AK-X

Seit Oktober 2010 beschäftigen wir uns mit dem Projekt AK-X, der Entwicklung eines neuartigen Nurflügel-Segelflugzeugs. Konventionelle Konzepte wurden in den letzten Jahren ausgiebig von Herstellern und Akafliegs erforscht und iterativ verbessert. Die Akaflieg Karlsruhe geht mit der Auslegung und Entwicklung eines Nurflügel-Segelflugzeugs einer unkonventionellen Idee mit großem Potential nach.
Hier geht’s zum aktuellen Projektfortschritt.

Auslegung

Ziel des Projekts ist ein schwanzloses Segelflugzeug, das durch hohe Flugleistung überzeugt, aber vor allem gutmütige und handhabbare Flugeigenschaften aufweist.

Als Konfiguration wurde ein rückgepfeilter Nurflügel mit Winglets gewählt, wodurch (gegenüber anderen Konzepten wie Brett- oder Hortennurflügel) leistungsstarke Profile verwendet werden können.
Bei der Analyse anderer Nurflügler (allen voran die SB-13 als ähnlichster Entwurf) und in ersten Modellflugversuchen wurden typische flugmechanischen Probleme analysiert und als wichtigste Punkte Nickdämpfung, Verhalten beim Strömungsabriss und Höhensteuerung identifiziert.

Um eine mit konventionellen Flugzeugen vergleichbare Nickstabilität zu erreichen, sind die Flügel der AK-X mit 25 ° recht stark gepfeilt. Dies bringt aber weitere Herausforderungen mit sich: Zum einen wird bei hohen Anstellwinkeln die Bodenfreiheit am Außenflügel problematisch. Dies ist einer der Gründe sowohl für die Entscheidung zugunsten der Mitteldeckervariante (ursprünglich wurde auch ein Tiefdecker in Betracht gezogen) als auch für die Verwendung von Wölbklappen.
Außerdem ist Flattern durch die Kopplung von Flügelbiegung und -Torsion bereits bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten ein Thema. Um dennoch eine im üblichen Bereich liegende Höchstgeschwindigkeit zu ermöglichen, ist die Flügelstruktur sehr steif ausgelegt und die Spannweite auf 15 m begrenzt.

Für gutmütiges Verhalten beim Strömungsabriss wird ein flächenmäßig fast rechteckiger Flügelgrundriss verwendet und der Flügel geometrisch geschränkt. Dadurch reißt die Strömung zuerst im Bereich des Innenflügels ab, was zu relativ harmlosem Abkippen nach vorne führt und die Gefahr einer vollständig abgelösten Strömung mindert.

Um insbesondere die Höhensteuerung trotz des fehlenden Leitwerks effizient zu gestalten, hat die AK-X jeweils dreigeteilte Flügelklappen. Diese erfüllen gleichzeitig die Funktionen von Querruder, Höhenruder und Wölbklappen. Zur Höhensteuerung schlagen dabei die jeweils innen (also vorne) und außen (hinten) liegenden Klappen gegensätzlich aus, wodurch insbesondere im Langsamflug mehr Auftrieb und weniger Widerstand erreicht werden kann, als mit einem einzelnen Höhenruder hinter dem Schwerpunkt.

Für die Gierstabilität und Seitensteuerung hat die AK-X (wie schon die SB-13) besonders große Winglets mit integrierten Seitenrudern. Durch besondere Profilierung mindern diese den induzierten Widerstand und sorgen durch differenziert ausschlagende Seitenruder für Steuerbarkeit.

Der aerodynamische Entwurf wurde mit mehreren Modellen in den Maßstäben 1:3,75 und 1:2 erprobt und verfeinert. Ebenso konnten damit Flugeigenschaften und außergewöhnliche Flugzustände wie Trudeln untersucht werden, wodurch eine gewisse Absicherung bezüglich der Charakteristik des manntragenden Prototypen gegeben ist.
Auf struktureller Seite werden die im Segelflugzeugbau üblichen Nachweise erbracht (unter anderem Bruchversuche für Flügel und Winglet) und allgemein auf Robustheit geachtet (zum Beispiel bei den Fahrwerken), sodass in Erprobung und Normalbetrieb stets Sicherheitsreserven vorhanden sind.

Projektfortschritt

Der Projektfortschritt lässt sich am besten über die Artikel in unserem Blog verfolgen.

