Möchte man ein Flugzeug bauen und damit dann auch fliegen, muss man der zuständigen Behörde auch beweisen können, dass man hier keinen Unfug verzapft, sondern das Flugzeug den gängigen Normen entsprechend sicher fliegt. Schließlich hängt davon ein Menschenleben ab.
In Deutschland ist die „zuständige Behörde“ das Luftfahrtbundesamt (LBA) und die „gängigen Normen“ zum Bau eines Segelflugzeugs die CS-22 (ehemals JAR-22). In dieser kleinen Beitragsreihe werden wir in der nächsten Zeit den langen Weg des Nachweises der Lufttüchtigkeit beleuchten.
TEIL 1: Lastannahmen
Den Beginn eines Nachweises bilden die sog. Lastannahmen. Hier werden zunächst die Rahmenbedingungen des zu bauenden Flugzeugs abgesteckt. Daraus und aus den Forderungen der Bauvorschrift (CS-22 / JAR-22) ergeben sich Geschwindigkeitsbereiche, Massen und Kraftverteilungen. Diese Informationen sind zentral für alle weiteren Nachweisschritte. Möchte man ein Bauteil auslegen, muss man schließlich wissen, welche Kräfte auf es wirken können. Auch ein Belastungstest macht natürlich nur Sinn, wenn man weiß, wie stark man überhaupt belasten muss. Baut man, so wie wir, ein unkonventionelles Flugzeug, oder allgemein eines, bei dem man die Grenzen des technisch Machbaren erweitern möchte, reichen bisher verwendete Materialien evtl. nicht aus. Doch die Eigenschaften neuer Materialien überlegt man sich nicht beim Kaffee — auch diese müssen anhand von Materialproben nachgewiesen werden. Die Geschwindigkeits- und Massegrenzen sind später im Betrieb relevant, um das Flugzeug nicht zu überlasten.
Sind die Rahmenbedingungen geklärt, wird der sog. Flight-Envelope erstellt. Dieser beschreibt den gesamten Betriebsbereich eines Flugzeugs im Flug. Daraus und einigen weiteren Forderungen ergeben sich eine Vielzahl an sog. kritischen Lastfällen, d.h. Betriebssituationen, bei denen das Flugzeug in irgend einer Weise an seine Grenzen gebracht wird.
Stimmt das LBA dieser Liste an kritischen Lastfällen zu, gelten diese für alle folgenden Schritte als Maß: Zum Auslegen von Bauteilen, zum Nachweis deren Festigkeit bis zum Schreiben des Flughandbuches, welches dem Piloten später als Informationsgrundlage dient, um das Flugzeug so zu fliegen, wie es sich der Konstrukteur vor langer Zeit einmal gedacht hat…
Nachdem wir Ende letzten Jahres vom Beginn des Gestellschweißens berichtet haben, rückt nun das Fräsen der eigentlichen Formen in den Fokus. Dazu haben wir Blöcke aus Ureol[1] verklebt und zur Versteifung mit Stahlträgern versehen. In diese einzelnen Segmente wird nun das Negativ einer jeden Flügelhäfte gefräst. Das ganze Vorgehen ist dabei sehr straff durchorganisiert. Maschinenzeit einer CNC-Fräse ist kostbar, und so kommt es, dass wir auch am Wochenende zu keiner Zeit vorm Anpacken zurückschrecken.
Unser großer Dank gilt dabei der Firma DG-Flugzeugbau. Die Kooperation mit dieser Firma zieht sich schon lange durch die Geschichte der Akaflieg Karlsruhe. So wurden die Winglets der DG-500/20m von der Akaflieg Karlsruhe entwickelt. Später folgte die Kooperation zum Bau der AK-8, deren Rumpf eine modifizierte Variante des DG-600-Rumpfs ist. Ende der 10er Jahren knüpfte das Projekt der DG-1000J, unserem Turbinenprojekt AK-9, an. Nun fräsen wir gemeinsam die Flügelformen der AK-X auf der CNC-Fräse von DG.
Nachdem das Fräsen aller Segmente einer Form abgeschlossen ist, werden diese mit den besagten Stahlgestellen verklebt. So wird sichergestellt, dass die Formen belastbar und beweglich sind und die gewünschte, anspruchsvolle Flügelgeometrie bis zum Fertigstellen der Flügel beibehalten. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Insgesamt werden wir in den nächsten Wochen auf diese Weise vier Flügelformen herstellen: Für linken und rechten Flügel jeweils eine obere und eine untere Form. Später werden noch die kleineren Formen der Winglets folgen. Von all diesen Schritten werden wir Ihnen noch ausführlich berichten.
