Wir bauen einen Nurflügel – Wozu braucht man denn dann eine Rumpfform?!
Das liegt daran, dass Flugzeugflügel, sollen sie leistungsstark und effizient sein, weder besonders tief, noch besonders dick sind. Für ein modernes Segelflugzeug mit 15m Spannweite kann man als Daumenregel sagen: In der Mitte 70-80cm tief, 10-12cm dick. Da passt kein Mensch rein. Und auch kein Fahrwerk. Und auch keine Instrumente. Etc.
Da die Flugeigenschaften eines Flugzeuges maßgeblich durch seine Flügel beeinflusst werden, haben wir auch bei der Entwicklung der AK-X den Fokus zunächst auf diese gelegt. Der Bau der Rumpfform geschah dann dieses Jahr auch eher im Stillen nebenher – immer wenn mal etwas Zeit über war. Nun ist sie jedoch fertig und damit fängt an sichtbar zu werden, was schon lange geplant wird und für den Piloten der AK-X irgendwann ein vertrauter Anblick sein wird: Sein Cockpit!
Nach dem Verkleben haben wir die Rumpfform noch verstiftet. Damit wird gewährleistet, dass die Formteile immer wieder in gleicher Weise aufeinander stehen, wie jetzt. Das ist wichtig, damit der Rumpf nicht schief wird.
Das Temperzelt für die Rumpfform. Das Harz, aus dem die Rumpfform gebaut ist, kann sich verziehen, wenn es unkontrolliert warm wird. Deshalb heizen wir die Form gezielt auf, was sie in unserem Fall widerstandsfähig bis ca. 55°C macht.
Die Unterschalen nach dem Entformen vom Rumpfpositiv
Hier sind die Unterschalenformen wieder zusammengesetzt und mit ihren Erweiterungsstücken (Stehkrägen) bestückt. Im Hintergrund die Oberschalenform mit Rumpfpositiv (grau)
Alles Rund – wie will man da etwas ausmessen. Zum Glück hatte das Rumpfpositiv sog. Einmesspunkt die als Referenz dienten. Mit Hilfe moderner Lasertechnik und etwas Geschick lassen sich so sämtliche Bemaßungen in die Form projezieren. Auf diesem Bild erahnt das fachkundige Auge bereits die Fahrwerkspositionen.
Nachdem wir vor kurzem vom Bau der ersten fliegenden Kleinteile berichten konnten, sind wir nun wieder einen Schritt weiter. Der Bau des ersten großen fliegende Teils wurde begonnen: Diese Woche konnten wir das Außenlaminat des rechten Flügels fertigstellen. Die Vorgehensweise glich dabei dem Bau des Bruchflügels im Frühjahr diesen Jahres. Wir freuen uns, dass wir in der Lage sind, unser Projekt nach dem erfolgreichen Bruchversuch unvermindert fortzusetzen.
Bestärkt werden wir in unserem Vorhaben auch durch die Anerkennung unserer Arbeit von externer Seite. An dieser Stelle wollen wir uns bei der Traditionsgemeinschaft „Alte Adler e.V.“ bedanken, die unseren Projektfortschritt mit ihrem Förderpreis 2016 ausgezeichnet hat. Die Preisverleihung fand beim diesjährigen Segelflugsymposium am 17-18.11.2016 auf der Wasserkuppe statt.
Die Tage werden kürzer, die Flugsaison ist beendet, was bleibt jetzt noch übrig? Richtig – ein Flugzeug bauen! Die Arbeiten an der AK-X laufen auf Hochtouren. Wir haben mehrere Iterationen der Sitzschale gebaut und getestet, Formen für den Rumpf gebaut und sogar die ersten Teile, die einmal im fertigen Prototypen stecken werden, sind fertig. Dazu waren letzte Woche zwei unserer Mitglieder bei Wings&More in der Nähe von Stuttgart, um von der jahrelangen Expertise im Infiltrationsverfahren von Faserverbundwerkstoffen des Unternehmens zu lernen. Im klassischen und von uns meistens verwendeten Verfahren werden die Lagen Kohlenstofffaser beim Legen von Hand mit Epoxidharz getränkt. Dies führt unweigerlich dazu, dass überschüssiges Harz im Laminat vorhanden ist. Bei dem Verfahren, das wir nun mit der Unterstützung von Wings&More durchgeführt haben, werden die Kohlenstofffasergewebe trocken in die Form gelegt. Anschließend wird das Harz durch Absaugen der Luft in die Faserhalbzeuge gesaugt. Gerade so viel wie nötig und nicht mehr.
