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AK-X

Die Mischerplatte

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oder: das Herzstück der AK-X Steuerung

So wie quasi alle Bereiche des (öffentlichen) Lebens steht leider auch bei uns die Werkstattarbeit aufgrund des Coronavirus gezwungenermaßen quasi still. Zeit genug, um wichtige organisatorische oder zulassungstechnische Themen aufzuarbeiten, die leider sonst oft ein bisschen auf der Strecke liegen bleiben. Und ebenfalls Zeit genug, um wieder ausführlicher über unsere Arbeit zu Berichten. Aufgrund eines Leserwunsches [Anm. d. Red.: Falls auch du – ja genau du – ein bestimmtes Thema näher erläutert haben willst, kannst du uns gerne kontaktieren; vielleicht ergibt sich ja auch daraus ein weiterer Artikel. Eine Antwort gibt es aber in jedem Fall 😉] widmen wir uns heute dem Thema Steuerung der AK-X, genauer gesagt der Mischerplatte, dem Zentralen Element der Steuerung.

Die Steuerung der AK-X

Doch gehen wir nochmal ein paar Schritte zurück und reden über die Steuerung eines Segelflugzeugs allgemein. Was muss diese können? Die Steuerung ist dafür da, die vom Piloten gewünschte Flugzeugbewegung durch Eingabeorgane über Übertragungsglieder zu den entsprechenden Steuerflächen zu bringen. Diese sehr abstrakte Formulierung wird meistens durch relativ einfache, Mechanische Hebel und Seilzüge realisiert. Die Bewegung des Steuerknüppels wird aufgeteilt in Höhenruder- und Querrudersignal und über Steuerstangen an die jeweiligen Ruder übertragen. Verfügt das Flugzeug zusätzlich über eine Wölbklappe, wird diese in der ein oder anderen Weise zum Querruder dazu gemischt, da die Funktion ebenfalls durch Ruderklappen an der Flügelendleiste realisiert wird. So langsam kommen wir zum Kern des Problems: die AK-X verfügt über kein Höhenruder im klassischen Sinn. Die Funktion des Höhenruders ist ebenfalls in den Flügelendleistenklappen integriert. Wölbklappenflugzeuge verfügen über eine, meistens aber zwei Ruderklappen im Flügel für die Funktion des Querruders und der Wölbklappe. Die AK-X benötigt aus flugmechanischen Gründen drei Klappen: eine vor dem Schwerpunkt, eine im Schwerpunkt und eine hinter dem Schwerpunkt.

Draufsicht der AK-X mit Ruderklappen:
1. innere Klappen vor dem Schwerpunkt
2. mittlere Klappen im Schwerpunkt
3. äußere Klappen hinter dem Schwerpunkt
4. Seitenruder in den Winglets

Aufgrund dieser kinematischen Randbedingungen – drei Ruderfunktionen durch die gezielte Ansteuerung von drei Ruderklappen realisieren – ergeben sich für die Steuerung der AK-X ein paar sehr interessante konstruktive Anforderungen. Im Kern dieser Anforderungen an die Steuerung steht die sogenannte Mischerplatte. Diese kann als Herzstück der Steuerung betrachtet werden, da sie die Funktion des Höhenruders, des Querruders und der Wölbklappe vereint – also mischt.

Die Mischerplatte ist die Rohrkonstruktion in der Mitte der Steuerung. Sie verbindet den Steuerknüppel (schwarz) mit den drei Outputplatten (oben). In diesem Bild ist nur eine Seite der Steuerung gezeigt.

Gehen wir ein bisschen auf den aktuellen Stand der Konstruktion ein. Die AK-X verfügt über zwei dieser Mischerplatten; jede ist für die Mischung einer Seite zuständig. Die Mischerplatte ist an ihrem unteren Ende über ein Gleitlager mit dem Steuerknüppel verbunden. Durch die Parallelogrammsteuerung sind dabei Höhenruder- und Querrudersignal eindeutig voneinander getrennt. Das Höhenruder beschreibt hauptsächlich eine Translation in der Flugzeuglängsachse, während das Querruder eine Rotation um diese Achse beschreibt.

