AS 33-HKM
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AS 33, neuer Rennsegler mit 15/18 m Spw.

von Schleicher-Segelflugzeugbau

Scale-Nachbau von HKM-Flugzeugbau im Maßst. 1:2,5

AS 33 im Erstflug, 24.Jan. 2020, Pilot Uli Kremer

AS 33 beim Erstflug

 © Manfred Münch/Schleicher

New Kid in Town !

Wenn bei Alexander Schleicher-Segelflugzeugbau in Poppenhausen ein neues Segelflugzeug angekündigt und erste Konstruktionsdetails veröffentlicht werden, erfasst mich der Tatendrang als Konstrukteurs von Flugmodellen. Meine Affinität zu Schleicher dürfte allseits bekannt sein, habe ich doch im Laufe der Zeit etliche Flugzeuge der Firma, angefangen von der K6 bis zuletzt der ASH 31 mit 9,6 M, als Scale-Modelle nachkonstruiert und/oder gebaut. Das sind mit kleinen Verbesserungen für ausreichende Flugstabilität im Modellflug alles Top-Modelle geworden, die sich auch gut vermarkten ließen. Als ich die ersten Vorankündigungen von dem Projekt eines neuartigen Segelflugzeuges für die FAI-Klassen der Rennsegler mit 15 Meter und 18 Meter Spannweiten erfuhr, deren Leistungen alle bisherigen Segelflugzeuge dieser Klasse in den Schatten stellen sollen, brauchte es keiner großen Argumente mehr, meinen Fliegerfreund Willi Helpenstein (HKM) zu überzeugen, die 18 Meter-Version als Spitzenmodell für dynamisches Segelfliegen im Maßstab 1:2,5 zu bauen.

AS 33 der modernste 15/18m Segler ?!

Diese Ankündigung von Alexander Schleicher Segelflugzeugbau lässt ahnen, dass die Messlatte für die Leistungen des neuen AS 33-Rennseglers für die 15m und 18m FAI-Klassen enorm hoch gelegt wurde, als vor gut zwei Jahren der Entschluss feststand, die fast 10 Jahre alte und ständig verbesserte ASG 29 durch ein neues, hochleistungsfähiges Segelflugzeug zu ersetzen. Von jungen Ingenieuren mit neuesten Kenntnissen der numerischen Strömungssimulationen und digitaler Rechenverfahren für aerodynamische und flugmechanische Aufgaben erhoffte man sich wesentliche Verbesserungen für die Flugleistungen. Aufregend bis zum Erstflug bleibt damit während der gesamten Entwicklungszeit die bange Frage, ob das Ergebnis am Ende „Hopp“ oder „Top“ sein wird.

Die AS 33 entstand als Gemeinschaftsprojekt mehrerer Ingenieure und Techniker, weshalb von einem Konstrukteurs-Buchstaben bei der Modellbezeichnung abgesehen wurde. Aerodynamische Aufgaben wie die Entwicklung widerstandsarmer Laminarprofile mit hohem Auftrieb für die Tragfläche, die Wirkung der Wölbklappen, die 3D-Berechnung und -Optimierung des Strömungsverlaufs zwischen Rumpf und Fläche, die aerodynamische Gestaltung der Winglets, die Bestimmung der optimalen Hochlage der Tragfläche am Rumpf usw. erledigte das AS 33-Team wohl alles selber. Offensichtlich war anfangs wohl eine Hochdecker-Anordnung der Tragfläche geplant, um den schädlichen Widerstand zwischen Rumpf und Fläche zu minimieren. Da aber im Langsamflug der Strömungsnachlauf der Fläche bei dieser Anordnung die Effizienz des Höhenleitwerks wohl beeinträchtigt hätte, wurde es doch wieder ein Mitteldecker.

Bei sonnigem Wetter in der Rhön verließ am 23. Januar um viertel vor 11 Uhr die AS 33  mit Geschäftsführer Uli Kremer am Ruder per F-Schlepp den Schleicher-Werksflugplatz in Poppenhausen zum Erstflug. Uli Kremer fühlte sich - wie er hinterher berichtete - gleich sehr wohl im Cockpit und war begeistert von der Leistung und der Manövrierbarkeit des Flugzeuges: „Das Flugzeug ist sehr leise und die Ruderabstimmungen sind sehr harmonisch“. Leider konnten, wie immer bei einem Erstflug, noch nicht die Schnellflugeigenschaften erprobt werden, was zur Zeit die Mitarbeiter des AS 33-Teams ausführlich übernehmen.              