Das Verhältnis von Faservolumen zu Gesamtvolumen des Bauteils heißt Faservolumengehalt und kann mit diesem Verfahren deutlich gesteigert werden, was zu geringerem Gewicht und Bauteilstärke bei gleichbleibender Festigkeit führt. Die Woche bei Wings&More war sehr erfolgreich und es konnten gleich mehrere wichtige Bauteile für die Flügel fertiggestellt werden. An dieser Stelle wollen wir uns recht herzlich bei Wings&More für die freundliche Unterstützung bedanken.
Ein kleiner Schritt ist geschafft, doch es liegen noch sehr viele vor uns. Die nächsten großen Etappen sind der Bau eines Rumpf Mock-Ups um die Dimensionen und Bauräume zu überprüfen und zu verteilen und der Bau der Flügel. Das Team ist hoch motiviert und wir erhoffen uns große Fortschritte über den Winter und werden natürlich weiterhin regelmäßig über unsere Aktivitäten berichten.
Die Faserhalbzeuge (hier Gewebe) werden trocken in die Form drapiert
Das Harz wird beim Infiltrieren in den trockenen Lagenaufbau gesaugt
Wie bereits verkündet fand am 23.08.2016 der Bruchversuch der rechten Tragfläche der AK-X statt. Nach genauer Untersuchung der aufgezeichneten Daten können wir bestätigen, dass die Sturktur des Flügels bei einer Belastung von 2,02 Tonnen nachgegeben hat, was einer Sicherheit von j=2,8 entspricht. Somit ist das Ziel von j=1,725 zur Nachweißführung weit übertroffen. Der Bruch setzte an einer der Stellen ein, die wir durch Berechnungen als wahrscheinlich vorhergesagt hatten: aufgrund großer Torsion löste sich die Verklebung des C-Stegs an der Endleiste des Flügels ausgehend von einem Ausschnitt für die Ruderanlenkung. Der Fortschreitende Riss führte dazu, das die komplette Torsion schlagartig ausschließlich vom vorderen Teil des Flügels getragen wurde, was die Struktur sofort überlastete. Das ist deutlich im Zeitlupenvideo zu erkennen.
Die hohe Sicherheit des Flügels resultiert aus der für die Auslegung maßgebliche Steifigkeit. Durch die Eigenschaften des zurückgepfeilten Flügels muss dieser extrem steif sein um ein Flattern zu verhindern. Die Steifigkeit zeigt sich in Form der Durchbiegung der Flügelspitze von ca 450mm bei einer Last von j=1 (713kg). Diese Steifigkeit bedingt großteils die hohe Festigkeit, was wiederum in einer hohen Sicherheit resultiert.
Was bedeutet dieses Ergebnis nun für die Akaflieg und insbesondere für die AK-X? Das Bestehen des Bruchversuchs hat uns in unserem Vorhaben bestätigt den manntragenden Prototyp zu bauen. Dies geschieht natürlich nicht von heute auf morgen. Zwar wurde eine der größten Hürden bestritten, jedoch steht noch viel Detailarbeit in Sachen Konstruktion und Auslegung an und dann natürlich der Bau selber. Wir wollen mit viel Elan das Projekt vorantreiben um die Fertigstellung des Prototyps in nicht allzuferner Zeit zu erleben. Dazu haben wir uns folgende Ziele für das nächste halbe Jahr gesetzt:
Beginn des Baus der fliegenden Tragflächen
Fertigstellung aller Formen für Einbauteile des Rumpfs
Fertigstellung eines Rumpfmockups
Fertigung(-stests) der Einbauteile für Flügel und Rumpf
Präsentation auf der AERO Friedrichshafen 2017
Dieser ehrgeizige Zeitplan ist eine Herausforderung, stellt aber gleichzeitig eine Chance für uns dar. Die Chance, einen modernen und konkurrenzfähigen Nurflügel in der FAI 15m Klasse zu bauen.
Dies wäre nicht ohne Sponsoren möglich! Deshalb bedanken wir uns an dieser Stelle nochmal bei allen Sponsoren der AK-X und der Akaflieg. Vielen Dank für das Vertrauen, die Kooperation, den Input, die Möglichkeiten und alles, was wir in der vergangenen Zeit erhalten haben! Wir hoffen auf eine weitere und gute Zusammenarbeit!
