreten, verbessert. Für die Berechnung der Auftriebsverteilung zur Optimierung des Flächenumrisses wurden zwei Rechenprogramme verwendet die nach dem Multhoppverfahren arbeiten. Die Auftriebs- und Wiederstandsbeiwerte werden für die zugehörige Profiltiefe aus den im Programm eingegebenen Profilpolaren entnommen. Neben einem in FORTRAN selbst geschriebenen Programm wurde auch das von den Gebrüdern Köhler vertriebene TMODELL V2.1 verwendet. Die Form des Flügelumriß wurde nach Angaben in der Literatur [1, 2] so gewählt, daß eine Rückpfeilung der Fläche erzielt wurde und die Hinterkante gerade ist. Zurückgepfeilte Flächen haben nach demnach Wiederstandsvorteile gegenüber neutralen oder vorgepfeilten Flächenumrissen. Nach [2] verringert die Pfeilung nach hinten den Widerstand um 0,74%, während diejenige nach vorn den Widerstand um 3,5% erhöht.  Nach der Arbeit von Zimmer [3] lassen sich mit stark zurückgepfeilten Flächenenden sogar Auftriebsverteilungen erreichen, die geringere Widerstandsbeiwerte haben als die bisher als Optimum angesehene elliptische Auftriebsverteilung.

Besonders auffällig neben dem V-Leitwerk in Y-Form ist das Winglet des MANTIKOR. Winglets finden bei den manntragenden Segelflugzeugen zunehmend Anwendung. Als kleine an hinteren Randbogen angesetzte senkrecht stehende Flügelchen erleben sie derzeit ihren Durchbruch. Vor einigen Jahren tauchten sie schon einmal auf. Damals waren es allerdings große Ungetüme von bis zu 1m Höhe, die nur Vorteile im Langsamflug brachten und im Schnellflug eher als Bremse wirkten. Die neuen kleinen Winglets dagegen verbessern die Langsamflugeigenschaften und beeinträchtigen den Schnellflug nicht. Dies kann nach [4, 5] folgendermaßen erklärt werden:
1. Der induzierte Widerstand wird durch die Winglets vermindert. Demnach sind senkrecht stehende Winglets etwa halb so wirksam wie eine Spannweitenverlängerung um die Winglethöhen.
2. Durch die Winglets werden am Außenflügel die laminaren Laufstrecken verlängert und auch Ablöseblasen vermieden. Dies führt zu einer deutlichen Verminderung des Widerstands.
3. Durch Minimierung der Winglethöhe und -tiefe werden diese Vorteile im Schnellflug nicht vernichtet, so daß der Flügel im Schnellflugbereich gegenüber einem wingletlosen Flügel keine Nachteile hat.
Weiterhin sind durch diese kleinen Winglets folgende Eigenschaftsverbesserungen zu erwarten:
- besseres Abreißverhalten der Strömung an den Flügelenden und damit besseres Überziehverhalten des Flugzeugs.
- langsamere Fluggeschwindigkeiten sind möglich.
- die Rollwendigkeit wird erhöht.

Diese Effekte werden durch eine richtige Auslegung des Winglets bewirkt. Hinweise zur Auslegung werden in [5] für große Segelflugzeuge gegeben. Ich faße die Empfehlungen mit unseren eigenen Erfahrungen im folgenden kurz zusammen.

