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AK-X

Hebel, Stangen, Lager

Hinweis: Bei unserem letzten Artikel handelt es sich um einen Aprilscherz.

Die AK-X verfügt über insgesamt 10 Steuerflächen zur Kontrolle der Fluglage. Jede wird individuell angesteuert – rein mechanisch. Das bedeutet: Jeweils 5 Steuersignale müssen pro Seite durch den schlanken Flügel zu ihrem Bestimmungsort geleitet werden. Da elektronische Steuersysteme in Segelflugzeugen bisher kein Standard sind und wir bei unserem Prototyp bereits mit sehr vielen Standards gebrochen haben, bleiben wir bei der Steueranlage bei klassischen Hebeln und Stangen, um die Steuerbefehle zu übertragen.

Steuerflächen der AK-X: 1-3 Hauptsteuerung, 4-5: Nebensteuerung

Aber an dieser Stelle enden dann auch wieder die Gemeinsamkeiten mit herkömmlichen Segelflugzeugen. Denn bei konventionellen Segelflugzeugen werden maximal 3 statt 5 Steuersignale in den Flügeln übertragen und „normale“ Flugzeuge haben auch keine Kurve im Flügel. Eine weitere Herausforderung ist, dass Hochleistungssegelflugzeuge üblicherweise große Wassertanks in den Flügeln haben. So auch die AK-X. Doch die große Zahl an Steuerstangen führt leider dazu, dass einige der Steuerstangen durch den Tank verlaufen, was bei Serienflugzeugen eher die Ausnahme ist. Damit das Wasser auch im Flug abgelassen werden kann, kommt noch eine weitere Steuerfunktion hinzu: Die Wasserventile.

Damit uns Bau und Entwicklung deshalb nicht über den Kopf wachsen, haben wir versucht, so viele Serienteile wie möglich in unserer Konstruktion zu übernehmen. So werden als Bremsklappen die eines verbreiteten Segelflugzeugs aus der gleichen Leistungsklasse wie der AK-X verbaut, allerdings genau verdreht zur Serienversion: Die rechte Klappe bauen wir links ein.

Die Seitenrudersteuerstange durchquert den Hauptflügel lediglich: Das Seitenruder liegt im Winglet. Der Übergang zwischen Hauptflügel und Winglet muss also auch einen Anschluss für eine Steuerstange aufweisen. Hier haben wir einen automatischen Anschluss eines Segelflugzeugs der Offenen Klasse leicht abgewandelt. Für den Einbau eines Serienteils ist unser Bauraum jedoch nicht geeignet.

Zur Verbindung der Steuerstangen mit den Umlenkhebeln werden verschiedene Adapter benötigt. Auch hier können wir auf leicht abgewandelte Serienteile zurückgreifen. Die verbliebenen Teile können wir zum großen Teil selbst fertigen. Der Rest übersteigt jedoch unsere  technischen Möglichkeiten. Daher sind wir dankbar, dass sich auch hierfür Unterstützer in Wirtschaft und Universität gefunden haben.

 

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AK-X Coanda-Pfeil

Edit: wie viele mit Sicherheit bemerkt haben, handelt es sich hierbei natürlich um einen Aprilscherz 😉

Viele Segelflugzeuge verfügen heutzutage über einen Motor, der stark genug ist, damit das Segelflugzeug aus eigener Kraft starten kann. Für die AK-X haben wir das aus Platzgründen bisher nicht vorgesehen: Der Rumpf ist einfach zu voll gepackt, als dass da noch ein Antrieb reinpassen würde.

Doch die Lösung offenbart sich in der Schubklappe: Der Bremsklappenkasten wird, statt für die Bremsklappe, für elektrische Impellertriebwerke genutzt. Ein entsprechendes Konzept wurde bereits vorgestellt. Die AK-X wird nun das erste Segelflugzeug, welches das Prinzip in die Praxis umsetzt. Wir gehen jedoch noch einen Schritt weiter und werden das System nicht nur als sog. Heimkehrhilfe, sondern zum Eigenstart nutzen. Durch den Coandaeffekt ist sogar die Fähigkeit zum STOL (Short Take-Off and Landing) gegeben; ideal, um auch auf kleinen Startstrecken in die Luft zu kommen. Die AK-X bietet als Versuchsträger aber noch weitere Möglichkeiten: Durch die Kombination von Pfeilflügel und Wölbklappen ist es denkbar, den Coandastrahl nicht nur an den Bremsklappen zu erzeugen, sondern auf der ganzen Flügelspannweite mit den Wölbklappen nach unten umzuleiten und so senkrecht starten zu können – Ein VTOL-Flugzeug ist geboren (Vertical Take-Off and Landing).