AS 33-HKM, Modell im Maßstab 1:2,5 zum Original

Eigentlich ist es wohl eher ungewöhnlich, über das Design eines Segelflugmodells zu berichten, noch ehe es gebaut und geflogen wurde.  Aber mit Einverständnis von Willi (HKM), der das Modell in Serie bauen wird, will ich hier schon mal vorab über meine theoretischen konstruktiven Vorstellungen vom Bau  einer AS 33 im Maßstab 1:2,5 zum Original vorstellen. Ich nehme an, dass dies sicher einige Freunde der Großsegler interessieren wird. Das Modell wird im Weiteren als „AS 33-HKM“ bezeichnet. Im September wird es übrigens vom VTH eine Sonderausgabe der FMT übler Segelflugmodelle geben, darin wird auch ein ausführlicher Essay von mir über das Thema publiziert  werden.

Am Anfang eines solchen Projektes stehen zuvorderst Fragen des Marketings: Gibt es eine ausreichende Zahl potentieller Käufer, die das sicher nicht ganz billige Modell in genügender Stückzahl kaufen werden, damit sich die enormen Investitionen an Zeit und Geld rentieren? Und  technische Fragen wie: Welche Flugeigenschaften erwartet sich das Gros dieser Käufer von einem solchen Modell? Willi, weltweit bekannt für die Qualität und die Leistungsfähigkeit seiner Modelle, bat mich, gemäß dem Wunsch seiner potentiellen AS 33-Kunden, ein Modell zu konstruieren, das zwar ausreichend Reserven für das Kreisen in der Thermik, aber eher dynamische Flugeigenschaften haben sollte.

3-Seiten Ansicht des AS 33-HKM-Modells

©  Konstruktion des Autors

Glücksfall Rumpf

Vergleich AS 33 vss ASW 28 Flächenansatz

Ausschlaggebend für die Konzeption dieses Modells kam der glückliche Umstand hinzu, dass bei HKM ein ASW 28-Modell im Maßstab 1:2,5 zum Original zum erfolgreichen Portfolio des Geschäfts gehört. Für sdie AS 33 kommt ein modifizierter ASW 27 Rumpf zum Einsatz und wer sich mit den Schleicher-Segelflugzeugen auskennt, weiß, dass die ASW 27- und ASW-28-Segler nahezu identische Rumpfkonturen haben. Ein grafischer Vergleich vom AS 33- mit dem ASW 27-Rumpf zeigte im Cockpit- und Tragflächenbereich ebenfalls gleiche Konturen. Mithin liegt es für Willi nahe, für die Herstellung einer AS 33-HKM den Rumpf seiner ASW 28 abzuformen und lediglich neue Anformungen für den Flächenübergang zu schaffen. Das Seitenleitwerk wurde für das ASW 28-Modell seinerzeit etwas vergrößert, weil im Modellflug oftmals engere Wenden und Kreise geflogen werden und dabei größere negative Wendemomente an der Tragfläche entstehen als beim Original, die durch höhere Luftkräfte mittels Ruderausschlag am Seitenleitwerk kompensiert werden müssen. Da die AS 33-HKM eine deutlich höhere Streckung (L = 32,4) als das ASW 28-Modell (L = 27,2) hat und somit im agilen Kurvenflug höhere negative Roll-Wende-Momente zu erwarten sind, wird die AS 33-HKM dasselbe leicht vergrößerte Seitenleitwerk bekommen.

In der 3-Seitenansicht oben entsprechen die  Dimensionen des Seitenleitwerks noch denen der Original-AS 33. Wie aber schon erwähnt, wird beim AS 33-HKM-Modell die moderat vergrößerte Version des ASW 28-Modells zum Einsatz kommen.

Eine Besonderheit der AS 33 ist das einziehbare Spornrad vor dem Seitenruder (s. 3-Seiten-Grafik). Willi und seine Helfer denken z. Z. intensiv darüber nach, wie sich das auch beim Modell realisieren lässt.