Stellen sie sich die Strömung um eine Tragfläche und auch um das Winglet als Zirkulation vor Abb.3. Die Zirkulation tritt natürlich nur bei Druckunterschieden wie an tragend profilierten Flügeln auf, d.h. das Winglet muß eine Profilierung haben, deren Oberseite zum Flügel gerichtet ist. Durch die Zirkulation um den Flügel und um das Winglet, welches nahezu senkrecht am Flügelende steht kommt es zu einer positiven Strömungsbeeinflußung. Die Strömung in diesem Bereich des Flügels wird energiereicher und verdrängt sonst in der Nähe der Flügelenden auftretende Ablösungen. Dies wurde durch Anstrichbilder nachgewiesen [4].
Eine positive gegenseitige Strömungsbeeinflußung zweier im Winkel bzw. unter V-Form befindlicher Flügel sollte daher auch an Knickstellen des Flügels bei mehrfacher V-Form auftreten. Idealerweise sollten demnach elliptisch nach oben gebogene Flügel optimal sein [1]. Vögel und Segelflugzeuge großer Spannweite fliegen in der Thermik mit durchgebogenen Flügeln!! Vielleicht sind deshalb die sogenannten "Amigo-Flügel" mit doppelter V-Form seit einigen Jahren in F3B so beliebt. Wir haben dem auch Rechnung getragen und den MANTIKOR mit doppelter V-Form versehen, die allerdings der VERTIGO auch schon hatte. Das Querruder, als Elastic-Flap ausgeführt, beginnt an der Knickstelle (wo sonst). Vielleicht werden durch diese Strömungsbeeinflußung an der Knickstelle die Negativeinflüsse des hier entstehenden Spalts bei Querruderausschlägen vermindert.

Zurück zum Winglet. Wie sollte ein korrekt arbeitendes Winglet entworfen werden? Folgende Angaben können bisher als Empfehlungen gegeben werden. Eine weitere Optimierung sollte durch Flugversuche mit einem Winglet an nur einer Flügelseite durchgeführt werden.
1. Das Winglet sollte in Flugrichtung gesehen senkrecht stehen (Abb.4).
2. Das Winglet sollte nach hinten gepfeilt sein. Pfeilungswinkel ca. 30o (Abb.5).
3. Das Verhältnis der Flügeltiefe am Außenflügel zur Wingletprofiltiefe unten am Randbogen, also genau am Knick, sollte 0,6 betragen. Für eine Randbogentiefe von 100mm also mal 0,6 = 60mm Wingletprofiltiefe.
4. Die Zuspitzung des Winglets sollte ebenfalls 0,6 sein. Das heißt für die Wingletwurzeltiefe von 60mm mal 0,6 = 36mm Tiefe am oberen Wingletende.
5. Das Winglet sollte so am Randbogen befestigt sein, daß eine Anströmung des Wingletprofils erreicht, wird die positive Auftriebsbeiwerte liefert, um die beschriebene Zirkulation zu bewirken. Wir haben als Wingletprofil, wie schon am Flügel, das MH-30 genommen. Am Randbogen haben wir es mit der Profilsehne in Flugrichtung oder anders ausgedrückt parallel zur Rumpflängsachse ausgerichtet. Das MH-30 hat bei 0o Anströmrichtung noch einen Ca-Wert von 0,2.
6. Das Winglet sollte geschränkt werden, um am Wingletende den Ca-Wert gegen 0 gehen zu lassen und um bei negativen Anströmungen des Winglets keine Strömungsabrisse an demselben zu erhalten. Unser Winglet wurde daher um 2o negativ geschränkt. Das MH-30 hat dabei einen Ca-Wert von Null (Abb.6). Den selben Effekt kann man auch durch eine aerodynamische Schränkung durch Verwendung eines symmetrischen Profils am Wingletende erzielen.
7. Winglets können nach oben oder nach unten gerichtet werden. Nach [2] ist allerdings ein nach unten gerichtetes Winglet erheblich schlechter als ein nach oben gerichtetes Winglet.

