AK-X

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.

 

AK-eLEVEN

Und nach X kommt…

…eLEVEN! So jedenfalls der Arbeitsname des neuen Projekts der Akaflieg Karlsruhe. Nachdem bei unserem derzeitigen Hauptprojekt, der AK-X, nun langsam aber sicher ein Ende in Aussicht ist, wurde es Zeit sich Gedanken über mögliche Nachfolgerprojekte zu machen. Doch wie soll es nach so einem ambitionierten und modernen Projekt wie dem Nurflügler Ak-X weitergehen?

Eine schwierige Frage, die uns einige Monate lang beschäftigt hat. Doch wir denken wir haben eine gute Antwort gefunden:

Die AK-eLEVEN wird ein Messflugzeug mit leicht auszuwechselnden Außenflügeln und einer von Anfang an eingeplanten Messinfrastruktur. Dieses Konzept soll es uns und zukünftigen Generationen erleichtern strömungsmechanische Forschung im Freiflug durchzuführen: Durch die modularen Außenflügel können wir beispielsweise verschiedene Profile oder Grenzschichtbeeinflussungstechniken mit erheblich geringerem Zeit- und Bauaufwand untersuchen. Daraus ergeben sich viele Möglichkeiten für zukünftige innovative Projekte in vielen Bereichen der Luftfahrt.

Wir haben uns dazu entschieden, die AK-eLEVEN nicht als Segelflugzeug sondern als Motorflugzeug auszulegen, was längere Flugzeiten ohne teuren F-Schlepp auch in den ruhigen frühen Morgenstunden ermöglicht. Zudem ergänzt ein Motorflugzeug unseren derzeitigen Flugzeugpark sehr gut, da die Akaflieg Karlsruhe derzeit kein Eigenstartfähiges Flugzeug besitzt. Und schließlich bietet uns die Ausführung als Motorflugzeug viele Chancen unsere Kompetenzen in der Gruppe zu erweitern und zusätzliche Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern.

Bei der Wahl eines Antriebskonzepts bietet es sich aufgrund der vielen Messelektronik, die ohnehin im Flugzeug verbaut ist, an, anstelle eines „normalen“ Verbrennungsmotors für den Antrieb einen Elektromotor zu verwenden. Eine leistungsfähige elektrische Infrastruktur im Flugzeug bietet auch die Möglichkeit einer relativ leichten Einbindung weiterer Messanlagen nach Projektfertigstellung. Ein solches Konzept erscheint uns zudem zeitgemäß und beherbergt großes Entwicklungs- und Innovationspotential, da Elektroflug derzeit ein eher wenig optimiertes Gebiet ist. Ein weiterer Vorteil eines Elektroflugzeugs sind die niedrigeren Betriebskosten im Vergleich zu konventionellen Maschinen, was die Kosten von Messkampagnen weiter senkt.

Insgesamt bietet die AK-eLEVEN damit viele Möglichkeiten der Innovation und Weiterentwicklung für die Akaflieg sowohl durch Entwicklung und Bau des Flugzeuges, als auch durch die Messkampagnen, die nach Projektabschluss durchgeführt werden können.

AK-X

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.

AK-X

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.

AK-X

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.

AK-X

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.

 

AK-X

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.

 

AK-X

Ganz viel Papier… (Teil 2)

Darf man eigentlich einfach so ein Flugzeug bauen, einsteigen und losfliegen?

Jain.

Prinzipiell darf in Deutschland jeder ein Flugzeug bauen, aber im Zweifel macht man dafür auch viel Papier schwarz. Wenn man sich das Flugzeug dabei auch noch neu ausdenkt, wird es schnell mal ein bisschen mehr Papier. Vom ersten Schritt dabei, haben wir schon vor längerer Zeit berichtet. Wem dieses Feld völlig neu ist, sollte daher zunächst Teil 1 lesen.

Wenn man also zusammengetragen hat, was das Flugzeug alles so in seinem Leben erfahren kann und muss, dann ist es an der Zeit auszurechnen, mit welchem strukturellem Aufbau das zu schaffen ist.

TEIL 2: Festigkeitsnachweis

Im ersten Schritt muss man dazu berechnen, bei welchem Lastfall welche Luftkräfte an welchen Stellen auf das Flugzeug wirken können. Dazu gibt es verschiedene Computerprogramme, die von „einfachen“ Wirbelgitterverfahren bis hin zu komplexen CFD-Modellen solche Berechnungen erlauben. Für Kleinflugzeuge ist aus vielerlei Hinsicht ein Wirbelgitterverfahren im Gegensatz zu CFD-Simulationen zweckmäßig:

