Nachdem sich die Ak-8 in der Flugerprobung befindet beschäftigen wir uns seit längerem intensiv mit der Frage was wir als nächstes Flugzeugprojekt in Angriff nehmen wollen. Schnell war dabei klar, dass das konventionelle Flugzeugkonzept bereits sehr ausgereift ist und weitere Verbesserungen, mit unseren Möglichkeiten, nur noch in Detailbereichen zu erzielen sind.

Wir dehnten unsere Überlegungen folglich aus und kamen zu dem Ergebnis, dass der Entwurf eines schwanzlosen Segelflugzeugs großes Potential einer Leistungssteigerung bietet.

 

Zielsetzung Ziel des Projekts ist es, die Flugmechanik der Nurflügel zu erforschen und daraus einen Entwurf abzuleiten, welcher nicht nur auf gute Flugleistungen zielt, sondern auch so gutmütige und einfache Flugeigenschaften aufweist, dass auch wenig erfahrene Piloten damit ohne Probleme fliegen können. Zusätzlich soll auch bei der Konstruktion des Prototypen darauf geachtet werden, einen praxistauglichen Entwurf zu erstellen. Hierbei wird, zum Beispiel, auf eine robuste Konstruktion des Fahrwerks geachtet, damit dieses auch mal unsanfte Landungen übersteht.

 

Entwicklungsvorgehen Zu Beginn des Projekts wurden zunächst die bisherigen Nurflügelkonstruktionen im Segelflugbereich analysiert. Hierbei legten wir unseren Schwerpunkt auf die Nurflügel der Brüder Horten, welche während des zweiten Weltkrieges gebaut wurden und auf die SB-13 der Akaflieg Braunschweig.
Hierbei wurde versucht, deren Konstruktionsvorgang nachzuvollziehen und Probleme der Konstruktionen, welche sich im späteren Flug zeigten herauszufinden. Im Abschnitt „Aerodynamischer Entwurf“ werden ein paar diese Problemstellungen exemplarisch erläutert.
Im Anschluss daran wurde ein vorläufiger Entwurf erstellt, in welchem versucht wurde, diese Probleme zu lösen. Parallel zu den Arbeiten an der Flugmechanik und Aerodynamik wird auch an der strukturellen Auslegung des Prototypen gearbeitet. Im Abschnitt „Strukturauslegung“ ist das Vorgehen hiervon näher erläutert.

Bevor wir nun mit dem Bau des Prototypen beginnen, möchten wir unseren Entwurf umfassend überprüfen und ggf. optimieren. Deshalb haben wir uns dazu entschlossen, mit ferngesteuerten Modellflugzeugen eine Flugerprobung unseres Entwurfes durchzuführen. Der Bau und die Flugerprobung der Modelle sind in den Abschnitten „Erprobungsmodell“ und „Flugmodellerprobung“ näher erläutert.

 

gesammtansicht3AK-X: CAD Modell des Entwurfs

 

Fahrwerkskonstruktion

Im Zuge einer Bachelor-Arbeit wurde von Oktober 2014 bis Januar 2015 das Fahrwerk der AK-X konstruiert und ausgelegt. Die Aufgabe bestand darin, sowohl das Bug- als auch das Hauptfahrwerk im 3D CAD-Modell zu integrieren und die nötigen Festigkeitsnachweise zu führen. Eine besondere Anforderung an die Konstruktion war dabei die große Bodenfreiheit, die der Nurflügel aufgrund der starken Rückpfeilung benötigt. Die Konzeptwahl fiel deshalb auf ein Hauptfahrwerk mit einer doppelten verknieten Knickstrebe, die einen langen Ausfahrweg ermöglicht. Die Verwendung des Vergütungsstahls 25CrMo4 für die Rohrrahmen des Hauptfahrwerks erlaubt dabei eine schlanke Konstruktion. Der Festigkeitsnachweis für das Hauptfahrwerk wurde mit Hilfe von FEM-Berechnungen geführt, die der statischen Überbestimmtheit des Systems, besser Rechnung tragen als analytische Verfahren. Das Bugfahrwerk sollte lenkbar gestaltet werden um dem Piloten die Möglichkeit zu geben bei niedriger Fahrt die Spur, z.B. beim Start hinter einem Schleppflugzeug, zu korrigieren. Diese Forderung führte zu einer Konstruktion mit einer lenkbaren Gabel, welche mit Hilfe eines drehbar gelagerten Lenkkopfes über einfache Knickstreben eingezogen werden kann. Für die kritischen Bauteile des Bugfahrwerks wurden Nachweise gegen Dauerversagen und Gewaltbruch geführt, um sowohl die hohen schwellenden Belastungen, als auch die starken Landestöße zu berücksichtigen. Für die Fertigung und den Einbau des Fahrwerks wurden außerdem alle Baugruppen- und Einzelteilzeichnungen angefertigt.