Soweit die Regeln die wir zur Auslegung des MANTIKOR Winglets befolgt haben (Abb.7, 8). Die letzten Unsicherheiten wurden durch Flugversuche ausgeräumt. Ein umgebauter VERTIGO wurde an einer Seite mit einem Winglet nach obiger Auslegung versehen und im Vergleich zu einem normalen VERTIGO geflogen. Es war auffallend wie Überziehsicher das Modell wurde. Beim Überziehen kippte das Modell immer zur wingletlosen Seite. Selbst bei einer Schräglage des Modells von ca. 30o zur Wingletseite wurde beim Überziehen wie schon zuvor zur wingletlosen Seite gedreht. Bei dieser Voraberprobung des Winglets konnte die Winglethöhe reduziert werden. Der MANTIKOR bekam dann ein Winglet von 60mm Höhe, das einschließlich des Randbogens CNC gefräst wurde. Der Rest des Flügels wurde über CNC gefrästen Rippen gespachtelt.

Für die Vergleichsflüge, aber auch zur Optimierung des Antriebs wurden die Modelle mit MODIS/robbe ausgerüstet um die Flugdaten für Drehzahl, Strom, Spannung, Flughöhe und -geschwindigkeit aufzuzeichnen und zu Vergleichen. Mit diesen Daten wurden dann auch die Propeller ausgelegt. Ohne MODIS wären die dafür nötigen Meßwerte nicht erhältlich gewesen. Eine Optimierung der Propeller für die eingesetzten PRO-Motoren mit und ohne Getriebe und auch für die automatische an die Fluggeschwindigkeit angepaßte Blattverstellung (PRO-Matic/ robbe) wurde durch Programme vorgenommen, die in den FMT-Kolleg Broschüren [6, 7] veröffentlicht wurden.

Der Rumpf des MANTIKOR wurde um Motor und Akku herum entworfen. Durch Dicken- und Längenanpassung des symmetrischen SD8020 Profils mit dem Profilprogramm von L. Wiechers wurde der kleinstmögliche Querschnitt um Motor und Akku gefunden. Der kreisförmige Durchmesser des Rumpfes konnte gegenüber dem VERTIGO Rumpf um ca. 10mm verringert werden. Auch die Tragfläche konnte teilweise in die SD8020 Profilkontur des Rumpfkopfes eingeschoben werden, so daß in diesem Bereich der Querschnitt nicht wesentlich erhöht werden mußte.
Der Kern des so profilierten Rumpfvorderteil wurde nach den Koordinaten aus Aluminium gedreht. Der Leitwerksträger besteht aus einem ebenfalls aus Aluminium gedrehten konischen Teil. Erwähnenswert an dem Rumpf ist noch der als Kühlkanal gestaltete Spinner, der die Kühlluft durch die Stirnseite des Motors führt. Die Kühlluft wird hinter dem Motor in zwei aus AFK laminierten Kühlkanälen bis unter die Flächenunterseite geführt. Hier kann die austretende Kühlluft für eine positive Srömungsbeeinflussung der Flächenunterseite beitragen (Blasturbulator). Durch die saubere Gestaltung der in separaten Formen hergestellten Kühlkanäle sollte diese Strömungsbeeinflußung auch im Segelflug funktionieren.
 
 

Literatur

/1/ Schuemann, W., A new wing planform with improved low-speed  performance, Soaring 47, 1983, No.2, S.16-25.

/2/ Eppler, R., Die Entwicklung der Tragflügeltheorie, Z.Flug  wiss. Weltraumforsch. 11, 1987, S.133-144.

/3/ Zimmer, H., Die aerodynamische Optimierung von Tragflügeln im Unterschallbereich und der Einfluß der Festhaltung der Flügelenden. Diss. Univ. Stuttgart 1983.

/4/ Waibel, G., Winglets: Erst in kleiner Form zum Erfolg, Aerokurier 6/1993, S.99-101.

/5/ Albat, A., Leistungsveränderungen durch Winglets, Idaflieg  Berichtsheft 1992, S.97-111.

/6/ Schenk, H., Grundlagen zu Modellpropellern. FMT-Kolleg 10, S.73-92.

/7/ Schenk, H., Entwurf von Optimalpropellern, FMT-Kolleg 14, S.29-63.

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