Höhen- und Querruderanimation

Am oberen Ende der Mischerplatte sind die drei sogenannten Outputplatten befestigt. Diese nehmen das gemischte Signal der Mischerplatte ab und geben es als Output an die Steuerstange für die jeweilige Klappe aus. Dabei sind die Outputplatten auf einer Stange drehbar gelagert, welche durch eine Lageänderung im Rumpf die Outputplatten differenziert bewegt. Diese Bewegung realisiert die Wölbklappenfunktion. Das Bewegen der Outputplatten näher zum Flügel wölbt das Profil positiver, werden die Outputplatten in die Mitte des Rumpfes gezogen wird negativer gewölbt. Der Clou: die vorher vorgestellte Mischerplatte macht diese Bewegung mit und sorgt dafür, dass alle drei geforderten Bewegungen überlagert werden.

die Kernfunktion der Wölbklappe ohne Ansteuerung

Zusammengefasst heißt das also: die Mischerplatte mischt Höhen- und Querruder und gibt diese Signale auf die Outputplatten, welche die Signale um 90° umlenken und in den Flügel leiten. Der Rotationspunkt der Outputplatten wird durch die Spreizung der Wölbklappenstange eingestellt und  überlagert so zusätzlich die Wölbklappenfunktion.

AK-X

Bruchwinglet – Part IV

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Der letzte Artikel zum Bruchwinglet befasste sich mit dem Innenleben des Bauteils. Nach dem Verkleben der beiden Schalen ist dieser Bereich nicht mehr erreichbar und damit definitiv abgeschlossen. Das Entformen ist dann immer eine besondere Aktion: Zum ersten Mal hat man das neue Teil „vollständig“ in der Hand.

Bei den Winglets der AK-X ist die Struktur damit aber noch nicht vollständig fertig: Durch den scharfen Knick haben die Holmgurte bei Biegung des Winglets nach außen die Tendenz, sich vom Steg abzulösen (siehe Bildergalerie). Die Verklebung allein kann diese Belastung nicht aufnehmen, daher wird der Holm im Knickbereich mit Rovings umwickelt, um die Gurte zusammenzuhalten. Dieses Verfahren war für uns völlig neu und auch etwas mühsam, hat aber sehr gut funktioniert.
Schließlich wurden noch Deckel infiltriert, die die Schale über der Wicklung von außen schließen.

Außerdem mussten für die Steckung an den Flügel noch von außen mehrere Löcher gebohrt werden. Nach dem Erfolg dieser etwas nervenaufreibenden Aktion (schließlich könnte man das in vielen hundert Arbeitsstunden entstandene Teil erheblich beschädigen) konnten dann die letzten Messingbuchsen eingeklebt werden, über die sowohl im Bruchversuch als auch im Flug die Lasten an den Flügel übertragen werden.

Schließlich blieb noch das Besäumen der überstehenden Schale, um die Außenkontur auf die Endabmessungen zu bringen, das Einpassen und Einkleben der Deckel und Finishen der Oberfläche.
Parallel dazu wurde eine Transportkiste vorbereitet, um den sicheren Versand nach Paris sicherzustellen – und damit wären wir wieder am Anfang dieser Beitragsreihe.

  • Frisch aus der Form gepellt. Die Schale muss stellenweise noch zugesägt werden.
  • Im Knickbereich wirkt auf die Holmgurte eine Schälbeanspruchung…
  • Um diese abzufangen wurden bereits vor dem Bau der Schalen Inserts und Wachsplatten in die Form geklebt…
  • … um dann nach dem Entformen durch die entstandenen Schlitze den gesamten Holm im Knickbereich zu umwickeln.
  • Die Kohlefaserrovings halten die Gurte auch bei Schälbeanspruchung zusammen.
  • Zur Abdeckung der Wicklung wurden Deckel infiltriert…
  • Die Deckel werden eingepasst und schließen die Schale über der Wicklung.
  • Zum Schluss wird der bestehende Lack angeschliffen und für das Messefinish noch einmal überlackiert.

Aktuell arbeiten wir am Versuchsaufbau und dem Ablauf des Bruchversuchs. Dazu werden wir natürlich bald wieder berichten.