Nach einer langen Phase der Grundlagenforschung, Simulation, Modellflugerprobung und des Bauens hat der Prototyp AK-X am 23.08.2016 die erste große Bewährungsprobe erfolgreich bestanden!
Im Bruchversuch beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart brach der Flügel bei einer Last, die nach ersten Auswertungen einem Sicherheitsfaktor von ca. j=2,8 entspricht. Damit haben wir unser Ziel von j=1,725 deutlich übertroffen. Dieser Wert entspricht in guter Näherung den Rechenergebnissen. Die deutliche Festigkeitsreserve resultiert aus der erforderlichen hohen Steifigkeit. Diese ist nötig um Flattern des gepfeilten Flügels zu vermeiden.
In den kommenden Tagen werden nach ausreichender Zeit zum Aufräumen und Analyse genauere Informationen, spektakuläre Fotos und ein Video des Bruchs folgen.
An dieser Stelle möchten wir uns herzlich beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bedanken, mit dessen Hilfe wir diesen Versuch durchführen konnten.
Nachdem wir zuvor einige Schwierigkeiten überwinden mussten, konnten wir heute endlich den Bruchflügel, Gegenflügel und Ersatzrumpf fest miteinander verbinden. Wie bei einem normalen Segelflugzeug wird der Flügel durch Bolzen gehalten und schwebt nun frei. Das eigene Gewicht trägt der Flügel locker und auch ein Gruppenbild lies ihn unbeeindruckt. Wir haben noch viel Arbeit bis zum eigentlichen Bruch nächste Woche vor uns, unter anderem muss noch das Belastungsgeschirr und die Vorrichtung, um den Flügel auf die benötigten 54°C aufzuheizen, angebracht werden. Wir blicken optimistisch auf die kommenden Tage und werden natürlich weiterhin regelmäßig über den Verlauf berichten.
Alle Teile haben ihren Weg zum DLR Stuttgart gefunden
Flügel, Ersatzrumpf und Gegenflügel sind zusammengebaut und werden in die Verankerung gehoben
Die Crew auf dem verankerten Objekt der späteren Zerstörung
Heute haben wir im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart Stellung bezogen. Dort haben wir zwei Wochen lang die Möglichkeit, den Bruchversuch der rechten Tragfläche durchzuführen.
Zu aller erst müssen wir testen, ob alle relevanten Bauteile auch tatsächlich passen. Leider konnten wir dies im Vorfeld nur bedingt und in kleinem Umfang verifizieren, doch die Tests vor Ort sind alle soweit positiv ausgefallen. Jetzt geht es darum das Belastungs-Mobile aufzubauen. Durch das Mobile wird an verschiedenen Stellen im Flügel eine Last aufgebracht, die eine Auftriebsverteilung simuliert. Durch die Belastung bis zu unterschiedlichen Sicherheitsstufen wird die Berechnung der Struktur bestätigt und nachgewiesen, dass der Flügel den Belastungen im Flug später stand hält.
Die Durchführung des Versuchs ist für Anfang nächste Woche geplant.
So wird der Rumpf der AK-X aussehen, zumindest in seiner Kontur. Entstanden ist das sogenannte Rumpfpositiv ähnlich wie die Flügelformen. Am Computer wurde die Geometrie in einem CAD-System konstruiert, daraus der NC-Code für die Fräse erzeugt, die dann wiederum das Ureol in die gewünschte Form brachte.
Doch da enden dann auch die Gemeinsamkeiten: Die Flügelformen sind Negativformen, d.h. in ihnen kann man direkt ein fertiges Bauteil herstellen. Das Rumpfpositiv hingegen repräsentiert die gewünschte finale Kontur des Rumpfes (positiv). Um einen solchen zu bauen, muss man zunächst eine Negativform herstellen. Das wird jetzt im nächsten Schritt geschehen: Dem Abformen des Rumpfpositivs.
Unser fertiggestelltes Rumpfpositiv der AK-X. Die Oberfläche ist geschliffen und poliert. Anschließend wurde ein Trennmittel aufgetragen, um die fertiggestellten Formen später wieder von dem Rumpfpositiv ablösen zu können.
Der letzte Schritt vor dem Abformen ist das Bauen der Trennebene. Um das Rumpfpositiv später wieder aus der Form entfernen zu können, muss diese an den Trennebenen teilbar sein.