Für Segelflugzeuge sind das einzigartige Entwicklungsmöglichkeiten: Statt nach einer Außenlandung mit dem Auto und dem Anhänger abgeholt zu werden, ist nach einer kurzen Aufladung der Akkus ein direkter, senkrechter (VTOL) oder kurzer horizontaler (STOL) Eigenstart von dem Acker möglich. So stellt auch die Übergangsphase in den Normalflug ein spannendes Forschungsfeld dar. Neben den klaren praktischen Vorteilen für den Segelflug, sticht auch das Interesse von Förderern heraus: Sowohl elektrisches Fliegen, als auch VTOL stößt auf eine breite Unterstützerbasis weit über den Segelflug hinaus. So war es für uns keine Frage: Die AK-X beschreitet den Weg zum Coanda-Pfeil.

AK-X

Ganz viel Papier… (Teil 2)

Darf man eigentlich einfach so ein Flugzeug bauen, einsteigen und losfliegen?

Jain.

Prinzipiell darf in Deutschland jeder ein Flugzeug bauen, aber im Zweifel macht man dafür auch viel Papier schwarz. Wenn man sich das Flugzeug dabei auch noch neu ausdenkt, wird es schnell mal ein bisschen mehr Papier. Vom ersten Schritt dabei, haben wir schon vor längerer Zeit berichtet. Wem dieses Feld völlig neu ist, sollte daher zunächst Teil 1 lesen.

Wenn man also zusammengetragen hat, was das Flugzeug alles so in seinem Leben erfahren kann und muss, dann ist es an der Zeit auszurechnen, mit welchem strukturellem Aufbau das zu schaffen ist.

TEIL 2: Festigkeitsnachweis

Im ersten Schritt muss man dazu berechnen, bei welchem Lastfall welche Luftkräfte an welchen Stellen auf das Flugzeug wirken können. Dazu gibt es verschiedene Computerprogramme, die von „einfachen“ Wirbelgitterverfahren bis hin zu komplexen CFD-Modellen solche Berechnungen erlauben. Für Kleinflugzeuge ist aus vielerlei Hinsicht ein Wirbelgitterverfahren im Gegensatz zu CFD-Simulationen zweckmäßig:

  • Der Modellierungsaufwand ist überschaubar: Die Eingabedaten können so auch zügig variiert werden. Falls sich im späteren Verlauf doch noch ein Festigkeitsproblem ergibt, sind die Änderungen schnell umgesetzt.
  • Der Rechenaufwand ist gering: Auch mit einem Privatrechner können eine Vielzahl von Lastfällen automatisiert in kurzer Zeit nacheinander durchgerechnet werden.
  • Die Genauigkeit ist meist sogar höher: Woran liegt das? Eigentlich kann eine CFD-Simulation das Problem ja viel detaillierter abbilden. Somit können auch Bereiche mit Unstetigkeiten, wie z.B. der Flügelübergang zum Winglet oder Rumpf besser wiedergegeben werden. Aber das ist eben nur die halbe Wahrheit. Strömungsdynamik ist ein äußerst komplexes Problem. Im Segelflug spielt der Übergang von laminarer zu turbulenter Umströmung von Flügeln eine zentrale Rolle bei der Eigenschaftsbestimmung, da viele Effekte davon beeinflusst werden, ob die Strömung an einer Stelle laminar oder turbulent ist. Diesen Übergang korrekt zu bestimmen ist eine zusätzliche Rechenaufgabe in der Problemlösung, die von vielen Parametern abhängt. Tatsächlich sind die Parametrisierungen in den Programmen, die nur für die Profilberechnung von Unterschallflugzeugen geschrieben wurden besser als die in allgemeingütigen CFD-Solvern. Daher stimmt im Falle der Kleinflugzeuge die Lösung der dafür entwickelten Programme trotz einfacherer Theorie oftmals besser mit der Realität überein. Natürlich kann ein CFD-Solver auch mit einer passenden Parametrisierung gefüttert werden, um für diese Problemklasse die richtigen Ergebnisse zu liefern. Das ist jedoch sehr aufwendig und muss wieder mit Versuchen überprüft werden. Zu viel Aufwand für einen zu geringen Erkenntnisgewinn.

