AK-X

Der linke Flügel der AK-X

Es ist eine Weile her, dass wir die AK-X im Rahmen unserer 90-Jahr-Feier erstmalig auf eigenem Fahrwerk, mit zwei Flügeln und einem Winglet präsentiert haben. Was wir dabei jedoch etwas unterschlagen haben, ist, was da eigentlich im Detail zu sehen war. Neben Rumpf und Bruchflügel soll es daher an dieser Stelle um den linken Flügel gehen. Es ist der erste Flügel, der sich wirklich in die Lüfte erheben soll. Dementsprechend ist auch die vollständige Steuerung verbaut. Diese umfasst insgesamt je Flügel ca. 700 Teile! Bevor der Flügel also auf unserer 90-Jahr Feier ausgestellt werden konnte, musste all das fertig und auch getestet werden. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Teil der Steuerung den Wassertank im Flügel durchquert. Neben der mechanischen Funktionalität musste also auch die Dichtheit des Tankes sichergestellt werden.

Selbstverständlich klappt bei einer solchen Endmontage nicht auf Anhieb alles und so musste noch ein Satz Lager getauscht werden, um den Funktionalitätstest einwandfrei bestehen zu können. Trotz aller Zeitnot auf dem Weg zur großen Präsentation — Sicherheit geht vor! Am Ende funktionierte aber alles und wir konnten den Flügel zukleben.

 

AK-X

Wingletform links fertig

Gut zweieinhalb Jahre ist es her, dass die erste Flügelform der manntragenden AK-X entstanden ist. Seitdem haben wir ein ganzes Arsenal für Außenschalen und Einbauteile der AK-X gefertigt. Die Wingletformen sind nun die letzten großen Formen in dieser Reihe. Bisher haben wir die Formen allesamt selbst gefräst, doch die Industriekooperation, bei der wir selbstständig die Fräse an Wochenenden bedienen durften, stand leider nicht mehr zur Verfügung. Umso mehr freuen wir uns, dass sich mit der Firma Schäfer ein Enthusiast gefunden hat, der nicht nur das Fräsen der Formen ermöglicht, sondern uns auch noch die anstrengenden Wochenendschichten abgenommen hat.

 

Die Formen stellten auf gleich mehreren Ebenen eine Herausforderung dar:

  • Bei der aerodynamischen Auslegung der Winglets der AK-X müssen eine Vielzahl an Anforderungen unter einen Hut gebracht werden:
    • Seitenstabilität: Da es kein Leitwerk gibt, muss die Gierstabilität von den Winglets erzeugt werden. Diese haben jedoch einen deutlich kleineren Hebelarm als ein herkömmliches Seitenruder und sind selbst zusammengerechnet flächenmäßig nicht größer
    • Überzieheigenschaften: Um unangenehmes Stallverhalten zu vermeiden, hat die AK-X einen sehr ausgetüftelten Schränkungsverlauf. V.a. beim Außenflügel kurz vor dem Wingletknick macht der sich mit stark negativen Werten bemerkbar. Trotzdem muss die gewünschte Auftriebsverteilung in einem weiten Flugbereich sichergestellt werden und die Profile dürfen bei niedrigen ca-Werten auch nicht negativ ablösen
    • Um Taumeln zu vermeiden, ist die Profilierung der Winglets symmetrisch. Das steht jedoch direkt im Gegensatz zum Effizienzgedanken, den man bei Winglets verfolgt. Es war also eine besondere Herausforderung ein Profil zu entwickeln, dass symmetrisch ist, viel Auftrieb generieren kann und trotzdem einen geringen Widerstand im Geradeausflug hat
  • Nachdem es die Winglets im Computer gab, musste nun eine Form drumherumkonstruiert werden. Durch den starken Versatz und die Größe ergab sich so ein aufwendiger Unterbau, um einerseits die Formklötze zu stützen, andererseits bei der Fertigung der Winglets aber auch nicht im Weg zu sein.

Im Moment konstruieren wir das Innenleben der Winglets. Dabei planen wir den Leichtbau auf die Spitze zu treiben und ein Verfahren zu erproben, welches bei unserem nächsten Prototyp vielleicht zentral wird.

