AK-X | Akaflieg Karlsruhe

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Wingletbruchversuch erfolgreich!

22.09.202124.09.2021

Weit über 1000 Arbeitsstunden sind in den Bau von Bruchwinglet, Flügelsteckungsdummy und Versuchsaufbau, Lastfallanalyse und -Auswahl und die Organisation und Planung des Wingletbruchversuchs geflossen.
Nun haben wir diesen wichtigen Meilenstein erfolgreich hinter uns gebracht!

Vorbereitungen

Im Vorfeld war trotz seit längerem fertiger Bauteile (siehe Warten auf Wingletbelastung) noch Einiges vorzubereiten: Neben der Abstimmung mit dem Luftfahrtbundesamt (LBA) und der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine (VAKA) am KIT, wo wir den Versuch durchgeführt haben, haben Planung und Vorbereitung des Versuchsaufbaus viel Zeit in Anspruch genommen. Derart umfangreiche Versuche bieten viel Raum für unerwartet auftretende Probleme. Aufgrund des begrenzten Zeitfensters für die Nutzung der Versuchshalle – ein Tag für den Aufbau sowie ein weiterer für Durchführung und Abbau – war es entsprechend wichtig, auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein.

Der Aufbau funktionierte – auch dank der fachkundigen Unterstützung durch die Mitarbeiter der VAKA – problemlos. Zunächst montierten wir das Lasteinleitungsgeschirr an der Prüfmaschine und unser Einspanngestell am Nutenboden. Mit dem darauf gesteckten Bruchwinglet wurde dann alles zueinander ausgerichtet. Um den gesamten Aufbau haben wir schließlich eine Box aus Dämmelementen aufgestellt. Nach der Befestigung von Kameras, Sensoren und dem Aufbau der Heizanlage wurde der gesamte Aufbau über Nacht aufgeheizt, um alle Bauteile am nächsten Morgen zuverlässig auf die Versuchstemperatur von 54 °C durchgewärmt zu haben.

Versuche

Am nächsten Morgen ging es ans Eingemachte:
Zuerst wurden mittels Handkraftmesser einige zusätzliche Lastfälle getestet:
An der Wingletspitze dominieren die von der Bauvorschrift vorgegebenen Handkräfte von 15 daN, die das Winglet in alle Richtungen ertragen können muss. Außerdem wurde die bei einer Drehlandung auftretende Kraft am Bodenberührungspunkt des Flügels – also nahe dem Knick des Winglets – getestet. Aufgrund der hohen erwarteten Sicherheiten haben wir diese Lasten unter den wachsamen Augen unseres LBA-Projektbetreuers bis zu einem Sicherheitsfaktor von 1,5 aufgebracht und gehalten. Der Erfolg dieses ersten Teils des Bruchversuchs wurde bestätigt, als wir danach keine bleibenden Deformationen feststellen konnten.

Schließlich ging es mit dem eigentlichen Versuch los: Der dimensionierende Lastfall für das Winglet ist eine seitliche Böe bei hoher Geschwindigkeit. Durch die große Fläche des vertikalen Teils wird dabei das gesamte Winglet sowie die Steckung zum Flügel stark beansprucht. Auf der Seite, auf der das Winglet durch die Luftkraft nach außen gebogen wird, treten durch die Geometrie noch größere Lasten im Knick- und Steckungsbereich auf als bei Biegung nach innen. Daher wurde im Bruchversuch die Biegung nach außen getestet. Um die Last durch die vertikal arbeitende Prüfmaschine direkt einleiten zu können, ist das Winglet im Versuchsaufbau so gedreht, dass dessen vertikaler Teil annähernd horizontal ist. Damit die Last im verformten Zustand, nahe der erwarteten Bruchlast, möglichst genau den tatsächlichen Bedingungen entspricht, wurde der Winkel des unbelastet eingespannten Zustands entsprechend angepasst.