Die Programme, die bei uns zum Einsatz kamen waren AVL und XFOIL, beides Open-Source-Programme vom MIT. Geschickt war die Verwendung auch, weil schon die aerodynamische Auslegung des Prototyps sowie der Flugmodelle der AK-X damit gemacht wurden und somit klar war, dass die Programme auch im Falle unseres Nurflügels brauchbare Ergebnisse liefern. Gesteuert wurde die Vielzahl an Einzelrechnungen durch eine selbst geschriebene Matlab-Routine.

Nachdem wir nun also die aerodynamischen Lasten für unseren Lastfallkatalog kannten, musste das Festigkeitsverhalten unserer Flügel- und Rumpfstruktur untersucht werden.

Für die Flügel haben wir einen klassischen Biegebalkenansatz gewählt und mit unserer Matlab-Routine für den kompletten Flügel ausgewertet. Ein Teil der Ergebnisse wurde im Bruchversuch bereits bestätigt.

Für den Rumpf wählten wir einen anderen Ansatz: Aufgrund der Form und der vielen Ausschnitte für Fahrwerke, Haube, Kupplungen, Rettungssystem, usw. wäre ein Biegebalken eine eher ungenügende Abbildung der Realität. Die Lasten werden schlicht von anderen Effekten, die durch diese Unstetigkeiten hervorgerufen werden, dominiert. Das kann ein Biegebalkenmodell nicht abbilden. Daher wurde der Rumpf mithilfe eines FEM-Modells nachgerechnet. Ob die „bunten Bildchen“ auch tatsächlich die Realität mit genügender Genauigkeit darstellen, wird ein Belastungsversuch am Prototyp zeigen.

AK-X

Rumpfausbau

Im ersten Semester Maschinenbau bekommt der Student beigebracht: Doppelpassungen sind Mist. Und was ist das, eine Doppelpassung? Ein einfaches Beispiel: Ich möchte in mein Haus ein Bücherregal auf die Treppe stellen. Weil es schick aussehen soll, soll das Regal dabei auf jeder Stufe einen Fuß haben. Auch ohne es auszuprobieren wird jedem schnell klar: Dass wirklich jeder Fuß seine Stufe berührt, ist extrem schwierig zu schaffen, warum? Weil es mehr Bedingungen als Freiheitsgrade gibt. Im Maschinenbau gilt deshalb die Regel: Jeder Freiheitsgrad wird genau einmal eingeschränkt, es gibt also nur so viele Füße, wie ich unbedingt brauche, damit das Regal nicht umkippt. Alles andere ist eine Doppelpassung.

Und was hat das mit dem Rumpf der AK-X zu tun? Sehr viel: Die Konturen der Einzelteile sind weit komplexer als die einer Treppe. Um geschlossene tragende Querschnitte, dichte Tanks, bequeme Sitze u.ä. zu realisieren, müssen die Einzelteile an vielen Stellen möglichst exakt zusammenpassen – zu vielen Stellen, wenn man an die Treppe denkt. Damit das trotzdem funktioniert, ist Detailarbeit gefragt: Das geht in der Konstruktion los: Welche Teile stoßen wie zusammen? Wie dick sind ihre Schichten, wieviel Ungenauigkeit hab ich beim Bau der Formen und Teile zu erwarten? Wieviel Verklebegut kann ich mir leisten im Hinblick auf Gewicht? Hat der Pilot oder andere Baugruppen noch genug Platz? Usw. Usf…

Beim Zusammenbau zeigt sich nun, wie gut man das alles eingeschätzt hat. Und auch wenn alles erstaunlich gut funktioniert, sind doch auch bei der Montage noch viele Details auszuarbeiten: Wie genau realisiere ich Kabelführungen? Wie kann ich Teile an ihre endgültige Kontur möglichst exakt anpassen? Welche Bohrung setze ich wann, um eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem CAD-Modell zu erreichen? …

Alle diese Fragen haben wir uns in den letzten Monaten gestellt und in den Bildern kann man nun einen Zwischenstand sehen:

 