AK-X

Rumpf rohbaufertig

Vor drei Monaten haben wir den Rumpf „zugeklebt“. Damit war er jedoch noch nicht fertig, auch wenn wir einen Großteil der Teile bereits eingebaut hatten. Nach dem Verkleben musste noch der Haubenrahmen, die Sitzwanne und diverse Kleinteile eingebaut werden. Außerdem wurde eine Vielzahl an Öffnungen und Löchern angelegt, um Fahrwerke, Steuerung, Aggregate, Kabel, u.v.m. aufzunehmen. Nun ist er jedoch fertig – zumindest strukturell. Das bedeutet: Die Lasten, die er aushalten soll, kann er nun tragen. Zur Flugtüchtigkeit fehlen nun natürlich noch Instrumente, Fahrwerke und Steuerung. Da wir hierbei fast alles für die AK-X neu konstruieren müssen, schauen wir uns das für jedes Teil zunächst aus Plastik an, bevor aufwendige Metallteile gefertigt werden. Einen ersten „Stresstest“ haben wir ebenfalls durchgeführt. Vor dem Erstflug muss es jedoch noch einige solcher Versuche geben, die sicherstellen, dass wirklich alles so funktioniert, wie wir das beabsichtigt haben.

AK-X

Montage der Flügelsteuerung

Auch wenn die Hitze den ein oder anderen Arbeitsschritt bei uns ausgebremst hat… Ganz am Bauen hindern konnte sie uns nicht. Nachdem wir im Frühjahr gezeigt haben, wie aus Teilen im CAD Teile in der Realität werden, sind wir nun einen großen Schritt weiter: Diese Teile passen doch tatsächlich in unser Flugzeug, wer hätte es gedacht. Natürlich funktioniert nicht alles 100% so, wie wir uns das gedacht haben. So mussten wir einige Wasserschotts im Tank, die die Steuerung vor dem Wasserballast schützen, umkonstruieren. Doch wir sind selbst ein bisschen überrascht, dass ansonsten nahezu alles so zusammenpasst, wie wir uns das am Rechner überlegt haben.

Um die fünf Signale – Innere Klappe, Mittlere Klappe, Äußere Klappe, Bremsklappe, Seitenruder – mechanisch durch den Flügel zu übertragen, ist etwas Aufwand je Flügel nötig (Die serienmäßige Bremsklappe nicht mitgezählt):

  • 9 Hebel lenken Bewegungen von 15 Alu- und 2 Kohlefaser-Stangen um
  • 68 Kugel- und Gelenklager ermöglichen die Bewegungen zwischen Stangen und Hebeln und der Struktur
  • 18 Linearlager halten die Steuerstangen in Position und verhindern deren Ausknicken
  • ca. 600 Schrauben, Muttern, Nieten und Unterlegscheiben verbinden diese Elemente

An dieser Stelle ein herzliches Dankeschön an alle Partner, die uns in unserem Vorhaben unterstützen.

AK-X

Rumpf verklebt

Es ist geschafft. Gut ein Jahr nach dem Baubeginn des „fliegenden Rumpfs“ ist dieser nun „zugeklebt“. Er enthält bereits fast alle strukturellen Teile und Aufnahmepunkte für Fahrwerke, Steuerung und andere Einbauten. Der Einbau dieser Baugruppen wird uns nun verstärkt beschäftigen. Die Fortschritte dabei werden für den Unbeteiligten kaum auffallen, da sich äußerlich nun nicht mehr viel ändern wird bis zum Tag des Erstflugs. Doch der ist noch weit entfernt. Zeit für einen Blick zurück entlang der Fertigung dieses völlig neu entwickelten Rumpfs.

  1. Baubeginn: Formvorbereitung, Lackierung
  2. Bau der Außenschalen
  3. Einbauteil-Fertigung: Teil 1, Teil 2
  4. Endmontage

Die Endmontage haben wir in den letzten Monaten fortgeführt und zuletzt die Außenschalen miteinander verklebt und den Rumpf somit geschlossen.