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Bruchwinglet – Part III

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Wie im letzten Artikel zum Bruchwinglet berichtet, sind die Schalen die größten und bei der AK-X auch aufwändigsten Einzelteile der Winglets. Nach deren Fertigstellung fehlt allerdings noch ein Großteil der Struktur, nämlich Holm- und Endleistenstege zur Kraftübertragung zwischen den Gurten bzw. den Schalen sowie einige Rippen und Stege für die Steckung zwischen Flügel und Winglet und ein Lagerbock für die Steuerung.
Für die passgenaue Fertigung haben wir zwei verschiedene Verfahren gewählt:
Die kleineren Teile, die präzise positionierte Bohrungen für die Steckungsbuchsen oder Lagerungen benötigen, sind geometrisch teils komplex. Wie auch schon für viele andere Einbauteile der AK-X wurden hierfür Formen FDM-3D-gedruckt. Das hat den Vorteil, dass kostengünstig und mit wenig Vorlauf- und Arbeitszeit auch komplizierte Formen realisiert werden können, die geometrisch gut dem CAD-Modell entsprechen.
Für die Holm- und Endleistenstege ist dieses Verfahren jedoch allein durch die größeren Abmessungen unpraktisch. Außerdem kommt es hier weniger auf exakt dem CAD-Modell entsprechende Geometrie an, sondern es ist wichtig, dass die Teile genau in die Schalen und somit zur realen Form der schon hergestellten Struktur passen. Dafür haben wir die Schalen geschlossen und den so entstehenden „Bauraum“ ausgeschäumt. Aus dem entformte Schaumkern wurden Positive, die den späteren Teilen entsprechen, ausgeschnitten und mittels Schleifen und Spachteln der gewünschten Form angepasst. Auf diesen Positiven konnten nun konventionelle GfK-Negativformen laminiert werden. Zur Verstärkung gegen Beulen wurden zugunsten eines niedrigen Bauteilgewichts und einfacher Herstellung Sicken durch in die Form geklebte „Linsen“ modelliert.
Formen sind im Prototypenbau oft die halbe Arbeit, und so konnten wir die eigentlichen Teile in wenigen Laminieraktionen zügig bauen.
Bei den Vorbereitungen zum Einkleben der Teile in die Oberschale zeigte sich der Vorteil des vielschrittigen Formenbaus: Insbesondere die mittels Schaumkern geformten Stege passen perfekt. Zuerst wurden die Stege im senkrechten Teil des Winglets eingeklebt. Für die sechs verbleibenden Teile machte sich die besondere Unterkonstruktion der Formen bezahlt: ohne eine horizontal ausrichtbare Verklebefläche (wenn auch in etwas unergonomischer Höhe) wäre die gleichzeitige genaue Positionierung der einzuklebenden Teile kaum möglich.
Schließlich konnten wir das Bruchwinglet endlich zukleben. Normalerweise ist das der letzte große Arbeitschritt an der Struktur einer Baugruppe. Doch was ist schon normal beim Bau eines Nurflügels? Um eine weitere strukturelle Besonderheit der Winglets und die letzten Arbeiten am Bruchversuchsteil geht es im nächsten Artikel…

  • Zuerst wurden die Schalen mit Folie ausgekleidet und mit Wachsplatten ein Verklebespalt simuliert.
  • Dann wurde die Form geschlossen und der Hohlraum ausgeschäumt.
  • Aus dem Schaumkern lassen sich Formkerne für die Einbauteile gewinnen…
  • … aus denen wiederum konventionelle Negativformen entstehen.
  • Schließlich werden darin die Holm- und Endleistenstege laminiert.
  • Andere Einbauteile entstehen in 3D-gedruckten Formen.
  • Genaues Ausrichten vor dem Einkleben in die Schale
  • Fertig eingeklebte Teile und Schaumbarrieren für das Verklebeharz
  • Fertig aufgetragenes Verklebeharz kurz vor dem finalen Schließen der Form
AK-X

Bruchwinglet – Part II

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Die Winglets der AK-X sind nicht nur ungewöhnlich groß, sondern müssen auch viel mehr Funktionen erfüllen als die Flügelenden herkömmlicher Flugzeuge. Wie bereits an früherer Stelle erklärt, gibt es hier einige aerodynamische Herausforderungen, die wiederum hohe Anforderungen an die Struktur stellen:
Für die Funktion als Seitenleitwerk ist ein hoher erreichbarer Maximalauftrieb nötig. Dieser sorgt (zum Beispiel bei hohen Geschwindigkeiten in böiger Luft) für sehr hohe aerodynamische Lasten auf das Bauteil. Insbesondere der enge Knick im Übergang von Flügel zu Winglet stellt durch die Umlenkung des Kraftflusses hohe Ansprüche an die Festigkeit. Gleichzeitig müssen die Winglets aber besonders leicht sein, um bei hoher Geschwindigkeit nicht das Flattern zu begünstigen.
Um diese widersprüchlichen Forderungen zu erfüllen kamen beim Bruchwinglet einige besondere Bauweisen zum Einsatz, die in den folgenden Blogbeiträgen genauer beschrieben werden sollen:

