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Aerodynamische Auslegung Abb.1: Dreiseitenansicht des Nurflügel

 

Zu Beginn muss eine grundlegende aerodynamische Auslegung erfolgen, welche die äußere Form des Flugzeuges bestimmt und sich maßgeblich auf die späteren Flugleistungen und Eigenschaften auswirkt. Bei dem Entwurf eines Nurflügels muss bei der aerodynamischen Auslegung natürlich auf andere Dinge geachtet werden als bei einem konventionellen Flugzeug.

 

Vorweg wurde festgelegt, dass für unser Projekt nur die Entwicklung eines rückgepfeilten Nurflügels mit Winglets in Frage kommt, da andere Konfigurationen, z.B. ein Brettnurflügel, ein Hortenentwurf oder gar ein Vorgepfeilter Nurflügel für unseren Anwendungsfall zu gravierende Nachteile hätten.

 

Um am Anfang einen Überblick zu bekommen und auf bereits gemachte Erfahrungen zurückgreifen zu können wurden zunächst bisherige Nurflügel, wie zum Beispiel die SB-13 und die Horten Flugzeuge analysiert. In diesem Zusammenhang wurden auch einige einfachere Flugmodelle gebaut um damit Grundlegende Flugmechanische Probleme zu erforschen. Im Anschluss daran wurde versucht die Probleme, welche sich dabei herausstellten zu lösen und somit einen ersten Vorentwurf zu erstellen. Im Folgenden soll durch die Darstellung der wesentlichen Probleme ein kleiner Einblick in die Entwurfsarbeit gegeben werden.

Von der Flugerprobung der SB-13 ist bekannt, dass ein Nurflügel beim Flug durch turbulente Luft zu Nickschwingungen neigen kann. Dieses Phänomen wurde während der Flugerprobung der SB-13 noch genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese Nickschwingungen durch eine Überreaktion des Flugzeuges auf Störungen hervorgerufen wird. Jedes statisch stabil fliegende Flugzeug versucht eine Störung der Flugbahn durch ein entgegen gerichtetes Moment auszugleichen. Normalerweise sorgt nun die Dämpfung der Nickbewegung dafür, dass nur die Störung ausgeglichen wird. Bei der SB-13 führt eine hohe statische Stabilität zu einem starken die Störung ausgleichendenden Moment. Zudem hat die SB-13 durch das fehlende Höhenruder nur eine schwache Dämpfung der Nickbewegung. Aus diesen Gründen kommt es nun zu einer Überreaktion des Flugzeuges auf eine Störung, welche die oben genannte Nickschwingung verursacht.

 

Da diese Schwingung für den Piloten sehr störend ist muss diese bei einer Neukonstruktion auf jeden Fall vermieden werden. Nach obigen Aussagen kann man darauf schließen, dass diese Schwingung nicht auftreten würde, wenn man entweder die statische Stabilität verringert oder die Nickdämpfung erhöht. Da die statische Stabilität bei einem Nurflügel nicht verringert werden kann ohne andere Nachteile hervorzurufen, bleibt es nur die Nickdämpfung zu erhöhen. Dies kann durch eine Erhöhung der Rückpfeilung der Tragflügel erreicht werden. So wurde errechnet, dass man zur Unterbindung der Nickschwingung eine Rückpfeilung der Flügel von ca. 25° benötigt. Im Vergleich dazu hatte die SB-13 nur eine Rückpfeilung von 15°.

Sowohl bei der SB-13, als auch bei den Horten Nurflügeln zeigte sich, dass unter bestimmten Einflüssen die Flugstabilität bei beginnendem Strömungsabriss verloren gehen kann. In der Literatur wird dieser Sachverhalt so erklärt, dass durch die Rückpfeilung der Tragflügel bedingt die Strömung dazu neigt, zuerst am Außenflügel abzureißen. Da der Außenflügel durch die Rückpfeilung hinter dem Schwerpunkt liegt, bedeutet ein Strömungsabriss dort, ein Auftriebsverlust hinter dem Schwerpunkt. Dieser wiederum verursacht ein schwanzlastiges Moment, wodurch sich der Nurflügel bei beginnendem Strömungsabriss aufbäumt und somit die Strömung vollständig abreißt und die Flugstabilität verloren geht. Zur Vermeidung dieses Effektes ist es notwendig, dass ein Strömungsabriss hinter dem Schwerpunkt am Außenflügel unbedingt verhindert werden muss. Um dies zu erreichen soll der Flügel einen speziellen, fast rechteckigen Grundriss erhalten und die Profile am Außenflügel mit negativem Anstellwinkel (Schränkung) eingebaut werden. Damit ließ sich berechnen, dass die Strömung zuerst am Innenflügel, vor dem Scherpunkt abreißt. Dadurch stellt sich dann der gegenteilige Effekt ein. Es entsteht ein kopflastiges Moment bei beginnendem Strömungsabriss, welches zu einer Anstellwinkelverringerung führt. So kann ein Fortschreiten des Strömungsabrisses verhindert werden.