Vielen Dank für die Bereitstellung der Fräse an DG-Flugzeugbau.
Die Fräse beginnt ihr Werk. Gesteuert wird sie dabei von einem Computer. Den sog. NC-Code, der die Steuerbefehle beinhaltet, haben wir vorher aus unserem CAD-Modell erzeugt. Zunächst wird „geschruppt“. Dabei wird ersteinmal grob Material abgetragen.
Es folgen feinere Werkzeuge und engere Bahnabstände, um die Oberfläche in die finale Form zu bringen und so zu „schlichten“.
Das geschieht nacheinander mit allen Teilen einer Form…
… bis man sie alle nebeneinander legen kann und schon einmal von dem Flügel träumen kann, der darin bald entstehen wird.
[1] Ureol ist ein künstlich hergestellter, sehr homogener Formwerkstoff. Er besteht aus winzigen Glaskügelchen verpresst und zusammengehalten von Polyurethanharz. Unser Ureol stammt von der Firma Necumer. Bei der Beschaffung unterstützte uns die Firma Girrbach Modellbau aus Pfinztal mit sehr günstigen Konditionen.
Es ist soweit, nach Jahren von Vorentwicklung, Versuchen, Evaluierung von Konzepten, Bauen von Modellen, Verwerfen und Neugenerieren von Ideen steigt das AK-X-Projekt auf eine neue Stufe: Wir bauen den manntragenden Nurflügler der 15m-Segelflugrennklasse!
Das haben wir uns zum Anlass genommen, Momente und Bilder des bisherigen Projektverlaufs mit allen Höhen und Tiefen zusammenzustellen. So können Sie vom heutigen Tag ein Stück in die Vergangenheit schauen; sehen wie weit der Weg bis zu dem Titelfoto von heute war, wo die ersten Streben der AK-X-Formen zusammengeschweißt werden.
Den bisherigen Projektverlauf in dieser Form zu stemmen, war uns als studentische Gruppe natürlich nur mit Unterstützung möglich. Den treuesten Förderern des Projekts soll daher hier auch nochmal gedankt sein:
KIT; hierbei besonders der Fakultät Maschinenbau; den Instituten FSM, IPEK und WBK
KSB-Stiftung
Momentive
Toho Tenax
Ecc Cramer
Projektchronik
Natürlich können wir hier nicht jeden Schritt aufführen. Wenn Sie noch mehr wissen wollen, lesen Sie unseren Blog zur AK-X oder die Jahresberichte ab 2010.
Oktober bis November 2015: Eigentlich ist die Entscheidung zum Bau natürlich schon vor einer Weile gefallen. Wie viel Material braucht man, wie teilt man die Formen, wo baut man was, wer baut was, wer plant was, wann braucht man was und welche Tests müssen wir dem Luftfahrtbundesamt präsentieren, um den Flieger irgendwann fliegen zu dürfen? All diese Fragen mussten neben Konstruktion und Berechnung gelöst werden, bevor wir anfangen zu bauen.
Juli 2015 bis Jetzt: Die Flugerprobung des 1:2-Modells bildete die Basis für viele Entscheidungen. Rechnungen mussten bestätigt werden, Details optimiert, Strukturen nachgerechnet, usw. So ist unser Modell seit dem Erstflug bereits 75 Mal in die Luft gestiegen. Bis auf einen kleinen Schaden nach unsanfter Landung hat es alle Tests bisher problemlos überstanden. Ein weiterer Grund, sich für den Bau des großen Fliegers zu entscheiden: Wenn das Modell so gut fliegt, möchte man schließlich auch mal drin sitzen. (Blogbeitrag)
Das Fahrwerk ist zwar so eingebrochen wie wir das beim Bau beabsichtigt hatten: Sollte der Aufschlag zu hart sein, würden die Achsbleche brechen und nicht die Rumpfstruktur. Blöd war nur, dass das Rad nicht seitlich wegflog nachdem die Achsbleche gebrochen waren, sondern sich in die Rumpfschale bohrte. Diese war dann jedoch schell repariert. Im Bild sieht man den Rumpf nach dem Schäften und vor dem Ankleben des Ersatzstücks der Schale.