Kompromisse beim Design der Flügelgeometrie

Da von Schleicher keine Unterlagen über das Design des Flugzeuges zu bekommen waren, hatte ich leider das Problem, selber die Umrisse von Tragfläche und Winglets beim Modell möglichst originalgetreu  und leistungsfähig zu realisieren. Als auf der Website von Schleicher und in Fachzeitschriften die ersten großformatigen Bilder des 18 M-Prototyps veröffentlicht wurden, zeigte sich, dass die Tragfläche  aus mehreren Trapezen besteht.

Ausgehend von der Annahme, dass die  AS 33-Flächenform bei der endgültigen Ausführung von der Flächenwurzel bis zum Winglet-Ansatz durch 5 bis 6 Trapezstücke approximiert wurde, wurde auch die Flächenform des AS 33-HKM-Modells mittels 6 Trapezen pro Flächenhälfte so gut wie möglich angepasst, um eine optimale Verteilung der Auftriebsbeiwerte zu erzielen.

Anders als beim Original der AS 33 werden beim HKM-Modell mit 7,2 M- Gesamtspannweite die Winglets nicht fest an der Fläche angeformt werden, sondern zwecks sicheren Transportes ansteckbar ausgeführt werden.

Mittels Profilanalyse mit dem Eppler-PROFIL06-Prgramm war mir schnell klar, dass für dieses Modell nur ein Strak der Profigruppe HQ/DS-2/… in Betracht kam, um die gewünschten Leistungsziele zu erreichen. Im Wesentlichen sollte im mittleren und äußeren Flächenbereich eine Profildicke von 10 % für gute Gleitzahlen und Sinkraten sorgen. Zur Flächenwurzel hin war es aber erforderlich, das Profil bis auf 13 % aufzudicken, um einen ausreichend stabilen Flächenverbinder unterbringen zu können. Wie überschlägige Rechnungen ergaben, würde sich bei optimalem Gleiten oder geringstem Sinken für eine Flächenbelastung  von m/F=100 g/dm2 eine Grundgeschwindigkeit von etwa V=14,6 m/s einstellen. Damit ergäbe sich beim letzten Trapezschnitt mit ca. 200 mm Profiltiefe noch eine Re-Zahl um Re=200.000, bei der die Strömung am HQ/DS-2/10-Profil noch stabil verläuft. Dagegen läge die untere Re-Zahlgrenze an den Flächenenden bei etwa Re=100.000. Weil die Strömungsstabilität des HQ/DS-2/10-Profils bei solchen Re-Zahlen nicht so gut ist, wurde im letzten Flächentrapez zum Flügelende hin auf das strömungsstabilere Profil HQ/ACRO-2/10 gestrakt.

Die HQ/DS-Profile wurden so konzipiert, dass sich bei ihnen der Einsatz von Wölbklappen mehr als bei meinen anderen HQ-Profilen bemerkbar macht. Beim HQ/DS-2/10-Profil zeigte sich, dass eine Ruder- und Wölbklappentiefe von 20 % der Profiltiefe ausreicht, um Manövrierfähigkeit, Sinkrate oder Schnellflug in gewünschtem Maße zu erzielen. Also sind für die AS 33-HKM  durchgehend etwa nur 20 % breite Wölbklappen und Querruder vorgesehen.

Leistungspotential des AS 33-HKM-Modells

Leider hat sich in den letzten Jahren mehr und mehr durchgesetzt, dass in den Reportagen und auch zunehmend in der Werbung über neue Modelle so gut wie keine Angaben mehr über die Profilierung gemacht werden. Ich finde das außerordentlich bedauerlich, ist doch das Profil das maßgebende Herzstück für die Leistungsfähigkeit. Das ist gerade so als würde ich ein Auto ohne Angaben über seine Motorisierung kaufen. Diesem Trend möchte ich mich nicht anschließen und im Folgenden meine Überlegungen, die zur Wahl des Profils HQ/DS-2/10 für ein dynamisches Modell wie die AS 33-HKM geführt haben, mitteilen.

Bei nahezu elliptischer Flächenform wie bei der AS 33 liegt der Auftriebsmittelpunkt einer Flächenhälfte bei etwa 40 - 45  % der Halbspannweite und die entsprechende Flächentiefe ist der Wert, mit dessen Hilfe für jeden Auftriebsbeiwert cL des Profilstraks die Fluggeschwindigkeit V, die zugehörige Re-Zahl  und der Widerstandsbeiwert cD des Modells theoretisch bestimmt werden können. Für das AS 33-HKM-Modell ist diese Flächentiefe ld ≈ 255 mm.

