AK-X

Richtungsweisend – die Ruder der AK-X

Grundlagen

Wie jedes Flugzeug braucht auch die AK-X Ruder, um die Fluglage zu kontrollieren. Die Anordnung der Ruder unterscheidet sich jedoch grundlegend zu den meisten anderen Flugzeugen. Da die AK-X ohne Leitwerk auskommt, müssen die Steuerflächen für Nick- und Gierbewegungen im Flügel integriert werden. Daraus resultiert eine Konfiguration mit drei unabhängigen Rudern an der Endleiste der Flügel sowie einem Ruder in den Winglets. Zusammen übernehmen diese Ruder die Funktion von Höhen-, Quer- und Seitenruder sowie Wölbklappen. Durch einen mechanischen Mischer werden die Piloteneingaben entsprechend auf die Ruder verteilt. Siehe dazu unseren Beitrag Die Mischerplatte.

Ruderkonfiguration der AK-X
Steuerung im Flügel mit Ansteuerung des innersten Ruders

Soviel zu den Grundlagen. Jetzt könnte man meinen das ist alles schön und gut, aber das ändert doch an den Rudern nichts. Jedoch hätte man hier leider weit gefehlt. Der Nurflügler macht uns (mal wieder) einen Strich durch die Rechnung.

Flattern

Hintergrundwissen: https://de.wikipedia.org/wiki/Flattern_(Luftfahrt)

Die AK-X ist natürlich nicht das einzige Flugzeug, das ab einer gewissen Geschwindigkeit beginnt zu flattern. Eine zusätzliche Problematik entsteht aber dadurch, dass durch die rückgepfeilte Flügelform eine Kopplung zwischen Nickbewegungen und Flügelbiegung entsteht. Zudem ist die Flügeltorsionsschwingung kritischer. Des Weiteren treten durch die Annahme von losen Rudern zusätzliche Flatterfälle auf, hier sind zwei beispielshalber aufgeführt.

Flatterfall mit asym. Flügelbiegung und Querruderausschlag
Flatterfall mit asym. Flügeltorsion und Querruderschlag

Zu der Problematik des ruderinduzierten Flatterns gibt es eine altbewährte Lösung. Ein sogenannter Rudermassenausgleich vor dem Drehpunkt des Ruders. Bei der AK-X wäre hierfür aber so viel Masse erforderlich, dass uns dies vor konstruktive Schwierigkeiten stellen würde und, noch viel schlimmer, die Flattergeschwindigkeit anderer Flatterfälle herabsenken würde.

Bau und Belastungsversuch

Bleibt nur noch, die Ruder so leicht wie möglich zu bauen. Laut unserer Flatterrechnung muss ein Gewicht von unter 300 g/m Ruderlänge erreicht werden um die kritischen Flatterfälle ausreichend zu dämpfen.

Leicht bauen geht natürlich immer. Leicht bauen und gleichzeitig hohe aerodynamische Lasten aufnehmen ist die wahre Kunst. Von besonderer Relevanz ist für uns die Rudertorsion. Das längste Ruder der AK-X ist ca. 2,4 m lang und wird in der Mitte angesteuert. Kriterium bei der Auslegung war, dass auch bei maximalem Ausschlag und Strömungsgeschwindigkeit sich das Ruder möglichst wenig tordiert um den vorgegebenen Ruderausschlag auf der ganzen Ruderlänge möglichst gut umsetzen zu können.

Die beiden Ruderschalen kurz vor dem Verkleben

Aktuell befinden wir uns in der Testphase des Ruderbaus. Ein erster Kandidat ist bereits fertiggestellt und wird demnächst dem Belastungsversuch unterzogen. Dieser erste Kandidat bringt gerade einmal 162 g auf die Waage (Wobei Krafteinleitung und Lack bei diesem Gewicht noch fehlen), muss jedoch einer Kraft von insg. 360 N standhalten. Diese Kraft setzt sich zusammen aus ca. 160 N die gleichmäßig über die Ruderfläche wirken, sowie jeweils 100 N die links und rechts durch die benachbarten, gekoppelten Steuerflächen eingeleitet werden.

Ihr könnt auf einen zukünftigen Blogpost gespannt sein, in dem wir ein Fazit der Belastungsversuche ziehen werden und über die verschiedenen Bauformen berichten werden!

AK-X

Die Mischerplatte

oder: das Herzstück der AK-X Steuerung

So wie quasi alle Bereiche des (öffentlichen) Lebens steht leider auch bei uns die Werkstattarbeit aufgrund des Coronavirus gezwungenermaßen quasi still. Zeit genug, um wichtige organisatorische oder zulassungstechnische Themen aufzuarbeiten, die leider sonst oft ein bisschen auf der Strecke liegen bleiben. Und ebenfalls Zeit genug, um wieder ausführlicher über unsere Arbeit zu Berichten. Aufgrund eines Leserwunsches [Anm. d. Red.: Falls auch du – ja genau du – ein bestimmtes Thema näher erläutert haben willst, kannst du uns gerne kontaktieren; vielleicht ergibt sich ja auch daraus ein weiterer Artikel. Eine Antwort gibt es aber in jedem Fall 😉] widmen wir uns heute dem Thema Steuerung der AK-X, genauer gesagt der Mischerplatte, dem Zentralen Element der Steuerung.