09. Juli 2015: Erstflug des AK-X 1:2-Modells auf dem Segelfluggelände Rheinstetten. (Blogbeitrag)
Der Erstflug F-Schlepp. Ruhig zog unser Vogel vom Boden weg. Kein Nicken, kein Ausbrechen, nur ein ganz normaler Start. Besser hätte der Erstflug nicht laufen können.
November 2014 bis Februar 2015: Standschwingversuch des 1:2-Modells am DLR in Göttingen. Dieser Versuch war für die Auslegung der Flugzeugstruktur sehr zentral. Rein theoretische Rechnungen sind wenig wert, wenn man die Ergebnisse nicht an einem Beispiel überprüfen kann. Für herkömmliche Segelflugzeuge existieren genügend Beispiele, doch wie steht es mit Nurflügeln? Da gab es bisher nur wenige. Und diese hatten z. T. erhebliche Unterschiede zu unserem Entwurf. (Blogbeitrag)
Standschwingversuch des 1:2-Modells beim DLR in Göttingen
Juni 2014 bis Oktober 2014: Bau des ersten AK-X 1:2-Modells. Unter der drohenden Deadline des vereinbarten Standschwingversuchs bauten wir das Großmodell in nur 3,5 Monaten.
Innenflügeloberschale kurz vor dem Verkleben mit der Unterschale
Januar 2014 bis Mai 2014: Formenbau für das AK-X 1:2-Modell. Mit der Unterstützung der AkaModell Stuttgart und einem befreundeten Modellbauer konnten wir die Formen für unser 1:2-Modell in Ureol fräsen. Hier blieben wir auf bekanntem Terrain: Schon die Formen für das 1:4-Modell wurden aus Ureol gefräst. Diese Technik garantiert für die komplexe Flügelgeometrie eine bessere Profiltreue, als das mit der alten Technik des Formmulde-Bauens und Profilschablonen möglich gewesen wäre.
Fräsen eines Segments der Mittelstückform des 1:2-Modells
Ende 2013: Aufgrund der Flatterproblematik des 1:4-Modells entschieden wir uns dazu, vor dem Bau des manntragenden Prototypen neben den theoretischen Auslegungsarbeiten noch ein 1:2-Modell zu bauen. Dieses sollte vom strukturellen Aufbau, der Aerodynamik und den Masseverhältnissen dem späteren Prototypen so nah wie möglich kommen, um die Rechenmodelle daran überprüfen zu können. Außerdem wollten wir damit eine Flatterfreiheit auch über 120km/h erreichen, um die Flugerprobungen im höheren Geschwindigkeitsbereich gefahrlos durchführen zu können. Das war mit den 1:4-Modellen nicht zu erreichen. Zusätzlich versprachen wir uns durch den Zwischenschritt viele Erkenntnisse in konstruktiven Details, um „Anfängerfehler“ am Prototyp so gut es geht zu vermeiden. Mit den 1:4-Modellen führten wir insgesamt knapp 100 Erprobungsflüge durch.
Rest 2012 bis 2013: Flüge mit einem neuen 1:4-Modell, Erkenntnisgewinn, Änderungen, Bauen neuer Formen für einzelne Teile. Dieser Zyklus wurde für einige Komponenten des Modells durchlaufen. Da die AK-X zu diesem Zeitpunkt einschließlich der Winglets noch einen 5-teiligen Flügel hatte, konnten wir so Stück für Stück Änderungen ausprobieren. Nachdem zunächst ohne Rumpf geflogen wurde, kam später ein Rumpf dazu, sodass wir auch den Unterschied quantitativ bestimmten konnten, den der Rumpf verursacht. Das war auch ein sehr wichtiger Schritt, da er durch Berechnungen nur schwer zu ersetzen gewesen wäre und ein Fehler hierbei zu sehr schlechtem Flug- und Leistungsverhalten führen kann. Insgesamt bauten wir Teile für fast 5 1:4-Modelle.
1:4-Modell mit Rumpf
Mai 2012: Erstflug des ersten 1:4-Modells. In der anschließenden Flugerprobung wurden 40 Flüge absolviert. Durch einen Ausfall der Fernsteuerung ging das Modell dann verloren. Im Anschluss wurden mehrere neue Modelle gebaut. Erkenntnisse aus den ersten Erprobungsflügen wurden bei späteren Versionen berücksichtigt.
Erstes reales Modell, ohne Rumpf
Anfang 2012 – Mai 2012: Bau des ersten 1:4-Modells in CFK-Sandwich-Bauweise.