Zuerst ging es an den Bau der Schalen. Eine Neuheit für uns war die Verwendung von Biaxialgelege für die großen Kohlefaserlagen anstelle des im Flügel verwendeten Gewebes. Der für die Verstärkung des Knickbereichs aufwändige Lagenaufbau und die Harz- und damit Gewichtsersparnis sprechen für Vakuuminfusion der Außenschale anstelle des klassischen Handlaminierens. Um einen zusätzlichen Verklebespalt zu sparen und die mehrfach gebogene Geometrie überhaupt realisieren zu können, wurden die Holmgurte direkt in die Schale integriert. Das Laminat wurde dadurch relativ dick – und damit die Unsicherheit, ob das Harz überhaupt alle Lagen durchtränken kann. Um das kontrollieren zu können (und natürlich um das Gelege bestaunen zu können 😉 ) hatten wir mit Klarlack in die Form lackiert.
Stützschaum und Innenlaminat wurden konventionell gebaut, denn hier hätte die Vakuuminfusion durch Auffüllen der Poren im Schaum mehr geschadet als gespart.

  • Die erste Schicht eines außenliegenden Bauteils bildet der Lack (hier Klarlack), der direkt in die Form lackiert wird.
  • Zuvor wurden Wachsplatten und 3D-gedruckte Offsets in die Form geklebt, um Vertiefungen in der Schale, z.B. für Klebeflächen zu modellieren.
  • Einlegen der Gelege und Gewebe für die Außenschale – das erste arbeitsintensive Wochenende der nächsten zwei Monate
  • Zuerst werden Gewebe und Gelege der eigentlichen Schale mit zahlreichen Verstärkungslagen im Knickbereich eingelegt.
  • Es folgt der Infusionsaufbau: Lochfolie, Fließhilfe sowie die Schläuche für Harzzufluss und Absaugung.
  • Schließlich wird alles in Vakuumfolie verpackt, abgedichtet und der Harzzufluss kann geöffnet werden!
  • (Zwischen-) Ergebnis: Das fertige Außenlaminat der Oberschale. Gut zu sehen ist der in die Schale integrierte Holmgurt.
  • Als Nächstes wird der Stützschaum eingeklebt. Er verhindert Beulen an den dünneren Stellen des Laminats.
  • Und zu guter Letzt folgt das Innenlaminat. Hier die fertige Unterschale.

So hatten wir nach etwa drei Wochen mit mehreren Ganztages-Bauaktionen zwei schöne Schalen, die nur darauf warteten, mit Einbauteilen gefüllt zu werden. Um deren Entstehung geht es im nächsten Artikel.

AK-X

Positionierung der Druckabnahme

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Wie jedes andere Flugzeug benötigt die AK-X eine statische Druckabnahme, damit Instrumente wie Fahrt- und Höhenmesser funktionieren können. Eine Möglichkeit ist, diese Druckabnahme in eine lange, sog. Multisonde zusammen mit der Staudruckabnahme und der TEK (kompensierte Totalenergieabnahme für das Variometer) zu integrieren. Das ist bei der AK-X jedoch ungünstig, da eine solche Sonde in unserem Fall nur an der Rumpfspitze montiert werden kann. Dort gibt es jedoch einen Konflikt mit dem nicht weit entfernten Schleppseil. Alternativ ist es üblich, dass einfach 1-2 kleine Löcher an Stellen im Rumpf gebohrt werden, an denen die Luftströmung wenig gestört ist, wie z.B. in der Mitte der Rumpfröhre.

Bei der AK-X lässt sich so eine ungestörte Stelle durch die weit vorne liegenden Tragflächen und den sehr kurzen Rumpf nicht einfach ausmachen, weshalb wir mittels einer numerischen Strömungssimulation (CFD) die Druckverteilung um das Flugzeug für verschiedene Fluggeschwindigkeiten analysiert haben.


Höhere Fluggeschwindigkeiten führen zu höheren dynamischen Drücken. Da wir jedoch einen Ort suchen, an dem der äußere statische Druck an der Außenhaut des Flugzeugs anliegt, ist die höhere Geschwindigkeit für sich genommen kein Problem. Eine höhere Fluggeschwindigkeit bedeutet jedoch, dass der Anstellwinkel sinkt, was zu einer Verschiebung der Druckverteilung führt. Das kann man an den Verläufen der Isoflächen des statischen Drucks erkennen: Für jede Fluggeschwindigkeit ist die Stelle, an der der lokale statische Druck dem Umgebungsdruck entspricht anders:

Eine günstige Position für die statische Druckabnahme lässt sich also dort vermuten, wo die Isoflächen äußeren Druckes möglichst nah beieinander liegen und die Verschiebung der Druckverteilung in Abhängigkeit vom Anstellwinkel des Flugzeugs (der wiederum von der Fluggeschwindigkeit abhängt) gering ist.