Die Steuerung der AK-X

Doch gehen wir nochmal ein paar Schritte zurück und reden über die Steuerung eines Segelflugzeugs allgemein. Was muss diese können? Die Steuerung ist dafür da, die vom Piloten gewünschte Flugzeugbewegung durch Eingabeorgane über Übertragungsglieder zu den entsprechenden Steuerflächen zu bringen. Diese sehr abstrakte Formulierung wird meistens durch relativ einfache, Mechanische Hebel und Seilzüge realisiert. Die Bewegung des Steuerknüppels wird aufgeteilt in Höhenruder- und Querrudersignal und über Steuerstangen an die jeweiligen Ruder übertragen. Verfügt das Flugzeug zusätzlich über eine Wölbklappe, wird diese in der ein oder anderen Weise zum Querruder dazu gemischt, da die Funktion ebenfalls durch Ruderklappen an der Flügelendleiste realisiert wird. So langsam kommen wir zum Kern des Problems: die AK-X verfügt über kein Höhenruder im klassischen Sinn. Die Funktion des Höhenruders ist ebenfalls in den Flügelendleistenklappen integriert. Wölbklappenflugzeuge verfügen über eine, meistens aber zwei Ruderklappen im Flügel für die Funktion des Querruders und der Wölbklappe. Die AK-X benötigt aus flugmechanischen Gründen drei Klappen: eine vor dem Schwerpunkt, eine im Schwerpunkt und eine hinter dem Schwerpunkt.

Draufsicht der AK-X mit Ruderklappen:
1. innere Klappen vor dem Schwerpunkt
2. mittlere Klappen im Schwerpunkt
3. äußere Klappen hinter dem Schwerpunkt
4. Seitenruder in den Winglets

Aufgrund dieser kinematischen Randbedingungen – drei Ruderfunktionen durch die gezielte Ansteuerung von drei Ruderklappen realisieren – ergeben sich für die Steuerung der AK-X ein paar sehr interessante konstruktive Anforderungen. Im Kern dieser Anforderungen an die Steuerung steht die sogenannte Mischerplatte. Diese kann als Herzstück der Steuerung betrachtet werden, da sie die Funktion des Höhenruders, des Querruders und der Wölbklappe vereint – also mischt.

Die Mischerplatte ist die Rohrkonstruktion in der Mitte der Steuerung. Sie verbindet den Steuerknüppel (schwarz) mit den drei Outputplatten (oben). In diesem Bild ist nur eine Seite der Steuerung gezeigt.

Gehen wir ein bisschen auf den aktuellen Stand der Konstruktion ein. Die AK-X verfügt über zwei dieser Mischerplatten; jede ist für die Mischung einer Seite zuständig. Die Mischerplatte ist an ihrem unteren Ende über ein Gleitlager mit dem Steuerknüppel verbunden. Durch die Parallelogrammsteuerung sind dabei Höhenruder- und Querrudersignal eindeutig voneinander getrennt. Das Höhenruder beschreibt hauptsächlich eine Translation in der Flugzeuglängsachse, während das Querruder eine Rotation um diese Achse beschreibt.

Höhen- und Querruderanimation

Am oberen Ende der Mischerplatte sind die drei sogenannten Outputplatten befestigt. Diese nehmen das gemischte Signal der Mischerplatte ab und geben es als Output an die Steuerstange für die jeweilige Klappe aus. Dabei sind die Outputplatten auf einer Stange drehbar gelagert, welche durch eine Lageänderung im Rumpf die Outputplatten differenziert bewegt. Diese Bewegung realisiert die Wölbklappenfunktion. Das Bewegen der Outputplatten näher zum Flügel wölbt das Profil positiver, werden die Outputplatten in die Mitte des Rumpfes gezogen wird negativer gewölbt. Der Clou: die vorher vorgestellte Mischerplatte macht diese Bewegung mit und sorgt dafür, dass alle drei geforderten Bewegungen überlagert werden.

die Kernfunktion der Wölbklappe ohne Ansteuerung

Zusammengefasst heißt das also: die Mischerplatte mischt Höhen- und Querruder und gibt diese Signale auf die Outputplatten, welche die Signale um 90° umlenken und in den Flügel leiten. Der Rotationspunkt der Outputplatten wird durch die Spreizung der Wölbklappenstange eingestellt und  überlagert so zusätzlich die Wölbklappenfunktion.

