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.

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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.

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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.

 

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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.

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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.

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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.

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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.

 

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AK-5 Verkehrszulassung erreicht

Die Prototypen der Akaflieg werden niemals in Serie gebaut. Das entscheidet sich im Prinzip schon zu Beginn eines jeden Projekts, da die Zulassungsprozeduren zu einer sog. Einzelstückzulassung ausgewählt werden. Das vereinfacht den Prozess gegenüber einer sogenannten Musterzulassung, die für Serienflugzeuge genutzt wird. Doch diese endgültige Zulassung ist wie gesagt das Ende eines langen Prozesses zur Zulassung eines Luftfahrzeugs.

Im Fall der AK-5 begann die Geschichte im Jahr 1985, dem Projektbeginn des Flugzeugs. Neben dem Bau und den Belastungsversuchen wurden im Laufe der nächsten vier Jahre Nachweise zur Zulassung erstellt und beim Luftfahrt Bundesamt (LBA) eingereicht. Dazu gehören Festigkeitsnachweise für Struktur, Steuerung und Beschläge. Außerdem wurde ein Standschwingversuch und eine Flatterrechnung beim DLR in Göttingen durchgeführt. Abschließend musste der Bauprüfer bestätigen, dass das Flugzeug auch entsprechend der Pläne und Rechnungen fachgerecht gebaut wurde. Das führte dann zur Ausstellung einer sog. vorläufigen Verkehrszulassung (VVZ) durch das LBA. Damit durfte das Flugzeug am 01.06.1990 zum Erstflug abheben. Doch damit war der Weg zur Einzelstückzulassung noch lange nicht zu Ende. In seiner ersten Lebensphase musste das Flugzeug nun seine Flugerprobung durchführen. Neben den ersten Flugversuchen gehörten auch aufwendigere Untersuchungen, wie Trudeln und Flattererprobung dazu. Wahlweise auch bei unterschiedlichen Beladungen. Diese Untersuchungen brauchten Ressourcen und Zeit. Nun sind wir alle Studenten in der aktiven Gruppe, schon immer gewesen. Wenn ein Flugzeug einmal fliegt und die ersten Erprobungsschritte durch sind, sind die Erbauer des Flugzeugs mit ihrem Studium fertig, und die aktuelle Gruppe bereits voll mit dem nächsten Projekt beschäftigt. So kam es, dass die Fortschritte in der Flugerprobung über die Jahre kleiner wurden. Regelmäßig wurde eine neue VVZ ausgestellt und das Flugzeug flog. Mit der Einführung der EASA gab es dann sogar eine Zeit der Unsicherheit, ob es überhaupt möglich wäre, das Flugzeug mit einer Einzelstückzulassung betreiben zu können, oder ob es dafür einen extra geprüften Prüfbetrieb bräuchte. Solche bürokratischen Hürden sind dann nicht unbedingt motivierend sich dieser Sache anzunehmen, wenn doch alles so gut funktioniert und das Flugzeug fliegt. Am Ende hat sich aber doch eine kleine Gruppe zusammengerauft und die offenen Punkte zur Zulassung in den letzten zwei Jahren systematisch abgearbeitet.

Das Ergebnis fanden wir heute (07.05.2018) in der Post:

Unser besonderer Dank gilt allen Beteiligten: Den damaligen Aktiven, die das Flugzeug gebaut haben, dem Bauprüfer Alwin Güntert, den geduldigen Mitarbeitern beim LBA und denjenigen, die Zulassung nun abgeschlossen haben.

 

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Hebel, Stangen, Lager

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

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

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

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

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

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

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

 

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Linker Holm fertig

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

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

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