  • Der Modellierungsaufwand ist überschaubar: Die Eingabedaten können so auch zügig variiert werden. Falls sich im späteren Verlauf doch noch ein Festigkeitsproblem ergibt, sind die Änderungen schnell umgesetzt.
  • Der Rechenaufwand ist gering: Auch mit einem Privatrechner können eine Vielzahl von Lastfällen automatisiert in kurzer Zeit nacheinander durchgerechnet werden.
  • Die Genauigkeit ist meist sogar höher: Woran liegt das? Eigentlich kann eine CFD-Simulation das Problem ja viel detaillierter abbilden. Somit können auch Bereiche mit Unstetigkeiten, wie z.B. der Flügelübergang zum Winglet oder Rumpf besser wiedergegeben werden. Aber das ist eben nur die halbe Wahrheit. Strömungsdynamik ist ein äußerst komplexes Problem. Im Segelflug spielt der Übergang von laminarer zu turbulenter Umströmung von Flügeln eine zentrale Rolle bei der Eigenschaftsbestimmung, da viele Effekte davon beeinflusst werden, ob die Strömung an einer Stelle laminar oder turbulent ist. Diesen Übergang korrekt zu bestimmen ist eine zusätzliche Rechenaufgabe in der Problemlösung, die von vielen Parametern abhängt. Tatsächlich sind die Parametrisierungen in den Programmen, die nur für die Profilberechnung von Unterschallflugzeugen geschrieben wurden besser als die in allgemeingütigen CFD-Solvern. Daher stimmt im Falle der Kleinflugzeuge die Lösung der dafür entwickelten Programme trotz einfacherer Theorie oftmals besser mit der Realität überein. Natürlich kann ein CFD-Solver auch mit einer passenden Parametrisierung gefüttert werden, um für diese Problemklasse die richtigen Ergebnisse zu liefern. Das ist jedoch sehr aufwendig und muss wieder mit Versuchen überprüft werden. Zu viel Aufwand für einen zu geringen Erkenntnisgewinn.

Die Programme, die bei uns zum Einsatz kamen waren AVL und XFOIL, beides Open-Source-Programme vom MIT. Geschickt war die Verwendung auch, weil schon die aerodynamische Auslegung des Prototyps sowie der Flugmodelle der AK-X damit gemacht wurden und somit klar war, dass die Programme auch im Falle unseres Nurflügels brauchbare Ergebnisse liefern. Gesteuert wurde die Vielzahl an Einzelrechnungen durch eine selbst geschriebene Matlab-Routine.

Nachdem wir nun also die aerodynamischen Lasten für unseren Lastfallkatalog kannten, musste das Festigkeitsverhalten unserer Flügel- und Rumpfstruktur untersucht werden.

Für die Flügel haben wir einen klassischen Biegebalkenansatz gewählt und mit unserer Matlab-Routine für den kompletten Flügel ausgewertet. Ein Teil der Ergebnisse wurde im Bruchversuch bereits bestätigt.

Für den Rumpf wählten wir einen anderen Ansatz: Aufgrund der Form und der vielen Ausschnitte für Fahrwerke, Haube, Kupplungen, Rettungssystem, usw. wäre ein Biegebalken eine eher ungenügende Abbildung der Realität. Die Lasten werden schlicht von anderen Effekten, die durch diese Unstetigkeiten hervorgerufen werden, dominiert. Das kann ein Biegebalkenmodell nicht abbilden. Daher wurde der Rumpf mithilfe eines FEM-Modells nachgerechnet. Ob die „bunten Bildchen“ auch tatsächlich die Realität mit genügender Genauigkeit darstellen, wird ein Belastungsversuch am Prototyp zeigen.

AK-X

3D-Druck Steuerungsbauteile

3D-Druckverfahren in der Luftfahrt? Letztes Jahr haben wir schon von unserer Anwendung in der Formmanipulation berichtet. Doch „fliegende Teile“ mit einem Drucker fertigen, noch dazu als Teil der Steuerung? Das ist eine Nummer größer, zu groß, dachten auch wir lange. Der Aufwand, so etwas zu entwickeln und zu testen wäre für uns allein finanziell und zeitlich viel zu groß. Wie gut, dass an so etwas auch andere Leute großes Interesse haben, da es von vielen als Schlüsseltechnologie angesehen wird. Im letzten halben Jahr haben wir so eine Kooperation mit der Firma Rosswag und dem IAM-WK am KIT ins Leben gerufen. Nun ist es spruchreif und die ersten Materialproben befinden sich in der chemischen Analyse. Im nächsten Schritt werden dann die mechanischen Probekörper gedruckt. Diese werden dann von einem unserer Mitglieder in den Laboren des IAM getestet und anschließend für das Luftfahrt Bundesamt (LBA) dokumentiert. So streben wir an, Metall-3D-gedruckte Lagerpunkte für Hebel der Steuerung der AK-X fertigen und einsetzen zu dürfen. Der Vorteil solcher Bauteile für uns im Prototypenbau ist die Möglichkeit sehr komplexe Geometrien und Funktionen in einem einzelnen Bauteil realisieren zu können. Das wiederum vereinfacht die übrige Konstruktion sehr stark, was wiederum Zeit und Geld spart, die Montage vereinfacht und Funktionalität sicherstellt. Auch eine Gewichtsersparnis kann erreicht werden, ist jedoch nicht unser primäres Ziel.

Wir sind gespannt wie es weitergeht und hoffen, zusammen mit unseren Partnern die Allgemeine Luftfahrt technologisch voranzubringen.

AK-X

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.