Diese Einschätzung ist jedoch falsch bzw. unvollständig. Denn nach dieser Bedingung wäre eine Position der statischen Druckabnahme am Flügel durchaus positiv zu bewerten. Das Problem am Flügel sind jedoch die starken Druckgradienten, sodass schon bei kleiner Abweichung von der Isolinie ein deutlich anderer Druck vorliegt. D.h. man benötigt eine weitere Bedingung: Der Druckgradient muss an einer möglichen Position der statischen Druckabnahme gering sein.

Das bedeutet, wir legen ein Intervall um die Isofläche fest (in unserem Fall +-12Pa, was auf Mehreshöhe einem Höhenunterschied von 1m entspricht), in dem die statische Druckabnahme liegen muss. Wenn man diese Intervallisoflächen mit der Rumpfoberfläche verschneidet erhält man somit je Anstellwinkel (und damit Geschwindigkeit des Flugzeugs) zwei Linien, zwischen denen die statische Druckabnahme liegen darf, um einen maximalen Messfehler von +-1m Höhe zu gewährleisten. Hier kommt nun wieder die Geschwindigkeit direkt ins Spiel: Je schneller das Flugzeug fliegt, desto höher werden die Druckunterschiede auf seiner Oberfläche. Das bedeutet die festgelegten +-12Pa resultieren für höhere Geschwindigkeiten in immer schmaleren akzeptablen Bereich für die statische Druckabnahme.

Um nun die beste Position für die statische Druckabnahme zu finden, suchen wir also eine Stelle, die für möglichst alle Geschwindigkeiten innerhalb der jeweiligen akzeptablen Bereiche liegt. Am Flügel sorgen die großen Druckgradienten dafür, dass trotz nah beieinanderliegender Isobaren keine Schnittmenge der akzeptablen Bereiche zu finden ist. Anders sieht es am Heck aus. Die Isoflächen des statischen Drucks liegen zwar am Dach des Rettungssystemkastens nah beieinander, die Schnittmenge der akzeptablen Intervalle ist jedoch schlecht dort oben. Das ist schade, da diese Position einen einfachen Einbau und einfache Wartung erlaubt hätte.

Die einzige wirklich akzeptable Position liegt ungefähr in der Mittelebene des Rumpfes neben dem Rettungssystemkasten. Die auftretenden Einbauschwierigkeiten lassen sich jedoch lösen, sodass wir diese Position nun exakt einmessen werden, um die Druckbohrungen zu setzen.

DG-1000

Das Herbstschulungslager 2019

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Im Oktober 2019 fand traditionell das Herbstschulungslager der Idaflieg statt.
In diesem Fliegerlager treffen sich die Mitglieder verschiedener akademischer Fliegergruppen, um in einem gemeinsamen Flugbetrieb zwei Wochen lang unseren großartigen Segelflugsport auszuüben. Dadurch dass jeder Flugschüler auf anderen Schulungsflugzeugen und mit Fluglehrern anderer Akafliegs fliegen kann, ist dieses Lager erfahrungsgemäß mit großen Fortschritten für jeden Flugschüler verbunden. Auch für junge Fluglehrer war die Erfahrung mit so vielen unterschiedlichen Schülern und Flugzeugen besonders wertvoll. Der Start an der Winde war dabei für die Flugschüler der Akaflieg Aachen komplett neu, da diese auch in der Ausbildung nur im Flugzeugschlepp starten. Unter fortgeschrittenen Flugschülern und auch Piloten, die bereits eine Lizenz erworben hatten, erfreuten sich besonders die einsitzigen Prototypen der gastgebenden Akaflieg Karlsruhe großer Beliebtheit. Der Flug mit einem neuen Flugzeugtyp ist dabei für jeden Piloten immer eine sinnvolle und lehreiche Erfahrung.

