AK-X

Fehler – und was wir daraus lernen

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

Richtungsweisend – die Ruder der AK-X

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.

Ruderkonfiguration der AK-X
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.

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

Bruchwinglet – Part IV

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.

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

AK-X

Bruchwinglet – Part III

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…

AK-X

Bruchwinglet – Part II

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.

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

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.

AK-X

Hauptfahrwerk: Vom Reißbrett zur fertigen Baugruppe

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.

AK-X

Bruchwinglet – Part I

In den letzten Wochen, man kann auch fast schon Monaten sagen, waren wir wieder ziemlich fleißig und haben hinter verschlossenen Türen einiges geleistet. Wir haben uns so bedeckt gehalten, da wir uns unsicher waren, ob wir den ambitionierten Zeitplan einhalten können. Doch es ist uns gelungen, deswegen ist jetzt die Zeit gekommen über das Ergebnis zu berichten: ein strukturfertiges linkes Winglet, welches als Bruchwinglet verwendet wird.

Dieses Winglet befindet sich gerade als Leihgabe bei C. Cramer, Weberei, GmbH & Co. KG – Division ECC, die das Winglet als Ausstellungsstück auf der JEC World in Paris nutzen. Davon sind unten ein paar Bilder angehängt.

Wir haben das Winglet aus mehreren Gründen gebaut. Der erste Grund ist offensichtlich: um einen Bruchversuch durchzuführen. Dieser ist bei den doch großen Abmaßen nötig. Der nächste Grund ist am Winglet sichtbar: um die besonderen Gewichtsanfoderungen bei hoher Steifigkeit zu erfüllen, haben wir im Winglet auf zum ersten mal Biaxial-Gelege verbaut. Das Bruchwinglet ist dafür ein Verarbeitungstest. Auch sonst haben wir den Bau als Proof of Concept verwendet, denn im Winglet – wie ja auch im gesamten restlichen Flugzeug – haben wir das ein oder andere unkonventionelle Bauverfahren angewand und die Fertigung geplant und verfeinert.

Wie der Bau des Winglets genau abgelaufen ist, folgt bald in einem weiteren Artikel.

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.