AK-X

Wingletbruchversuch erfolgreich!

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.

  • Testaufbau in der Werkstatt
  • „Scharfer“ Aufbau in der Heizbox

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.

  • Handkraftversuch
  • Verformung kurz vor dem Bruch
  • Bruch an der Horizontalteil-Oberseite…
  • … und an der Unterseite

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?

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
  • Blick auf Grundplatte und Gewichtsblock
  • Innenleben: Grundplatte und Bleigewichte im Rohr

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

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.

  • Warten auf ein Wetterfenster
  • Abflugbereit
  • Endanflug

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

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.

  • Das fertige Ruder vor dem Tempern. Die Schraube an der Seite ist für die Krafteinleitung des benachbarten Ruders
  • Oberseite mit provisorischer Ansteuerung
  • Unterseite mit Scharnieren

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.

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

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

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…

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

Bruchwinglet – Part II

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

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

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

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

AK-X

Positionierung der Druckabnahme

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.