Die Summe aller Widerstände von Tragfläche (inklusive induziertem Widerstand), von Rumpf, von Leitwerk und von den schädlichen Strömungsinterferenzen zwischen den Teilen liefert schließlich den Beiwert des Gesamtwiderstandes des Modells. Nebenstehende  Grafik zeigt die Polaren des Profils HQ/DS-2/10 für eine moderate Oberflächenrauheit (N.9) im praktisch relevanten Re-Zahl-Bereich. Im Langsamflug können damit ohne Wölbklappen maximale Auftriebsbeiwerte bis nahe ca ≈ 0,8 erreicht werden, der Auftriebsbeiwert für das gesamte Modell liegt im langsamen Gleitflug bei etwa cA . 0,75. Mit einem Flächengewicht von m/F = 100 g/dm2 erreicht das Modell etwa eine Grundgeschwindigkeit von 14,6 m/s, was Re ≈ 250.000 für die Tragfläche entspricht. Überschlägige Berechnungen unter Berücksichtigung aller Widerstände ergaben damit für den langsamen stationären Gleitflug eine ungefähre Gleitzahl von GZ = cA / cW ≈ 33 - 34 und eine Sinkrate von VS ≈ 41 - 42 cm/s.

Das Profil HQ/DS-2/10 wurde vor allem für die AS 33-HKM gewählt, weil mit negativem Ausschlag der Klappen und Ruder bis zu ca. -4° das Profil fast eine symmetrische Form annimmt und die Polaren sich derart zu niedrigeren Auftriebsbeiwerten verschieben, dass bei Nullauftrieb etwa der geringste Profilwiderstand entsteht. Mit dem Eppler Programm PROFIL06 errechnet sich ein minimaler Profilwiderstand von cwp ≤ 0,005, ohne Klappen könnten bestenfalls Werte um cwp ≈ 0,0075 erreicht werden. Die Polaren zeigen außerdem, dass es sich bei diesem Profil erst ab cA < 0,3, was einer Geschewindigkeit von ca. 100 km/h entspricht, lohnt, negativen Klappenausschlag einzusetzen, um die Geschwindigkeit ohne zu steilen Sturzflug zu erhöhen.

Aus den Erfahrungen mit anderen Modellen, die ich mit HQ/DS-Profilen unterschiedlicher Profilwölbung ausgerüstet hatte, weiß ich, dass im Langsamflug ein positiver Klappenausschlag bis zu mehr als 4° ohne Probleme möglich ist. Damit lassen sich Auftriebsbeiwerte von cL ≥ 0,9 ohne Erhöhung des Profilwiderstandes realisieren. Theoretisch lassen sich mi 4° Ausschlag der Klappen und Ruder im langsamen stationären Gleitflug mit der AS 33-HKM offenbar Gleitzahlen über GZ ≈ 40 und Sinkraten von nahezu Vs ≈ 36 cm/s bei einer Geschwindigkeit von etwa V ≈ 13,3 m/s erzielen. Das sind beinahe unfassbare Werte, umso gespannter bin ich auf die praktischen Flugleistungen.

Vorstehende  rechte Grafik verdeutlicht, dass der positive Einsatz von Wölbklappen auch im Schnellflug keinen zusätzlichen Profilwiderstand bewirkt. Dies ist besonders vorteilhaft, weil z.B. mittels  Snap-Flap-Ausschlag der Klappen und Ruder beim Nachziehen am Höhenruder in schnellen engen Wenden außer einer Erhöhung des induzierten Widerstandes kaum eine andere Erhöhung zu erwarten ist. Damit sollte sich das Modell z.B. beim dynamischen Hangflug oder bei Flugaufgaben, wo es um schnelle Kehrtwenden geht, als besonders agil erweisen.

Eine komplizierte Angelegenheit, die Winglets

AS 33-HKM - Winglets

Die nebenstehende Grafik zeigt die Ansicht des Winglets für die AS 33-HKM von 3 Seiten, von hinten, von außen und von oben. Das Design von Form und Dimensionen der Winglets gestaltete sich deshalb als ziemlich kompliziert, weil dies nur anhand der zur Verfügung stehenden dürftigen Grafiken des AS 33-Originals und von Fotos nachvollzogen werden konnte.