2012-2015: Um die Flugeigenschaften und Struktur unseres Entwurfs zu erforschen wurden mehrere 4m-Modelle und ein 1:2 Modell mit 7,5m Spannweite aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Letzteres ist auch strukturell dem späteren Prototyp nachempfunden, um übertragbare Ergebnisse gewinnen zu können. Die bislang rund 140 Starts dieses Modells bestätigen unsere Erwartungswerte und Berechnungen. Für den Bau des finalen Flugzeuges wurden mehrere Studien- und Abschlussarbeiten in den Bereichen Steuerungstechnik, aerodynamische Auslegung, Werkstoffe und Strukturauslegung durchgeführt.

2016: Parallel zu den konstruktiven Arbeiten wurden die Negativformen beider Tragflächen und die Positivform des Rumpfes hergestellt und ein kompletter Testflügel gebaut. Dieser wurde erfolgreich einem Bruchversuch beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart unterzogen, um die Strukturrechnung zu verifizieren.

2017: In diesem Jahr wurden die Innenausbauten, Fahrwerke und Steuerung auskonstruiert. Parallel zu den theoretischen Untersuchungen wurden auch Versuchsteile in Originalgröße gefertigt. Die Entwicklung struktureller Bauteile der Flügel ist damit abgeschlossen worden. Weiterhin war es möglich, einen Großteil der Strukturbauteile aus kohle- und aramidfaserverstärktem Kunststoff zu bauen. Dabei konnten wir mit der Hilfe einiger Industriepartner auch neues Know-How in der Gruppe etablieren und so die Fertigung weiter verbessern.

2018: Motiviert durch das 90-jährige Jubiläum der Gruppe arbeiteten wir auch 2018 sehr ambitioniert an unserem Nurflügler. So wurde die gesamte Steuerung des linken Flügels gefertigt und eingebaut. Anschließend konnte der Flügel verklebt werden und ist somit nahezu flugfertig. Auch der Rumpf konnte strukturell fertiggestellt werden, was den Beginn der Fertigung vieler Steuerungs- und Fahrwerksbauteile ermöglichte.

2019: Ein weiterer erreichter Meilenstein war die Fertigstellung unseres Bruchwinglets, welches aufgrund der unüblichen Flugzeugkonfiguration und des notwendigen Leichtbaus sehr hohe Anforderungen an Materialien und Fertigung stellt. Außerdem wurden 2019 ein Großteil der Strukturbauteile des rechten Flügels und der Rumpfeinbauteile hergestellt. Im Hintergrund haben wir zudem verstärkt an Nachweisen für die Zulassung gearbeitet und die Fertigung von Fahrwerken und Steuerung begonnen.

2020-2021: Trotz pandemiebedingt stark eingeschränkter Werkstattarbeit konnten wir die Schalen der fliegenden Winglets herstellen sowie den Wingletbruchversuch vorbereiten und erfolgreich durchführen. Ebenso konnte der Holm des rechten Flügels als wichtigstes Strukturteil fertiggestellt werden. Im Homeoffice wurde außerdem die Detailkonstruktion der verbliebenen Baugruppen sowie Fertigungsorganisation vorangetrieben, sodass nahezu alle Einzelteile der Fahrwerke sowie weitere Rumpfeinbauteile hergestellt werden konnten.
Parallel zum Bau des manntragenden Prototypen haben wir mit unserem 1:2-Modell in über 90 Flügen noch das Flugverhalten bei Strömungsabriss und Trudeln in den kritischeren hinteren Schwerpunktlagen erfolgreich erprobt.

2022: Anfang 2022 haben wir den Innenausbau des rechten Flügels inklusive der komplexen Steuerung komplettiert und mit dem Zukleben der Baugruppe einen wichtigen Meilenstein erreicht. An beiden Flügeln haben wir die Bremsklappen eingebaut und angepasst und die Struktur für die Verbindung mit Rumpf und Winglets vorbereitet. Auch der Innenausbau der Winglets hat große Fortschritte gemacht, sodass hier ebenso der Steuerungseinbau ansteht. Rumpfseitig arbeiten wir weiter an der Detailkonstruktion und Fertigung der vielen Steuerungs- und Fahrwerksteile und deren Zusammenbau sowie an der Herstellung der Cockpithaube.