Nurflügel verfügen nicht, wie konventionelle Flugzeuge über ein Höhenruder, welches im Leitwerk untergebracht ist und die Steuerung der Nickbewegung ermöglicht. Beim Nurflügel muss die Steuerung der Nickbewegung durch Klappen am Flügel, welche möglichst weit vom Schwerpunkt (=Drehpunkt) entfernt liegen erreicht werden. Bisher geschah dies durch Klappen am Außenflügel, hinter dem Schwerpunkt. Möchte man nun langsamer fliegen, so muss ein schwanzlastiges Moment erzeugt werden. Dies kann durch Verringerung des Auftriebs hinter dem Schwerpunkt erreicht werden, also müssen die Klappen nach oben ausschlagen. Diese nach oben ausgeschlagenen Ruder sind im Langsamflug ungünstig, da dadurch das Profil weniger Auftrieb und höheren Widerstand erzeugt. Um diesen Effekt zu verringern, sollen bei unserem Entwurf zusätzlich Höhenruderklappen am Innenflügel vor dem Schwerpunkt angebracht werden. Diese haben genau den gegenteiligen Effekt und veringern somit die Nachteile bei ausgeschlagenem Höhenruder.

Bei den Flugversuchen mit den einfachen Modellen zu Beginn zeigte sich ein Effekt, welcher bei bisherigen Nurflügeln, soweit uns bekannt, noch nicht in Erscheinung getreten ist: Zum Teil zeigten die Flugmodelle fast keine Reaktion auf einen vorgegebenen Querruderausschlag. Nach ausführlicher Literaturrecherche und angestellten Nachrechnungen stellte sich folgender Sachverhalt heraus: Ein Querruderausschlag erzeugt das sogenannte negative Wendemoment, welches dafür sorgt, dass sich der Nurflügel in „die falsche“ Richtung um die Hochachse dreht. Durch die geringe Seitenstabilität eines Nurflügels entsteht ein Schiebeflugzustand mit einem großem Schiebewinkel. Nun hat ein Flügel mit Pfeilung und V-Form zusätzlich ein Schieberollmoment. Dieses erzeugt, wie der Name schon sagt, bei einem Schiebeflugzustand ein Rollmoment. Das so erzeugte Rollmoment wirkt dem ursprünglichen durch den Querruderausschlag entgegen, wodurch die effektive Querruderwirkung deutlich verringert wird. Nachrechnungen zeigten, dass bei den Modellen teilweise das entgegensetze Rollmoment sogar größer war als das ursprüngliche, was erklärte warum diese teilweise gar nicht auf Querruderausschläge reagierten. Um diesen Effekt zu verhindern, kann man nur versuchen, das Schieberollmoment zu verkleinern, da man das negative Wendemoment bei einem Nurflügel nicht ohne Weiteres verkleinern kann. Wie oben erwähnt, hängt das Schieberollmoment von der V-Form und dem Pfeilung des Flügels ab. Da man die Pfeilung nicht verkleinern kann -siehe Wippen- bleibt nur die Verkleinerung der V-Form. Die Entwurfsrechnungen zeigten, das bei einer V-Form kleiner 2° noch ausreichend effektive Querruderwirkung vorhanden ist.

Durch die Pfeilform der Flügel hängen diese bei hohen Anstellwinkeln deutlich herab. Dies ist besonders beim Landen ungünstig, da diese dann zuerst einseitig den Boden berühren würden und das eine Drehbewegung zur Folge haben könnte, welche die Richtungsstabiliät gefährdet. Man könnte nun, um dies zu verhindern, die Pfeilung verringern oder die V-Form der Flügel erhöhen, was aber aus oben genannten Gründen nicht möglich ist. Somit bleibt nur noch den Anstellwinkel beim Landen zu verkleinern. Dies soll bei unserem Entwurf durch die Verwendung von Wölbklappen erreicht werden. Wölbklappen sind im Langsamflug nach unten ausgeschlagene Klappen, welche den Auftrieb des Profils erhöhen damit kleinere Anstellwinkel z.B. beim Landen, ermöglichen. Die Rechnungen zeigten, dass mit einer speziellen Klappenstellung für den Landeanflug nur ein Anstellwinkel von 3° zum Abfangen benötigt wird. Es reicht somit aus, um genügend Bodenfreiheit der Außenflügel sicherzustellen.

Zum Schluss soll noch erwähnt werden, dass die Seitenstabilität bei unserem Entwurf durch besonders große Winglets, wie schon bei der SB-13 erreicht werden soll. Dies hat den Vorteil, dass der Flügel durch die großen Winglets vor allem im Langsamflug nur wenig Widerstand erzeugt und trotzdem seitenstabil fliegt. Zur Steuerung der Seitenbewegung werden an diesen Winglets auch Klappen angebracht, welche wie ein normales Seitenruder wirken.

 

Zusammenfassend ergibt sich somit der oben gezeigte Vorentwurf für einen Nurflügel mit 25° Rückpfeilung, um das „Wippen“ zu verhindern, den fast rechteckigen Flügelgrundriss für ein gutmütiges Überziehverhalten und den 2° V-Form, welche noch ausreichden Querruderwirkung ermöglichen. Die Längssteuerung erfolgt Widerstandsoptimal mit je einer Klappe am Innen- und Außenflügel und es werden zusätzlich Wölbklappen verwendet, die beim Landen eine Bodenberührung der Außenflügel auszuschließen.

 

Ausblickend möchten wir noch erwähnen, dass noch weitere Untersuchungen erfolgen müssen, bis der endgültige Entwurf steht. Zum Beispiel ist es noch ungewiss, wie stark sich der in Flügelmitte angebrachte Rumpf auf die Aerodynamik auswirkt. Dieser wird vermutlich den Auftrieb des Flügels negativ beeinflussen und sich somit auch auf die Momentenbilanz des Nurflügels auswirken. Da sich dieser Effekt ohne Erfahrungswerte schlecht berechnen lässt, sind wir hier auf Messwerte von Modellflugversuchen angewiesen.