 

AK-X

ILA 2018

Montag morgen gegen 13 Uhr trudeln die ersten Karlsruher Teilnehmer der diesjährigen ILA langsam in unsere Werkstatt auf dem Westcampus ein. Neben unserem Exponat, dem Bruchflügel der AK-X und den Mockup Rumpf gibt es einen Berg an Sachen die für so eine Reise gerichtet werden müssen, wie zum Beispiel Info-Material, Sponsorenmappen, aber auch Übernachtungszeug für die Teilnehmer. Die erste Herausforderung bestand darin die ganze Campingausrüstung für 5 Leute und das Messematerial in unser geliebtes Akafliegauto, den „Bömpf“, samt Hänger zu verstauen und zu sichern. Da man von Karlsruhe aus nach Berlin etwa 10 Stunden braucht und die Messerverwaltung uns bereits um 14:00 zum Aufbauen eingetragen hatte begann unser Trip entsprechend am Dienstag morgen um 4 Uhr früh. Nach kleineren Verlusten auf der Autofahrt, die sich allerdings Gott sei Dank nur auf die Plane des Hängers bezogen, konnten wir pünktlich gegen Mittag unseren Messestand das erste Mal erkunden.

Während die etwas „größeren“ Exponate wie Antonov 225, Airbus A380 oder der Eurofighter an uns vorbeirollten bauten wir das freundlicherweise von der Akaflieg Braunschweig zur Verfügung gestellte Zelt auf und bereiteten unser Exponat vor. Wie sich später herausstellen sollte war die sowieso schon pessimistische Wettervorhersage für die ersten beiden Tage etwas untertrieben und wir waren immer wieder froh im Zelt einen Unterschlupf für Mensch und Ausstellungsobjekt in den lokalen Gewitterfronten, die uns immer wieder heimsuchten, zu finden.

Mit immer besser werdendem Wetter ließ sich dann auch ein immer größeres Interesse am Außenbereich der ILA feststellen und somit auch ein steigendes Potential für uns die Prototypen der Idaflieg dem Fachpublikum näher zu bringen. Für uns als Karlsruher Vertreter, mit unserem zugegebenermaßen etwas unkonventionellen Projekt AK-X, war es dabei immer wieder spannend zu beobachten welch großes Interesse unser Mockup Rumpf erzeugt. Egal ob A380 Chefingenieur, Globemaster III Pilot oder die Besatzung der Ju-52: Jeder wollte einmal in unserem Rumpf Platz nehmen und sich erklären lassen wie genau wir die Probleme die so ein Nurflügel mit sich bringt lösen wollen. Die daraus entstandenen Diskussionen haben uns nicht nur einen Haufen Spaß bereitet, sondern meistens auch in einer Einladung zu den entsprechenden Ständen und Flugzeuge geführt, welche wir natürlich gerne wahrgenommen haben.

Aber auch die Besuchertage am Wochenende hatten neben viel Sonnenschein ein großes Potential für uns unser Motto „Forschen, bauen, fliegen“ dem luftfahrtbegeisterten Teil der Bevölkerung näher zu bringen. Zwar ist es nicht immer ganz einfach zu erklären, warum gerade der Segelflug und seine Weiterentwicklung der tollste Bereich der Luftfahrt ist, wenn im selben Moment ein Eurofighter mit Nachbrenner etwa 100 Meter entfernt an einem vorbeischießt, aber die allgemeine Meinung war trotzdem durchweg positiv.

Am Ende können wir auf 5 wirklich spannende Messetage zurückblicken die für Luftfahrtbegeisterte wie uns ein einmaliges Erlebnis bieten unsere Ideen der Öffentlichkeit zu präsentieren, uns Feedback einzuholen und uns selber in der Welt der Luftfahrt weiterzubilden. Selbstverständlich möchten wir uns bei allen Unterstützern sehr herzlich bedanken. Allen Voran bei Katy die als Idaflieg Vorstand eine wirklich überragende Messe für uns ermöglicht hat, aber auch bei allen Ausstellern die sich immer wieder viel Zeit für uns und unsere Fragen und Anliegen genommen haben. Genauso aber auch bei den Awacs, dem SAR-Dienst, der A400 Crew und dem Französischen Super Hercules Team für 4 wirklich tolle Standpartys die unsere Abende in Berlin unvergesslich gemacht haben.

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.

 

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.