Insgesamt sechs akademische Fliegergruppen waren zu Gast bei der Akaflieg Karlsruhe und am Flugplatz in Rheinstetten. Trotz hoher Teilnehmerzahlen kamen alle Teilnehmer auf Ihre fliegerischen Kosten, da fast jede teilnehmende Akaflieg einen Schulungsdoppelsitzer und oft auch noch ein einsitziges Flugzeug zur Verfügung stellen konnte. Die fliegerischen Leistungen sprechen für sich: Insgesamt gab es im Herbstschulungslager vier erste Alleinflüge. Selbst das durchwachsene Wetter konnte die gute Stimmung nicht dämpfen, für ausreichend Schlechtwetter-Aktivitäten in Form von Schwimmen oder Klettern war gesorgt. Ein besonderes Highlight des zweiwöchigen Lagers war unter anderem ein Kunstflugtag, an dem Flugschülern die Möglichkeit geboten wurde, mit erfahrenen Fluglehrern mit Kunstflugschein Karlsruhe von oben in diversen Kunstflugmanövern zu erleben.
Mit vielen Erfahrungen und neuen Freundschaften sind die Flieger wieder in ihre Heimatverein zurückgekehrt. Alle freuen sich auf ein baldiges Wiedersehen, spätestens im Herbstschulungslager 2020.

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Besuch bei Wassermann Technologie

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Einen großen Fertigungsaufwand an der AK-X stellen die unzähligen Metallteile dar die hauptsächlich in der Steuerung und den Fahrwerken verbaut sind. Bedingt durch die hohen Anforderungen übersteigen ebendiese Teile aber auch häufig unsere eigenen Fertigungsmöglichkeiten. Insb. CNC Fräs- und Drehteile können wir nicht selber fertigen. Umso dankbarer sind wir deshalb für Sponsoren, die uns bei diesen Teilen unterstützen.

Wassermann Technologie ist dabei zu einem sehr wichtigen Sponsoren für uns geworden, da uns die Firma mit einer Vielzahl an komplexen Fräs- und Drehteilen beliefern kann. Dabei setzen wir auf die jahrelange Erfahrung des Unternehmens in der CNC-Technik. Ende Mai hatten wir die Gelegenheit das Werk zu besuchen und die weitere Zusammenarbeit zu besprechen. Bei den anwesenden Maschinenbaustudenten waren die Fräszentren in der Größe eines Hauses Liebe auf den ersten Blick 😉

Viele fertige Teile konnten wir schon freudig in Empfang nehmen und einige Fertigungsaufträge laufen aktuell noch.

Teile der Lieferung von Wassermann Technologie. Diese werden in den Ruderanschlüssen verbaut.

Wir freuen uns auf eine weiterhin so gute Zusammenarbeit!

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Reparatur-Projekt Twin II

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Wir haben uns entschlossen, unseren Flugzeugpark um ein doppelsitziges Flugzeug vom Typ Twin II des Herstellers Grob Flugzeugbau zu erweitern. Genauer gesagt handelt es sich um Teile von insgesamt drei verschiedenen Flugzeugen dieses Typs. Das aus unserer Sicht unschlagbar günstige Angebot aus Dänemark wollten wir uns nicht entgehen lassen und haben daher quasi über Nacht Finanzierung und Transport der Flugzeugteile nach Karlsruhe organisiert.

Neben der Entlastung unseres Schulungsdoppelsitzers DG-1000 sind auch das Erlernen und die Weitergabe von Know-how im Bereich Flugzeugreparatur innerhalb der Akaflieg Ziele des Projekts.

Stand der Reparatur:

Der Twin mit dem Wettbewerbskennzeichen XNZ hat durch eine Außenlandung im Wasser Schäden an den Tragflächen erlitten. Der Rumpf ist bis auf kleine Beschädigungen jedoch intakt und in sehr gutem Zustand. Er soll nun, in Kombination mit einem anderen Flächenpaar, als erstes fliegen. Durch die Landung im Wasser mussten aus dem Rumpf alle Steuerstangen, die nicht aus Aluminium gefertigt sind, ausgebaut und auf Rost überprüft werden. Die Instrumente sowie die Schleppkupplungen wurden ebenfalls ausgebaut und zur Reparatur bzw Überholung zum jeweiligen Hersteller geschickt. Als nächstes gilt es, aus einem fertig geformten Haubenglas eine neue Haube auf den Rumpf anzupassen, und die bei der Landung zerstörte Fahrwerksverkleidung zu ersetzen. Am Holmtunnel ist leider eine etwas aufwändigere GFK-Reparatur notwendig.

Eine exakte Deadline für den Erstflug gibt es noch nicht, wir hoffen aber, dass die XNZ bereits in unserem Herbstschulungslager im Oktober geflogen werden kann.

AK-X

Hauptfahrwerk: Vom Reißbrett zur fertigen Baugruppe

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Während letztes Jahr sehr viel an den Tragflächen und dem Rumpf der AK-X gearbeitet wurde, ist zeitgleich auch die Konstruktion und Auslegung der Fahrwerke vorangeschritten. Im Folgenden erfahrt ihr, welche Schritte notwendig waren um vom Konzept über die Konstruktion und Auslegung zu den fertigen Bauteilen zu kommen.