Das Winglet wurde zunächst bis zur sicheren Last von j=1 belastet, das entspricht in diesem Fall etwa 1800 N. Bis dorthin darf natürlich nichts kaputtgehen, sodass jedes plötzliche Knacken oder Knallen ein bisschen Nerven kostet, auch wenn es durch leichtes Verrutschen oder Setzen des Lasteinleitungsgeschirrs ausgelöst wird. Nach dem folgenden Entlasten konnten wir das Winglet noch ein letztes Mal in intaktem Zustand begutachten und uns durch die Kraft- und Weg-Aufzeichnungen der Messaufnehmer davon überzeugen, dass keine bleibenden Deformationen auftreten.
Ab dann ging es nur noch „nach oben“. Alle vorgeschriebenen Lasten müssen im Versuch mindestens 3 Sekunden lang getragen werden. Mit Pausen bei den entsprechenden Sicherheitsfaktoren von j=1 und j=1,5 (mindestens nachzuweisende Bruchlast) ging es weiter an j=1,725 (Nachweis der Dauerfestigkeit) vorbei dem sicheren Bruch entgegen. Gelegentliches Knacken wies darauf hin, dass trotz steigender Last nun erste Schäden auftraten. Bei j=2,1 wurde ein erster äußerlich erkennbarer Schaden, nämlich Beulen an der Endleiste im horizontalen Teil sichtbar. Dennoch konnte die Last weiter gesteigert werden, bis schließlich bei j=2,2 die Schale an der Nasenleiste im Horizontalteil versagte und auch der Holm brach.

Auch im entlasteten Zustand hat das Bruchwinglet noch erstaunlich fest zusammengehalten, sodass wir den gesamten Aufbau wie auf der Hinfahrt transportieren konnten, nur mit ein paar offensichtlichen Schönheits- (und Struktur-) Fehlern. Um die Bruchstelle genauer analysieren zu können haben wir das Winglet schließlich noch aufgesägt.
Aktuell läuft die genaue Analyse und Nachweisführung. Mit dem erfolgreichen Nachweis der in der Bauvorschrift geforderten Sicherheiten steht dem Bau der fliegenden Winglets dann nichts mehr im Weg.

Ein großer Dank gebührt der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine am KIT! Durch die Nutzung der professionellen Prüfmaschine und Messtechnik und insbesondere auch durch fachkundige Beratung seit der frühen Planungsphase haben deren Mitarbeiter die Durchführung dieses für uns ziemlich komplexen Versuchs erst ermöglicht.

AK-X

Trimmgewichte – Alles stabil bei der AK-X?

09.07.202109.07.2021

Die Schwerpunktlage spielt bei der AK-X wie bei jedem Segelflugzeug eine wichtige Rolle. Sie beeinflusst sowohl Flugeigenschaften als auch Flugleistung und will somit optimal eingestellt sein. Dafür kommt ein Trimmballast im Heck des Rumpfes zum Einsatz, dessen frisch abgeschlossene Konstruktion nun zur Fertigung bereit ist.

Anforderungen

Eine Besonderheit bei unserem Nurflügel ist, dass der Pilot genau im Schwerpunkt des Flugzeuges sitzt. Dadurch entfällt die üblicherweise notwendige Kompensation der unterschiedlichen Pilotenmassen.

Allerdings ist es trotzdem notwendig, verschiedene Schwerpunktlagen erproben und einstellen zu können. Da der Flieger voraussichtlich im vorderen Bereich etwas schwerer wird als in der ursprünglichen Auslegung abgeschätzt, muss sowieso im Heck zusätzliches Gewicht hinzugefügt werden. Ein Trimmgewicht an der hinteren Rumpfspitze wurde schon zu Beginn der Konstruktion vorgesehen und soll mit variablem Ballast für Einstellungsspielraum sorgen.

Die Anforderungen sind wie folgt: Das Gewicht soll zwischen 5 und 30 kg in Stufen einstellbar sein. Der Schwerpunkt des Trimmgewichts soll so weit hinten wie möglich liegen und bei jeder Beladungskonfiguration die gleiche Außenkontur besitzen. Aus diesen Spezifikationen entwickelten wir dann das Trimmballastkonzept.

Konstruktion

Um das hohe Maximalgewicht von 30 kg zu erreichen, muss ein Teil des Trimmballastes nach vorn in den Tank des Wasserballasts hineinragen. Abgedichtet wird dieser Übergang durch einen O-Ring, welcher zwischen dem hintersten Spant des Rumpfes und der Grundplatte des Trimmgewichts montiert ist. Durch den Wasserkontakt haben wir uns für Edelstahl entschieden, damit es nicht zu Korrosion kommt. Die Grundplatte wird dauerhaft am Flugzeug verbleiben.