Das Abformen beginnt: Zunächst wird ein hartes Epoxidharz mit guten Oberflächeneigenschaften aufgetgragen und mit Baumwollflocken bestreut.
Vor kurzem war es soweit: Wir haben den ersten AK-X-Flügel entformt! Damit liegen wir pünktlich im Zeitplan, um rechtzeitig zum Bruchversuch alle Vorbereitungen abgeschlossen zu haben. Der Bruchflügel entspricht strukturell dem Aufbau der später fliegenden Flügel. Er beinhaltet jedoch keine Steuerungselemente. Auch die Ruder und die Bremsklappe fehlen. Diese Elemente sind unnötig, um nachzuweisen, dass der Flügel in der vorgesehenen Bauweise ausreichende Festigkeit aufweist, damit es später im Flug nicht zum Bruch kommt. Entstanden ist der Bruchflügel in den gleichen Formen, in denen wir auch die richtigen Flügel bauen werden.
Der fertig verklebte Flügel schlummert in den zwei Halbschalenformen. Diese zu trennen erfordert einiges an Kraft und das richtige Werkzeug
Hier ist das erste Ansatzstück entfernt: Zu sehen ist ein Teil der Steckung zum Winglet.
Nun ist auch das zweite Formansatzstück entfernt und die Steckung ragt aus der Hauptform
Langsam öffnet sich die Hauptform…
… indem die obere Hälfte mit dem Kran angehoben wird.
Da liegt er: Der verklebte Bruchflügel
Sieht schon ganz gut aus. Einige Details müssen nun noch außerhalb der Form fertiggestellt werden.
Dies soll der erste einer ganzen Reihe Blogartikel werden. Worum es geht? Um unseren Dauerbrenner: Den Bau der AK-X. Wir haben angefangen den Bruchflügel zu bauen, der im dritten Quartal dieses Jahres getestet werden soll.
Bevor der Bau jedoch beginnen konnte, musste alles dafür vorbereitet werden. Nachdem die Flügelformen, die wir im Februar und März bei der Firma DG-Flugzeugbau in Bruchsal freundlicherweise fräsen durften (Artikel zum Formfräsen), auf ihren Gestelle geklebt wurden, wurden sie nun abschließend für ihren Einsatz vorbereitet. Um eine optimale Flügeloberfläche zu gewährleisten, muss die Form absolut glatt sein. Dazu wurde sie zunächst mit einem Fülllack lackiert und dann geschliffen, um alle Rautiefen, die vom Fräsen geblieben sind, zu entfernen.
Da der Flügel in der Form von außen nach innen aufgebaut wird, wird in die Formen zu allererst der Lack aufgetragen. Damit sich dieser später noch möglichst schadensfrei aus der Form lösen lässt, wurden die Formen mit vier Lagen Wachs beschichtet. Das dazu verwendete „Spacewachs 200“ wurde uns von der Firma „Jost Chemicals“ gestellt.
Die AK-X wird zum Großteil aus Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt. Die benötigten Schichten sind jedoch sehr dünn (bei der AK-X: ca. 1-2mm). Solche dünnen Schichten sind jedoch kaum in der Lage die so wichtige Flügelkontur auch unter Last beizubehalten. Sie tendieren dazu Beulen und Falten zu schlagen, wie ein Blatt Papier, dass man zusammenschiebt. Um das zu verhindern, wird die Schichtdicke des CFK durch den Einsatz eines sog. Kernmaterials erhöht. Dieses ist i.d.R. ein sehr leichter Hartschaum. Wir verwenden 10mm dickes „Divinicel H60“, das uns von DIAB bereitgestellt wurde. Als letzten Schritt in den Vorbereitungen musste dieser zugeschnitten und die Kanten abgeschrägt (geschäftet) werden.
Am Dienstagabend lag dann tatsächlich alles bereit.
Die fertiggestellten Formen müssen zunächst geputzt werden. Anschließend wird ein Trennmittel aufgebracht, um dafür zu sorgen, dass man den fertigen Flügel später auch aus der Form bekommt.
Der Lack schützt die Faserwerkstoffe eines Segelflugzeug vor UV-Strahlung und sorgt durch seine weiße Farbe dafür, dass das Flugzeug nicht zu warm wird
Einzelne Stücke werden schließlich zu einer zusammenhängenden Fläche verklebt
AK-X