AK-X

Bruchwinglet – Part IV

Der letzte Artikel zum Bruchwinglet befasste sich mit dem Innenleben des Bauteils. Nach dem Verkleben der beiden Schalen ist dieser Bereich nicht mehr erreichbar und damit definitiv abgeschlossen. Das Entformen ist dann immer eine besondere Aktion: Zum ersten Mal hat man das neue Teil „vollständig“ in der Hand.

Bei den Winglets der AK-X ist die Struktur damit aber noch nicht vollständig fertig: Durch den scharfen Knick haben die Holmgurte bei Biegung des Winglets nach außen die Tendenz, sich vom Steg abzulösen (siehe Bildergalerie). Die Verklebung allein kann diese Belastung nicht aufnehmen, daher wird der Holm im Knickbereich mit Rovings umwickelt, um die Gurte zusammenzuhalten. Dieses Verfahren war für uns völlig neu und auch etwas mühsam, hat aber sehr gut funktioniert.
Schließlich wurden noch Deckel infiltriert, die die Schale über der Wicklung von außen schließen.

Außerdem mussten für die Steckung an den Flügel noch von außen mehrere Löcher gebohrt werden. Nach dem Erfolg dieser etwas nervenaufreibenden Aktion (schließlich könnte man das in vielen hundert Arbeitsstunden entstandene Teil erheblich beschädigen) konnten dann die letzten Messingbuchsen eingeklebt werden, über die sowohl im Bruchversuch als auch im Flug die Lasten an den Flügel übertragen werden.

Schließlich blieb noch das Besäumen der überstehenden Schale, um die Außenkontur auf die Endabmessungen zu bringen, das Einpassen und Einkleben der Deckel und Finishen der Oberfläche.
Parallel dazu wurde eine Transportkiste vorbereitet, um den sicheren Versand nach Paris sicherzustellen – und damit wären wir wieder am Anfang dieser Beitragsreihe.

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

AK-X

Bruchwinglet – Part III

Wie im letzten Artikel zum Bruchwinglet berichtet, sind die Schalen die größten und bei der AK-X auch aufwändigsten Einzelteile der Winglets. Nach deren Fertigstellung fehlt allerdings noch ein Großteil der Struktur, nämlich Holm- und Endleistenstege zur Kraftübertragung zwischen den Gurten bzw. den Schalen sowie einige Rippen und Stege für die Steckung zwischen Flügel und Winglet und ein Lagerbock für die Steuerung.
Für die passgenaue Fertigung haben wir zwei verschiedene Verfahren gewählt:
Die kleineren Teile, die präzise positionierte Bohrungen für die Steckungsbuchsen oder Lagerungen benötigen, sind geometrisch teils komplex. Wie auch schon für viele andere Einbauteile der AK-X wurden hierfür Formen FDM-3D-gedruckt. Das hat den Vorteil, dass kostengünstig und mit wenig Vorlauf- und Arbeitszeit auch komplizierte Formen realisiert werden können, die geometrisch gut dem CAD-Modell entsprechen.
Für die Holm- und Endleistenstege ist dieses Verfahren jedoch allein durch die größeren Abmessungen unpraktisch. Außerdem kommt es hier weniger auf exakt dem CAD-Modell entsprechende Geometrie an, sondern es ist wichtig, dass die Teile genau in die Schalen und somit zur realen Form der schon hergestellten Struktur passen. Dafür haben wir die Schalen geschlossen und den so entstehenden „Bauraum“ ausgeschäumt. Aus dem entformte Schaumkern wurden Positive, die den späteren Teilen entsprechen, ausgeschnitten und mittels Schleifen und Spachteln der gewünschten Form angepasst. Auf diesen Positiven konnten nun konventionelle GfK-Negativformen laminiert werden. Zur Verstärkung gegen Beulen wurden zugunsten eines niedrigen Bauteilgewichts und einfacher Herstellung Sicken durch in die Form geklebte „Linsen“ modelliert.
Formen sind im Prototypenbau oft die halbe Arbeit, und so konnten wir die eigentlichen Teile in wenigen Laminieraktionen zügig bauen.
Bei den Vorbereitungen zum Einkleben der Teile in die Oberschale zeigte sich der Vorteil des vielschrittigen Formenbaus: Insbesondere die mittels Schaumkern geformten Stege passen perfekt. Zuerst wurden die Stege im senkrechten Teil des Winglets eingeklebt. Für die sechs verbleibenden Teile machte sich die besondere Unterkonstruktion der Formen bezahlt: ohne eine horizontal ausrichtbare Verklebefläche (wenn auch in etwas unergonomischer Höhe) wäre die gleichzeitige genaue Positionierung der einzuklebenden Teile kaum möglich.
Schließlich konnten wir das Bruchwinglet endlich zukleben. Normalerweise ist das der letzte große Arbeitschritt an der Struktur einer Baugruppe. Doch was ist schon normal beim Bau eines Nurflügels? Um eine weitere strukturelle Besonderheit der Winglets und die letzten Arbeiten am Bruchversuchsteil geht es im nächsten Artikel…

AK-X

Bruchwinglet – Part II

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

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

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