Ein Rohr, welches in den Wasserballast hineinragt, kann mit 8 Bleigewichten à 2kg bestückt werden. Um ein Verrutschen der Bleigewichte zu verhindern, werden diese an einem Rundstab verschraubt. Durch Abstandshalter können die einzelnen Bleigewichte auch in einem nicht vollständig gefüllten Rohr gesichert werden. Die Bleigewichte verfügen über je zwei Langlöcher, wodurch der Ausbau mit einem Ausziehwerkzeug erfolgt.

Ist das Rohr gefüllt, erfolgt die Montage der Trimmgewichtspitze, welche ein Gewicht von ungefähr 10 kg besitzt. Auch dieses Bauteil wird über den Rundstab gesichert, aber nun mit einem kleineren Durchmesser. Dadurch ist das Gewinde, mit dem die Bleigewichte gesichert werden, kürzer und ein Wechsel der Bleigewichte deutlich schneller. Um die Trimmgewichtspitze zu zentrieren und gegen Verdrehen zu sichern, gibt es eine Struktur auf der Grundplatte, die in das Trimmgewicht eingreift. Zudem besitzt diese Struktur auf der Grundplatte die Funktion, die Kontaktfläche zwischen Rohr und Grundplatte zu vergrößern.

Die gesamte Konstruktion wird durch eine Verkleidung aus Faserverbundwerkstoffen aerodynamisch abgedeckt. Die Befestigung der Verkleidung erfolgt durch in der Seite eingeschraubte federgelagerte Bolzen. Somit ist eine Demontage der Verkleidung und Änderung der Gewichtskonfiguration auf dem Flugplatz relativ einfach und schnell möglich.

Trimmballast am Rumpfheck mit Verkleidung

Wie geht es jetzt weiter? – Fertigung

Die Grundplatte und die Trimmgewichtspitze werden aus Rundmaterial aus dem Vollen CNC-gefräst. Andere Bauteile, wie das Rohr, der Rohrdeckel oder der Rundstab können auf Maschinen der Akaflieg bearbeitet werden.

Für den Guss der Bleigewichtscheiben haben wir uns für eine zweigeteilte Form aus Hochtemperatursilikon entschieden. Hierfür werden Formen per FDM-3D Druck gefertigt. Diese werden mit Silikon ausgefüllt und härten zur Vermeidung von Luftblasen unter Unterdruck aus. Anschließend wird die Form zusammengesetzt und mit Blei ausgegossen. Danach kann die Form wiederverwendet werden.

Die Verkleidung wird auf das montierte Trimmgewicht mit Trimmgewichtspitze laminiert. Dadurch ist ein perfektes Anliegen der Verkleidung auf der Grundplatte gewährleistet.

Die Baugruppe ist also für einen „bloßen Klumpen Blei“ relativ aufwändig, durch die ausgeklügelte Konstruktion mit einfacher und sicherer Anpassbarkeit des Ballasts erwarten wir aber auch einen großen Nutzen für Flugerprobung und Normalbetrieb.

AK-X

Comeback: Modellflugerprobung

25.05.202125.05.2021

Nach einer gut vierjährigen Pause hat das AK-X 1:2-Modell vor zwei Wochen seinen Wiedererstflug absolviert. Nun werden wir die Flugerprobung fortsetzen.

Doch warum die lange Pause? Das hat mehrere Gründe:
Auslöser war eine harte Landung, bei der das starre Bugfahrwerk stark beschädigt wurde. Dieses Problem war bekannt und es gab bereits Pläne für ein einziehbares, gefedertes und gedämpftes Bugfahrwerk. Dazu wurde auch ein neuer Rumpf gebaut. Unter anderem durch die gewonnen Erkenntnisse der Flugerprobung fiel jedoch die Entscheidung zunächst das manntragende Flugzeug zu bauen. In der Folge rückte der Modellflug in den Hintergrund.

Mittlerweile ist zwar immer noch viel am Prototypen zu bauen, aber die Anzahl paralleler Baustellen schrumpft allmählich. Außerdem haben viele der heutigen aktiven Mitglieder noch nie die Silhouette der AK-X am Himmel gesehen. Besonders Letzteres ist natürlich ein sehr ernüchternder Zustand und konnte zum Glück nun behoben werden.