Konstruktion: Wie anfangen?

Mit der Konstruktion des Hauptfahrwerks wurde im Januar 2018 begonnen. Als erstes mussten wir alle Anforderungen und Randbedingungen sammeln und uns überlegen, durch welches Konzept wir alles gleichzeitig erfüllen können. Hauptaufgabe des Fahrwerks ist es, den Stoß bei der Landung zu dämpfen und ein sicheres Ausrollen des Segelflugzeugs zu gewährleisten. Zusätzlich galt es einige weitere Herausforderungen zu meistern: Das Fahrwerk sollte hydraulisch einfahrbar sein, eine variable Spureinstellung besitzen und natürlich möglichst leicht sein. Und dann ist weiterhin auch noch der Bauraum in unserem Nurflügler sehr begrenzt.

In den folgenden Monaten entwickelten wir die kinematischen und hydraulischen Konzepte, schätzten den Bauraum einzelner Teile ab und konstruierten schließlich alle Komponenten des Fahrwerks. An dieser Stelle noch einmal vielen Dank an Herrn Mayer, der uns mit Know-How und Hardware bei unserem Hydrauliksystem geholfen hat (Hydraulik Liftsysteme Walter Mayer GmbH). Nach einigen Iterationen stand die fertige Konstruktion: So fährt das Fahrwerk nach dem Start ein und vor der Landung aus.

3D-Druck: Rapid Prototyping

Um unsere Konstruktion abzusichern haben wir eine komplette Version unseres Hauptfahrwerks 3D-gedruckt und in den Fahrwerkskasten eingebaut. Wir waren dabei erstaunt, wie gut viele Teile passten, haben aber auch festgestellt, dass wir wegen kleiner Bauabweichungen im Fahrwerkskasten ein paar Teile anpassen müssen. Mit den 3D-gedruckten Teilen geht das denkbar einfach, nach kurzer Behandlung durch Bandsäge, Dremel und Schleifscheife haben endlich alle Teile gepasst und wir konnten die neuen Maße ins CAD übernehmen.

Das 3D-gedruckte Fahrwerk hatte neben dem Rapid Prototyping noch einen weiteren Nutzen: Auf der 90-Jahr-Feier der Akaflieg konnten wir unseren Prototypen auf eigenem Fahrwerk vorstellen. Eine zweite Version des 3D-gedruckten Fahrwerks konnten wir dann auf der AERO 2019 vorstellen.

Materialwahl: Stahl oder doch etwas Ausgefallenes?

Bei Segelflugzeugen bestehen die Fahrwerke meist aus Stahl, denn trotz seiner hoher Dichte ist der Werkstoff wegen der hohen Festigkeit ein ausgezeichneter Leichtbauwerkstoff.

Für unsere Konstruktion hatten wir zunächst auch Stahl vorgesehen, da er neben der Leichtbaugüte auch noch einfach zu beschaffen und im Vergleich zu den anderen Leichtbauwerkstoffen sehr günstig ist. Zudem sorgt die hohe Steifigkeit von Stahl dafür, dass auch dünne Streben nicht so schnell ausknicken können.

Während der Berechnung hat sich jedoch schnell herausgestellt, dass die hohen Belastungen an das Fahrwerk entweder den Einsatz von viel Material oder hochfestem Stahl notwendig machen würden. Da wir ein hohes Gewicht vermeiden wollten, haben wir also hochfesten Stahl als Konstruktionswerkstoff der meisten Teile gewählt. Weniger belastete Bauteile sollten aus Aluminium hergestellt werden. Hochfester Stahl hat jedoch das Problem, dass er sich nicht mehr so gut schweißen lässt. Zudem hätten wir jedes geschweißte Teil wärmebehandeln müssen.

Zeitgleich haben wir durch die Firma Wolf-Hirth die Möglichkeit angeboten bekommen Titan-Bauteile zu schweißen. Kurzerhand wurde die gesamte Konstruktion auf den Einsatz von Titan geprüft und es hat sich gezeigt, dass wir mit ein paar kleinen konstruktiven Änderungen bei fast jedem Bauteil Titan einsetzen können.

Der Materialwechsel führte zu einer Reduktion auf fast die Hälfte des ursprünglichen Gewichts. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir uns das Lackieren ersparen können, da Titan im Gegensatz zu Stahl sehr korrosionsbeständig ist. Zudem hatten wir so die Möglichkeit neue Fertigungsverfahren zu nutzen, zum Beispiel bei der 3D-gedruckten Gabel des Bugfahrwerks.