Ende 2011 – Anfang 2012: Fräsen der Formen für das 1:4-Modell aus Ureol beim Institut für Produktionstechnik (WBK) am KIT.
Anfang 2011: Auswerten der recherchierten und beim Balsaholzmodell beobachteten Flugeigenschaften. Daraus erstellten wir ein erstes Flugzeugkonzept. Ein erstes aerodynamisches Modell entstand sowie ein CAD-Modell für ein 1:4-Modell. Damals war die AK-X noch als Tiefdecker konzipiert.
Ende 2010: Das erste Modell, gefertigt aus Balsaholz, startete zu seinem Jungfernflug.
Anfang 2010: Die Ideenentwicklung nach dem „zweiten Erstflug“ unseres letzten Prototypen AK-8 führte zu dem Wunsch, wieder in unkonventionelles Terrain vorzuschreiten, um nicht nur einen quantitativen sondern einen qualitativen Sprung in der Segelflugentwicklung zu ermöglichen. Ersterer ist angesichts sehr ausgereifter und ausgereizter Serienflugzeuge heutzutage schwieriger denn je. So kam man überein, dass ein Nurflügel hier besonders reizvoll wäre. In der Folge wurden erste Überlegungen gestartet und viel an vorangegangen Projekten wie der SB 13 der Akaflieg Braunschweig und den Horten Nurflügeln aus den 1930er und 1940er Jahre recherchiert.
In letzter Zeit ist es etwas ruhiger geworden um die Arbeiten für die AK-X. Das liegt daran, dass gerade viel theoretisch daran gearbeitet wird um die nächsten Schritte, wie Formen fräsen oder der Bau des Rumpfpositivs, dann im nächsten Jahr auch pünktlich beginnen zu können. Momentan stehen Arbeiten an wie der letzte Feinschliff an der aerodynamischen Profilauslegung, Ermittlung der Materialparameter der verwendeten Kohlefaser und strukturtechnische Auslegung. Demnächst wird dann auch endlich mit der finalen Konstruktion begonnen. Erste wirklich präsentable Ergebnisse liegen gegen Januar vor.
Die Flugerprobung des 1:2 Modells geht natürlich trotz der ganzen Büroarbeit drinnen und Kälte draußen weiter. Wie auf dem Titelbild startet unser Nurflügel nun regelmäßig auf dem Modellflugplatz Graben-Neudorf. Unser Dank gilt hier auch den Freunden der Modellfluggruppe Graben-Neudorf für diese Möglichkeit.
In der letzten Zeit haben wir die Flugerprobung des 1:2 Modells forciert. Dabei wurde hauptsächlich Wert auf die Bestimmung des Neutralpunktes gelegt. Der Neutralpunkt ist ein wichtiger Bezugspunkt zur Bestimmung der Längsstabilität. Umso weiter der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt liegt, desto höher ist die Flugstabilität. Hierbei ist es wichtig die genaue Lage des Neutralpunktes zu kennen. Diese bekommt man, in dem man mit unterschiedlichen Gewichts- und Klappenkonfigurationen fliegt und die getrimmte Geschwindigkeit aufzeichnet. Mit den in bis jetzt über 50 Messflügel geloggten Daten lässt sich dann zu jeder Konfiguration der Ca-Wert, welcher ein Maß für den Auftrieb des Flügels ist, bestimmen. Trägt man nun die Werte von 1/Ca über dem Schwerpunkt auf und linearisiert die Ergebnisse, ist der Schnitt der Linearisierung mit der x-Achse, also der Schwerpunkts-Achse, der Neutralpunkt. Mit den bis jetzt durchgeführten Messungen können dabei erfreulicherweise die Berechnungen bestätigt werden. Die Längsstabilität entspricht somit dem ausgelegten Wert. Dies wird durch die subjektive Meinung bestätigt: das Modell liegt sehr ruhig in der Luft, selbst stärkere Böen bringen es nicht mehr aus der Flugbahn als vergleichbare konventionelle Flugzeugmodelle.
Am Donnerstag, den 9.7.2015 war für uns ein ganz besonderer Tag: das 1:2 Modell der AK-X konnte erfolgreich seinen Erstflug feiern!