Um die verbleibenden offenen Fragen bezüglich der Flugerprobung zu klären haben wir die Baumaßnahmen am neuen 1:2-Rumpf abgeschlossen und die nötigen Genehmigungen zum Starten eingeholt.

Flugzeugschlepp

Eine neue Besonderheit ist der Start: Mit seinen gut 50 kg ist das AK-Modell in Modellflugmaßstäben ein Schwergewicht. Nachdem wir in der Vergangenheit immer wieder Probleme mit dem Motor der ferngesteuerten Schleppmaschine hatten, kam die Idee auf, das Ultraleichtflugzeug zu verwenden, mit dem in Rheinstetten die bemannten Flugzeugschlepps gemacht werden.
Was erst verrückt klingt, stellt sich tatsächlich als gute Idee heraus: Die Fluggeschwindigkeiten im Schlepp liegen bei beiden Luftfahrzeugen bei etwa 100 km/h und auch die Spannweiten sind nicht so unterschiedlich. Da keine Standardverfahren existierten, dauerte die Beantragung der Genehmigung ein bisschen. In der Praxis ist der Betrieb aber einfach eine Mischung aus manntragendem Flugzeugschlepp und den Modellflugverfahren: Der Funkkontakt zwischen den Piloten läuft über einen Luftraumbeobachter, der neben dem Modell-Steuerer steht.

Nach der Nachprüfung des 1:2-Modells und Belastungsversuchen der Schleppkupplung konnten wir schließlich unter den Augen des Modellprüfers zum Wiedererstflug starten. Zunächst mussten noch Regen und niedrige Wolkenbasis abgewartet werden.
Schließlich gab es aber doch ein Wetterfenster, das einen Flug erlaubte. Fast so steil wie im Windenstart ging es nach sehr kurzer Rollstrecke in den Himmel, bis nach kurzer Zeit schon die niedrige Wolkenbasis erreicht war. Das Modell flog sowohl im Schlepp als auch im anschließenden freien Flug wie gewohnt einwandfrei. Die Landung gelang auch in Normalflug-Klappenstellung und dem entsprechend großen Anstellwinkel ohne Hüpfer. Das neue Bugfahrwerk hat sich also schon im ersten Flug bewährt.

Ein paar Details, die beim Fliegen aufgefallen sind, passen wir zur Zeit noch an. Dann stehen zuerst Vergleichsflüge zu Trimmgeschwindigkeiten und Schwerpunktlage an, um die Konsistenz der Erprobungsergebnisse zu gewährleisten. Dann soll sukzessive der Schwerpunktbereich erweitert und die Trudelerprobung mit Einziehfahrwerk und in hinteren Schwerpunktlagen fortgesetzt werden.

Fortsetzung folgt…

AK-X

Fehler – und was wir daraus lernen

29.03.202129.03.2021

Nicht immer läuft beim Bau eines Flugzeuges alles glatt. Prominente Beispiele haben wir vor ein paar Jahren hier zusammengefasst: https://akaflieg-karlsruhe.de/es-laeuft-nicht-immer-alles-rund/
Seitdem sind sehr viele Sachen sehr gut gelaufen, aber natürlich auch ein paar Sachen nicht so toll.
Ein besonders bitterer Fall für uns war, dass wir zum zweiten Mal einen Holmgurt für den rechten Flügel für die Tonne gebaut haben.

Aufgefallen ist der Fehler recht spät. Anfang 2020 haben wir die beiden Holmgurte des rechten Flügels mit dem vorläufigen Holzsteg verklebt. Erst nachdem wir den Holm aus dem Flügel gehoben haben, um im nächsten Schritt den Steg mit Kohlefaser zu verstärken, ist uns aufgefallen, dass ein Gurt sehr starke Ondulationen aufweist. Der Holmgurt lag bis dahin mit der fehlerhaften Seite in der Form, sodass dieser üble Schnitzer nicht aufgefallen ist.

Starke Wellen in den Fasern des Holmgurtes

Uns war klar: so kann es nicht weitergehen. Noch einen Holmgurt in den Sand zu setzen, würde neben hohen Kosten auch stark an der Motivation zehren. Deshalb haben wir im Laufe des letzten Jahres zwei Verbesserungen umgesetzt.