Das Konzept wird in diesem Video gezeigt.

Steuerung

Dieses Jahr begann mit dem Abschluss einer Bachelorarbeit am KIT. Mit ihr wurde eine Konzeptstudie zur Gestaltung der Steuerung der AK-X durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeit war die Untersuchung von Möglichkeiten, die Mischung von drei Steuerungssignalen zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang wurde ein mechanische Konzept entwickelt, dass den Aufbau eines entsprechenden Mischers darstellt. Darüber hinaus fanden Recherchen zu Konstruktionswerkstoffen in der Steuerung statt. Die vorliegende Arbeit bildet die Grundlage für die weitere Entwicklung der Steuerung.

Um die Entwicklung der AK-X noch schneller voranzutreiben, beschäftigt sich seitdem ein ganzes Team mit der weiteren Entwicklung der Steuerung. Vier Studenten widmeten 2014 ihre gemeinsame Semesterarbeit dem Mischer der AK-X-Steuerung. Neben der Erstellung eines detaillierten CAD-Modells entstanden beeindruckende kinematischer Simulationen der Steuerungsmechanik. Die Auslegung der mechanischen Komponenten erfolgte unter Zuhilfenahme von FEM-Simulations-Tools. Im kommenden Jahr wird die gesamte Mischereinheit in einem Mock-Up aufgebaut. Hierzu stehen Rapid-Prototyping Verfahren zum schnellen Herstellen der Bauteile zur Verfügung.

Zwei Teammitglieder widmen sich intensiv der Entwicklung von Komponenten zur Kraftübertragung in der Tragfläche. Hierbei liegt der Fokus auf innovativen neuen Werkstoffen und Konstruktionsprinzipien. Konventionelle Segelflugzeuge verwenden traditionell mechanischen Komponenten aus Stahl oder Aluminium. Nachteilig bei diesen Werkstoffen wirkt sich neben der hohen Dichte das thermische Verhalten des Werkstoffs aus. Die Struktur moderner Segelflugzeuge ist aus Glas- und Kohlefaserverstärkten Kunststoffen aufgebaut. Diese haben ein gänzlich anderes Temperaturverhalten als Stahl und Aluminium, darum kommt es bei Temperaturänderungen unweigerlich zu unerwünschten Wechselwirkungen. Leider sind solche Temperaturänderungen beim Auf- und Abstieg eines Flugzeugs unvermeidbar. Aus diesem Grund wird mit großem Aufwand die Möglichkeit zur Verwendung von Kohlefaser-Stangen in Kombination mit neuen Führungseinheitenuntersucht. Hierzu werden Versuche vorbereitet.

Zur Entwicklung der Seitenrudersteuerung steht das Team in intensivem Kontakt zu Konstrukteuren der SB13, dem inoffiziellen Vorgänger der AK-X. Der Erfahrungsaustausch hat das Ziel, soweit möglich, bereits bewährte Konstruktionselemente der SB13 auch in der AK-X einzusetzen. Auch in diesem Bereich konnten bereits CAD-basierte Modelle erstellt werden.

Im kommenden Jahr sind zunächst Tests mit Kohlefaser-Stangen geplant. Nach der Fertigstellung der Detailkonstruktion soll mit dem Bau eines Mock-ups begonnen werden. Ziel ist es, die Steuerung aufzubauen und zu testen.

Weiterführende Links

Aerodynamischer Entwurf

Strukturauslegung

1:4 Erprobungsmodell

1:4 Modell Flugerprobung

Bau 1:2 Modell