Vor dem Erstflug des Modells stand zunächst eine Prüfung der Flugtüchtigkeit durch einen Prüfer des deutschen Modellbauverbandes an. Bereits hier begann die erste Probe für die Nerven der Konstrukteure. Stück für Stück wurden die Flügel des Segelflugmodells mit 200 Kilogramm Gewicht belastet. Als die Prüfung erfolgreich abgeschlossen war ging es zum finalen Test, dem Erstflug.
Mit fast 60 Kilogramm Abflugmasse und einer Spannweite von 7,5m kommt das Modell der noch zu bauenden manntragenden AK-X nicht nur optisch sehr nahe. Mit einem Flugzeugwert im fünfstelligen Bereich und mehr als 6000 investierten Arbeitsstunden war die Anspannung aller Beteiligten entsprechend groß.
Gezogen von einem 20 PS starken Modellmotorflugzeug gewann das AK-X Modell schnell an Höhe und konnte in knapp 300m über dem Boden ausgeklinkt werden. Der Pilot der AK-X, Alexander Muckenhirn, stellte recht schnell fest, dass das Modell vorzügliche Flugeigenschaften hat, und so konnte er den Erstflug mit einer sanften Landung auf dem Segelfluggelände erfolgreich abschließen. Laut seinen Aussagen flog sich das ferngesteuerte Modell absolut problemlos und verhielt sich wie ein konventionelles Segelflugmodell dieser Größe. Die berechneten Ruderausschläge waren korrekt und die Schwerpunktslage im unkritischen, gutmütigen Bereich.
Den Beobachtern bot sich das Bild eines, trotz starkem Wind, sehr ruhig gleitenden Segelflugzeuges. Vom Boden war das Modell in keiner Weise von seinem manntragenden Vorbild zu unterscheiden. Nach drei weiteren erfolgreichen Flügen konnte der Erstflug der AK-X gefeiert werden.
Besonderen Dank gilt, neben vielen anderen, der Stadt Rheinstetten, dem Piloten der AK-X Alexander Muckenhirn, dem Prüfer Wolfgang Bücher, den Schlepppiloten des Fliegerlandshops und natürlich allen anderen Partnern, ohne die der Bau dieses Modells unmöglich gewesen wäre.
Jetzt wird es ernst! Diesen Samstag, den 27.06.2015, wird unser AK-X 1:2 Modell flugfertig auf dem Tag der offenen Tür des KIT zu sehen sein. Für die kommende Woche ist dann der Erstflug angesetzt, der hoffentlich ein weiterer erfolgreich gemeisterter Meilenstein in der Entwicklung unseres Nurflügelsegelflugzeugs wird.
In den letzten Wochen ist wieder eifrig an der AK-X gebaut worden. Noch bewegen wir uns im Maßstab 1:2, doch der große, manntragende Flieger rückt langsam in den Fokus. Grund genug, die verbliebenen Arbeiten am 1:2-Modell zügig fertigzustellen. Daher ist die Werkstatt seit Wochen fast ausschließlich mit Formen, Tischen und anderen Utensilien belegt, die für die Arbeiten an der AK-X benötigt werden.
Konkret ist dies zum einen die nun fertiggestellte Form zum Bau eines Rumpfes für das 1:2-Modell, bei dem die Flächen auf halber Höhe, und nicht wie bisher unter dem Rumpf, angeordnet sind. Der Bau der Form erfolgte wie schon bei dem Tiefdeckerrumpf durch Abformen eines Rumpfpositivs (siehe auch: hier )
Parallel dazu entsteht der Rumpf der Tiefdeckerversion. Frisch entformt kann man den Unterschied zu seinem Urpositiv kaum erkennen. Doch Innen schlummert schon eine flugtüchtige Struktur. Hier werden nun in der nächsten Zeit die Haube, übrige Spanten, das Fahrwerk, sowie die nötige Steuerelektronik eingebaut.
Frisch „geboren“: Der Tiefdeckerrumpf ist entformt.
Den meisten Platz jedoch belegen die Flächenformen des 1:2-Modells. In ihnen wird derzeit eine zweite Garnitur Flügel gebaut. Ziel ist es, neben der Schaffung eines Back-ups, eine überarbeitete Struktur, sowie den Umgang mit einem anderen Fasertyp zu proben. Außerdem ist es eine gute Möglichkeit das Know-How des Flügelbaus in der Gruppe zu festigen und weiterzugeben, um beim manntragenden Flugzeug unnötige Fehler zu vermeiden.
Die Form für die Oberschale des linken Außenflügels nach dem Aushärten des Außenlaminats.
AK-X