Verbesserung 1: überarbeitete Form

Die Rovings für den Holmgurt legen wir von Hand in den Flügel ein. Als Verlängerungsstück für die Wurzel (der Teil des Holmes, der später im Rumpf steckt), gibt es eine abnehmbare Form in die, die Rovings gelegt und abschließend gepresst werden. Innerhalb dieser Form werden Rovings beim Legen abgeschnitten, um die immer schmalerwerdende Geometrie umzusetzen.

Archivbild vor Corona: Bau des Holmgurtes durch vorsichtiges Platzieren einzelner Rovings

Durch diese Bauweise haben die Rovings in der Stummelform wenig Halt und können beim Verpressen leicht herrausgedrückt werden. Deshalb haben wir die Stummelform überfräst und den schmalerwerdenden Querschnitt zu einem konstanten abgeändert. So laufen beim Legen alle Rovings über die komplette Länge und können gegen Herausdrücken gesichert werden.
Natürlich muss später trotzdem noch die ursprüngliche anvisierte Form erreicht werden. Hier müssen wir also dann noch mit Trennscheibe und Schleifwerkzeugen ran.

In rot das entfernte Volumen der ursprünglichen Form

Verbesserung 2: neue Rovingziehmaschine

Die Rovingziehmaschine, von uns auch RZM genannt, dient zum Tränken der Kohlefaserrovings mit Harz. Die alte Maschine war uns schon länger ein Dorn im Auge. Der Harzverbrauch ist enorm hoch und es gab immer wieder Teile der Rovings die wir nicht verwenden konnten weil durch die Belastungen beim Tränken einzelne Fasern in Mitleidenschaft gezogen wurden. Da wir sowieso nicht direkt einen neuen Gurt bauen konnten und auch unsere gesammelten Erfahrungen den nächsten Projekten zugutekommen lassen wollten, haben wir eine neue Idee entworfen und umgesetzt.

Die neue Rovingziehmaschine verwendet ein anderes Konzept um die Rovingstränge mit Harz zu tränken: Die Rovings werden um drei große Edelstahlrollen gelenkt. Die ersten zwei dieser Rollen werden dünn mit Harz benetzt welches wiederum von den Rovings aufgenommen wird. Der größte Vorteil dieser Technik liegt darin, dass eine geringere Harzmenge für den Betrieb benötigt wird und deshalb die Temperaturentwicklung geringer und die Topfzeit höher ausfällt. Damit sinkt auch der Harzverbrauch der bei der alten RZM durch den regelmäßigen Austausch des Harzes nötig war. Eine weitere Änderung findet beim Abstreifvorgang statt. Zusätzlich zu der Hauptdüse die den gewünschten Faservolumengehalt einstellt wird eine weitere Düse vorgeschaltet, die den Großteil des überflüssigen Harz bereits abscheidet. Die Belastung der Hauptdüse wird dadurch gesenkt was zu einer längeren Standzeit und noch genauerem Faservolumengehalt führt.

Um sicherzugehen, dass unser Rovingziehprozess trotz dieser Änderungen weiterhin noch qualitativ hochwertige Ergebnisse liefert, werden wir, sobald es die Bedingungen wieder zulassen, Zug- und Druckproben für eine Materialprüfung herstellen. Wenn diese mindestens die Werte der alten Rovingziehmaschine erreichen, steht dem Bau des letzten Holmgurtes hoffentlich nichts mehr im Wege.

AK-X

Warten auf Wingletbelastung

01.02.2021

Der aktuelle Stand des Bruchwinglet

Nachdem der Bau des Bruchwinglets abgeschlossen wurde, hat uns das vergangene Jahr die Vorbereitung des Winglet-Bruchversuchs beschäftigt. Wer nochmal nachlesen möchte, wie das Bruchwinglet gebaut wurde und warum wir einen Bruchversuch durchführen wollen, kann das hier tun:

Nach der Auswertung der aerodynamischen Lastfälle, welche durch die Bauvorschrift gegeben waren, beschäftigte uns vor allem die Einspannung des Winglets. Wir haben uns hierbei für den Bau eines „Dummyflügel“, also eines Flügelendteils entschieden, welcher wiederum an ein geschweißtes Stahlgestell angebunden wird. Schlussendlich wird dieses mit dem Boden verschraubt.