AK-X

3D-Druck Steuerungsbauteile

3D-Druckverfahren in der Luftfahrt? Letztes Jahr haben wir schon von unserer Anwendung in der Formmanipulation berichtet. Doch „fliegende Teile“ mit einem Drucker fertigen, noch dazu als Teil der Steuerung? Das ist eine Nummer größer, zu groß, dachten auch wir lange. Der Aufwand, so etwas zu entwickeln und zu testen wäre für uns allein finanziell und zeitlich viel zu groß. Wie gut, dass an so etwas auch andere Leute großes Interesse haben, da es von vielen als Schlüsseltechnologie angesehen wird. Im letzten halben Jahr haben wir so eine Kooperation mit der Firma Rosswag und dem IAM-WK am KIT ins Leben gerufen. Nun ist es spruchreif und die ersten Materialproben befinden sich in der chemischen Analyse. Im nächsten Schritt werden dann die mechanischen Probekörper gedruckt. Diese werden dann von einem unserer Mitglieder in den Laboren des IAM getestet und anschließend für das Luftfahrt Bundesamt (LBA) dokumentiert. So streben wir an, Metall-3D-gedruckte Lagerpunkte für Hebel der Steuerung der AK-X fertigen und einsetzen zu dürfen. Der Vorteil solcher Bauteile für uns im Prototypenbau ist die Möglichkeit sehr komplexe Geometrien und Funktionen in einem einzelnen Bauteil realisieren zu können. Das wiederum vereinfacht die übrige Konstruktion sehr stark, was wiederum Zeit und Geld spart, die Montage vereinfacht und Funktionalität sicherstellt. Auch eine Gewichtsersparnis kann erreicht werden, ist jedoch nicht unser primäres Ziel.

Wir sind gespannt wie es weitergeht und hoffen, zusammen mit unseren Partnern die Allgemeine Luftfahrt technologisch voranzubringen.

Events

Vielen Dank an alle Unterstützer

Dieses Jahr war die Akaflieg Karlsruhe der Gastgeber des alljährlichen Wintertreffens der Idaflieg (Interessentengemeinschaft der deutschen akademischen Fliegergruppen). Neben den zehn deutschen Akafliegs waren auch Institutionen der Segelflug und Luftfahrt-Szene, wie die Luftfahrtlehrstühle der Universitäten, das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) und das Luftfahrt-Bundesamt (LBA), vertreten. Die “Akaflieger“ haben die Projekt-Fortschritte, Ergebnisse aus Messprojekte und den allgemeinen Stand der Dinge präsentiert.

So eine Veranstaltung funktioniert nur mit einer hohen Teilnehmeranzahl. Nur so kann der Austausch zwischen den einzelnen Fliegergruppen, der Kernpunkt der Veranstaltung, funktionieren und nur so kann diese weltweit einzigartige Struktur, die einen wertvollen Entwicklungs- und Forschungsprozess ermöglicht, am Leben gehalten werden. Um unser Ziel, die Veranstaltungsteilnahme für möglichst viele Studierende zu ermöglichen, war uns die Unterstützung der Unternehmen sehr wichtig.

Für Ihren Beitrag wollen wir uns bei allen Spender bedanken. Mit finanzieller Unterstützung und hilfreichen Materialien haben Sie einen unerlässlichen Beitrag zum Erfolg des Treffens geleistet und haben so junge, engagierte Akademiker, mit Begeisterung für die Luftfahrt, gefördert.

AK-X

Linker Holm fertig

Seit dem letzten Projektbericht ist schon einige Zeit ins Land gegangen und damals haben wir von Rückschlägen berichtet. Man könnte meinen, die Motivation hätte gelitten. Weit gefehlt: Wir sind nur nicht dazu gekommen, von den letzten Fortschritten zu berichten.

Mittlerweile haben wir den linken Flügelholm fertiggestellt und eingeklebt. Das bedeutet auch, dass bereits sämtliche Aufnahmen für Steuerungsanbauten angebracht sind. Der Holm ist bei der AK-X ein ausgesprochen massives Bauteil: 50,2kg bringt er auf die Waage und macht damit über die Hälfte des Gesamtgewichts (inklusive Lack, Verklebegut, Steuerungsanlage, Flügelschalen, Rippen, Stege, Beschläge, Schotts, etc.) aus.
Besonders spannend während dem Bau des Holms war das Infiltrieren der Schubbelegung. Wenn während dem Prozess etwas schief geht, sind mehrere Monate Arbeit und teures Material gefährdet. Aber auch das hätte nicht besser laufen können und das Ergebnis ist eine verhältnismäßige sehr leichte Belegung mit perfekter Faserorientierung.

Damit ist die letzte Phase des Flügelbaus in den Formen eingeläutet: Der Innenausbau samt Steuerungsmontage. Die Fertigstellung der Konstruktion dieser ca. 250 Einzelteile umfassenden Baugruppe hat uns in den letzten Wochen nochmal einiges abverlangt. Aber nun sind alle Teile in der Fertigung. Unser nächster Beitrag wird sich dann ausführlich mit diesen Teilen beschäftigen.