Berechnung: Viele bunte Bilder

Nachdem die Konstruktion weitgehend abgeschlossen war, haben wir angefangen die Festigkeit unserer Bauteile zu berechnen. Die Berechnung war ein iterativer Prozess, bei dem wir immer wieder die Konstruktion an die vorgegebenen Lasten angepasst haben, bis diese zu einer möglichst gleichmäßigen Belastung aller Bauteile im Fahrwerk geführt haben.

Das war notwendig, da wir für unser Segelflugzeug die Sicherheit aller Teile gewährleisten müssen. Zudem möchten wir aber auch eine Überdimensionierung vermeiden und konnten so an vielen Ecken nochmal etwas Gewicht einsparen.

Die schönen bunten Bilder, die Abaqus ausgibt, müssen sinnvoll intepretiert werden: Wo sind Spannungsspitzen, die dem Bauteil langfristig schaden können? Wo ist noch Luft um Material zu sparen? Oder sollen wir doch einen anderen Werkstoff verwenden?

Fertigung: Jetzt gibts endlich Hardware

Nach über einem Jahr Konstruktion und Auslegung ist Anfang 2019 die Fertigung des Hauptfahrwerks angelaufen. Zunächst haben wir von allen Bauteilen technische Zeichnungen angefertigt und anschließend Unternehmen für die Fertigung kontaktiert. Die Firma Aircraft Philip hat die Fertigung unserer teilweise sehr komplexen Fräs- und Drehteile übernommen. An dieser Stelle wollen wir uns noch einmal für die großzügige Unterstützung bedanken. Einfache Bauteile haben die Konstrukteure und weitere Akaflieger selbst in unserer Werkstatt hergestellt. Einige Bauteile werden auch vom Institut für Strömungsmechanik am KIT gefertigt, vielen Dank nochmal insbesondere an Werkstattleiter Heiko Bendler und seine Azubis.

In den nächsten Wochen und Monaten gibt es noch Einiges zu tun, bis wir die Bauteile einbauen können. Viele der Frästeile sind die Knotenpunkte von Schweißkonstruktionen und müssen noch mit anderen Teilen und Halbzeugen zum fertigen Bauteil verschweißt werden. Dazu werden gerade bei uns in der Werkstatt Schweißgestelle gebaut, in denen die Teile zum Schweißen ausgerichtet werden. Nachdem die Bauteile verschweißt sind, können wir dann endlich anfangen unsere Fahrwerke in die AK-X einzubauen.

Lager

Pfingstfluglager 2019

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Für das diesjährige Pfingstlager ging es in den hohen Norden. Zu Gast bei der Akaflieg Berlin in Kammermark galt es, bei bestem Segelflugwetter die Landschaft Norddeutschlands aus der Luft zu erkunden. Getrieben von dem Wunsch einmal bis zur Ostsee und über die Insel Rügen zu fliegen, machten sich fast jeden Tag Piloten auf den Weg Richtung Norden. Der schlechten Thermik über der Mecklenburgischen Seenplatte und der Küste geschuldet, ließen so auch die ersten Außenlandungen nicht lange auf sich warten. Nichtsdestotrotz gelang es einigen Piloten die Küste zu erreichen und ihren Erfolg durch Fotos zu dokumentieren, bis abends bei einem gemütlichen Bier die besten Flüge des Tages gekürt wurden.

Ein besonderes Highlight des Fluglagers war der akaflieginterne Grand Prix, bei dem von 6 Flugzeugen ein vorgegebenes Dreieck zeitgleich abgeflogen wurde und alle Flugzeuge das Ziel mit nur wenigen Minuten Unterschied erreichten. Schließlich kam bei dem Fluglager auch die Schulung nicht zu kurz: Neben vielen erfolgreichen Überlandeinweisungen gab es auch den Freiflug eines Flugschülers zu feiern.

Einen der seltenen Tage mit weniger gutem Wetter nutzten wir um nach Berlin zu fahren, uns das dortige Technikmuseum anzusehen und anschließend mit Fahrrädern das Regierungsviertel zu erkunden.

Alles in allem war es ein sehr erfolgreiches Fluglager das wir mit vielen Erinnerungen an tolle Flüge verlassen haben. Nicht zuletzt möchten wir uns noch bei der Akaflieg Berlin für die tolle Gastfreundschaft bedanken.