Diese Lösung gibt uns nicht nur Festigkeitsvorteile, sie erlaubt uns auch die Krafteinleitung vom Winglet in den Flügel realitätsnah zu testen. Allerdings hat sie den Nachteil aller aufwändigen Fertigungsverfahren einer Flügelstruktur. So zogen wir erneut (wenn auch sehr kurze) Holmgurte, passten Stege ein, bauten Rippen und laminierten Schalen und Anwinklungen. All dies wurde noch dadurch erschwert, dass wir die entsprechende Flügelform schon längst weggeräumt und eingelagert hatten.

Flügelansatzstück-Verlängerungen zum Homgurt ziehen

Ein ebenso großes Projekt stellte dann noch der Steckmechanismus dar. Neben dem normalen Aufwand des Drehens von Buchsen und Bolzen, dem Bohren, Einpassen und Verkleben wurde aufgrund hoher Lasten und der notwendigen Steifigkeit entschieden, den Mechanismus noch um einen Steckbolzen am hinteren Querkraftbolzen zu ergänzen. Somit musste zusätzlich noch am eigentlich bereits fertigen Bruchwinglet eine Buchse ersetzt werden.

Aktuell ruhen die Versuchsvorbereitungen, wir hoffen aber, sobald sich die Situation wieder bessert, bald einen Termin mit dem KIT Institut für Stahl- und Leichtbau, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine (VAKA) vereinbaren zu können, welches uns dankenswerterweise bei der Durchführung des Versuchs unterstützt.

AK-X

Richtungsweisend – die Ruder der AK-X

18.11.202018.11.2020

Grundlagen

Wie jedes Flugzeug braucht auch die AK-X Ruder, um die Fluglage zu kontrollieren. Die Anordnung der Ruder unterscheidet sich jedoch grundlegend zu den meisten anderen Flugzeugen. Da die AK-X ohne Leitwerk auskommt, müssen die Steuerflächen für Nick- und Gierbewegungen im Flügel integriert werden. Daraus resultiert eine Konfiguration mit drei unabhängigen Rudern an der Endleiste der Flügel sowie einem Ruder in den Winglets. Zusammen übernehmen diese Ruder die Funktion von Höhen-, Quer- und Seitenruder sowie Wölbklappen. Durch einen mechanischen Mischer werden die Piloteneingaben entsprechend auf die Ruder verteilt. Siehe dazu unseren Beitrag Die Mischerplatte.

Steuerung im Flügel mit Ansteuerung des innersten Ruders

Soviel zu den Grundlagen. Jetzt könnte man meinen das ist alles schön und gut, aber das ändert doch an den Rudern nichts. Jedoch hätte man hier leider weit gefehlt. Der Nurflügler macht uns (mal wieder) einen Strich durch die Rechnung.

Flattern

Hintergrundwissen: https://de.wikipedia.org/wiki/Flattern_(Luftfahrt)

Die AK-X ist natürlich nicht das einzige Flugzeug, das ab einer gewissen Geschwindigkeit beginnt zu flattern. Eine zusätzliche Problematik entsteht aber dadurch, dass durch die rückgepfeilte Flügelform eine Kopplung zwischen Nickbewegungen und Flügelbiegung entsteht. Zudem ist die Flügeltorsionsschwingung kritischer. Des Weiteren treten durch die Annahme von losen Rudern zusätzliche Flatterfälle auf, hier sind zwei beispielshalber aufgeführt.

Flatterfall mit asym. Flügelbiegung und Querruderausschlag

Flatterfall mit asym. Flügeltorsion und Querruderschlag

Zu der Problematik des ruderinduzierten Flatterns gibt es eine altbewährte Lösung. Ein sogenannter Rudermassenausgleich vor dem Drehpunkt des Ruders. Bei der AK-X wäre hierfür aber so viel Masse erforderlich, dass uns dies vor konstruktive Schwierigkeiten stellen würde und, noch viel schlimmer, die Flattergeschwindigkeit anderer Flatterfälle herabsenken würde.

Bau und Belastungsversuch

Bleibt nur noch, die Ruder so leicht wie möglich zu bauen. Laut unserer Flatterrechnung muss ein Gewicht von unter 300 g/m Ruderlänge erreicht werden um die kritischen Flatterfälle ausreichend zu dämpfen.