 

Interessierte Zuhöhrer auf dem Wintertreffen 2018 Events

Idaflieg-Wintertreffen in Karlsruhe

Die Akaflieg Karlsruhe hat vom 19. bis zum 21. Januar das diesjährige Wintertreffen der Idaflieg (Interessengemeinschaft deutscher akademischer Fliegergruppen) ausgerichtet.

Auf dem Wintertreffen tauschen sich die zehn deutschen Akafliegs über die Geschehnisse des vergangenen Jahres aus. Dazu gehört ein Bericht über den allgemeinen Stand der Dinge, den jede Gruppe präsentiert. Außerdem wurde die Entwicklung der Projekte vorgestellt. Die Akaflieg Karlsruhe konnte hier über den Baufortschritt der AK-X und die neusten Erkenntnisse in der Flugerprobung der AK-8 berichten.

Des Weiteren wurden Forschungsergebnisse von Messprojekten, die auf dem Sommertreffen des vergangenen Jahres durchgeführt und inzwischen ausgewertet wurden, präsentiert.

Auch von anderen Institutionen der Segelflug-Szene wie den Luftfahrtlehrstühlen der Universitäten wurde über neue Erkenntnisse informiert. Das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR), das besonders im Zusammenhang mit dem Sommertreffen eng mit der Idaflieg zusammenarbeitet sowie das Luftfahrt-Bundesamt (LBA) waren ebenfalls vertreten.

Neben dem Informationsaustausch steht auch das Kennenlernen und Pflegen der Kontakte untereinander im Fokus. Ganz in Idafliegtradition wurden die Abende in geselliger Runde verbracht.

Schließlich möchten wir uns bei den Unterstützern der Veranstaltung bedanken, die uns geholfen haben ein interessantes Wintertreffen zu ermöglichen.

 

 

 

  

  

 

    

 

  

 

 

 

 

AK-X

Es läuft nicht immer alles rund

Letzte Woche fand in Braunschweig das Segelflugsymposium statt. In diesem Rahmen konnten wir einen Einblick in die praktischen Erfahrungen mit verschiedenen modernen Fertigungsverfahren beim Bau der AK-X gewähren.

Eigentlich können wir stolz auf den Baufortschritt der letzten Monate sein. In den Flügel- und Rumpfformen liegen die fertigen Schalen dieser großen Bauteile. Außerdem liegen da etliche Teile, die als Rippen, Kästen, Stege, etc. dort in der nächsten Zeit fest eingebaut werden sollen. Je nachdem, ob man gefertigtes Bauteilvolumen oder Bauteilanzahl betrachtet sind zwischen 60% und 90% der Struktureinbauteile dieses Jahr gebaut worden. Aber wenn man ein Flugzeug zum ersten Mal baut, dann geht auch öfter mal etwas schief. Manchmal ist es Unachtsamkeit, eine falsche Einschätzung, fehlende Erfahrung, Ungeschicklichkeit oder auch mal schlicht Pech. So gibt es manche Teile für unser Flugzeug mittlerweile mehrfach. In den Müll wandern jedoch die wenigsten Ausschussteile. Es gibt eigentlich immer eine Anschlussbeschäftigung, auch wenn die meist nicht viel mit Fliegen zu tun hat.

 

AK-X

Rumpfschalen fertiggestellt, Einbauteilfertigung

Nachdem die Rumpfschalen wieder zurück in unserer Werkstatt waren, haben wir uns direkt daran gemacht, auch noch die übrigen Arbeiten daran zu erledigen: Im Heck sind die Schichtstärken so gering, dass eine CFK-Schaum-Sandwichstruktur nötig ist. Es galt also den Schaum einzupassen, einzukleben, besondere Stellen herauszuarbeiten und schließlich die innere Kohlefaserlage aufzulaminieren. Die Übung aus diversen Modellen, dem Bruchflügel- sowie dem Flügelbau machte sich da bezahlt, sodass es jetzt ein Leichtes war, diese Schritte durchzuführen. Und so kam der schöne Moment, bei dem die Oberseite des Rumpfes aus ihrer Form gelöst werden konnte, um in Zukunft die Maßhaltigkeit der Einbauteile in der unteren Hälfte überprüfen zu können.

Apropos Einbauteile: Auch hier haben wir mit der Fertigung begonnen. Zunächst fertigen wir von jedem Teil einen Dummy aus Glasfasern, bei dem wir dann die nötigen Aussparungen heraussägen, um sämtliche Funktionen des Bauteils zu ermöglichen. Zurückgelegt in seine Form ist so ein Dummy dann eine perfekte Schablone, um die Form so zu ergänzen, dass das echte Teil dann ohne Aussparung in den Rumpf passt und seinen Zweck erfüllt.