Leicht bauen geht natürlich immer. Leicht bauen und gleichzeitig hohe aerodynamische Lasten aufnehmen ist die wahre Kunst. Von besonderer Relevanz ist für uns die Rudertorsion. Das längste Ruder der AK-X ist ca. 2,4 m lang und wird in der Mitte angesteuert. Kriterium bei der Auslegung war, dass auch bei maximalem Ausschlag und Strömungsgeschwindigkeit sich das Ruder möglichst wenig tordiert um den vorgegebenen Ruderausschlag auf der ganzen Ruderlänge möglichst gut umsetzen zu können.

Die beiden Ruderschalen kurz vor dem Verkleben

Aktuell befinden wir uns in der Testphase des Ruderbaus. Ein erster Kandidat ist bereits fertiggestellt und wird demnächst dem Belastungsversuch unterzogen. Dieser erste Kandidat bringt gerade einmal 162 g auf die Waage (Wobei Krafteinleitung und Lack bei diesem Gewicht noch fehlen), muss jedoch einer Kraft von insg. 360 N standhalten. Diese Kraft setzt sich zusammen aus ca. 160 N die gleichmäßig über die Ruderfläche wirken, sowie jeweils 100 N die links und rechts durch die benachbarten, gekoppelten Steuerflächen eingeleitet werden.

Das fertige Ruder vor dem Tempern. Die Schraube an der Seite ist für die Krafteinleitung des benachbarten Ruders

Ihr könnt auf einen zukünftigen Blogpost gespannt sein, in dem wir ein Fazit der Belastungsversuche ziehen werden und über die verschiedenen Bauformen berichten werden!

AK-X

Hutablage und weitere Rumpfeinbauteile

01.10.202001.10.2020

Was haben wir gelernt?

Auch wenn der Rumpf der AK-X die im Moment am weitesten fortgeschrittene Hauptbaugruppe ist, gibt es immer noch jede Menge für uns zu tun.

Mit zunehmendem Baufortschritt werden die Arbeiten immer kleinteiliger, dadurch jedoch nicht unbedingt weniger aufwändig.

Wir haben im letzten halben Jahr vor allem Verkleidungs- und Steuerungsteile gebaut, darunter zahlreiche Lagerböcke für Wölbklappe, Seitenruder und Bremsklappe.
Außerdem standen der Instrumentenpilz und die Verkleidung oberhalb des Instrumentenpilzes – die sogenannte „Hutablage“ an.

Wie so oft haben wir die Teile auf, im 3D-Druck hergestellten, Negativen aus PLA laminiert oder infiltriert.

Letzteres ist ein Verfahren, welches aufgrund seiner Einfachheit aus dem Bau der AK-X nicht mehr wegzudenken ist. Aus dem CAD bis zur fertigen Form vergeht hierbei nicht selten weniger als eine Arbeitsstunde.

Lediglich beim Bau der Hutablage haben wir uns aufgrund der Größe des Bauteils gegen den 3D-Drucker und für eine traditionellere Bauweise entschieden. Die Form wurde aus Holzschablonen und Polystyrolschaum grob modelliert und danach verspachtelt und verschliffen. Im Anschluss nahmen wir dann ein Negativ aus dem Urpositiv ab und bauten hierin das endgültige Teil.

Nach unseren Erfahrungen mit der Hutablage dürften die Tage dieses Fertigungsverfahrens jedoch gezählt sein. Es gibt 2020 wohl keinen Platz mehr zwischen CNC-Frästeilen aus Ureol und 3D-Druck – nicht zuletzt, weil hierbei meist direkt Negative hergestellt werden können, was viel Aufwand und Zeit spart.

In Zukunft werden wir uns am Rumpf dem Bau weiterer Kleinteile widmen. Dazu zählen unter anderem die Lüftung, die Haube und der Haubenrahmen.

Auch wenn der Rumpf mittlerweile sehr fortgeschritten aussieht, wird uns die Arbeit bis auf weiteres nicht ausgehen!

AK-X

Die Mischerplatte

06.04.202001.10.2020

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.

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

05.03.2020

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.

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

AK-X

Bruchwinglet – Part III

11.02.2020

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…