Für den eigentlichen Winglet-Bereich wurde das Profil HQ/Wglt-3/13 gewählt, Mit Turbulatoren auf der Ober- und Unterseite liefert es nach der Eppler-Analyse zumindest am Fuß des Winglets beim Langsamflug mit Re-Zahlen von Re ≈ 50.000 offenbar noch gute Strömungsverhältnisse. Zur Wingletspitze hin wird es beim Modell wohl eher turbulent zugehen. Das Profil bietet vor allem aber den Vorteil, dass es aufgrund seines umfangreichen Auftriebsbereichs im Schiebeflug und bei seitlicher Anströmung durch Luftböen gutmütig reagiert. Mehr über die Gestaltung von Winglets findet sich in meinem Buch über HQ-Profile.

Maßgebend für die Längsstabilität, das Höhenleitwerk

Das wichtigste Maß für das stabile Fliegen eines Seglers, ob bemannt oder ob Modell, ist seine Längsstabilität um die Querachse im stationären Gleitflug. Eigentlich ist sie eine Kombination aus einem statischen und einem dynamischen Anteil. Gerade bei großen Scale-Segelflugmodellen spielt aber der statische Anteil eine wesentlich bedeutendere Rolle, während der dynamische Anteil sich kaum bemerkbar macht. Im langsamen stationären Gleitflug herrscht in der Regel Nullauftrieb am Höhenleitwerk. Kommt es aufgrund einer Störung wie z.B. durch eine Luftbö oder einen Steuerfehler bei feststehendem Höhenruder zu einer Änderung des Anstellwinkels, so tritt auch am Höhenleitwerk ein entsprechender zusätzlicher Auftrieb oder Abtrieb auf, der ein rückführendes Drehmoment des Modells um die Querachse zur Folge hat. In der Regel kommt es dadurch zu einer kurzzeitigen gedämpften Schwingung um die Querachse, weil aufgrund der Massenträgheit des Leitwerks die Rückschwingung nicht gleich wieder in der Ursprungslage zum Stillstand kommt, sondern darüber hinaus geht. Andererseits sorgt die dabei am Höhenleitwerk entgegenwirkende Luftkraft für die Dämpfung dieser Schwingung. Physikalisch ergibt sich für den Dämpfungsfaktor d dieser Schwingung, dass er proportional ist zum Verhältnis der Fläche FH des Höhenleitwerks und der Masse mL des gesamten Leitwerks, d  ~ FH / mL . Also, je großer das Höhenleitwerk und je geringer die Masse des Leitwerks, umso schneller geht ein Segler wieder in seine stationäre Flugbahn über.

 Als verlässliches  Maß für  die statische Flugstabilität ist der Abstand des Schwerpunktes vor dem Gesamtneutralpunkt des Flugzeuges relativ zur charakteristischen Flächentiefe, (XN - XS) / ld. Im Allgemeinen sollte die Lage des Schwerpunktes am besten so gewählt werden, dass sich im stationären Langsamflug an der Tragfläche der Auftriebsbeiwert für optimales Gleiten oder geringstes Sinken einstellt. Für den optimalen cL-Wert des Modells lassen sich für gegebenes Flächengewicht die entsprechende Re-Zahl und damit anhand der Profilpolaren der Nullmomentenbeiwert cMo der Tragfläche bestimmen. Da für konvex gewölbte Profile cMo negativ ist, ergibt sich theoretisch im einfachsten Fall für Nullauftrieb am HLW, dass der Schwerpunkt um ΔXS = - cMo /cA hinter dem Neutralpunkt der Tragfläche liegt. Die Lage des Gesamtneutralpunktes XN hinter dem Neutralpunkt der Tragfläche hängt hauptsächlich von geometrischen Parametern des Modells ab (mehr dazu in meinem Buch "Design, Leistung und Dynamik von Segelflugmodellen"). Damit Flugstabilität entsteht, muss der Gesamtneutralpunkt XN hinter dem Schwerpunkt XS liegen. Je größer der Abstand XN-XS ist, um so stabiler fliegt ein Segler und umso geringer ist er empfindlich gegen Störungen.

 Die Frage ist, wie groß das Maß an Flugstabilität sein soll. Bei  exakter Berechnung der Neutralpunktlage unter Berücksichtigung aller Parameter sollte es für ein Scale-Modell wie die AS 33-HKM erfahrungsgemäß bei 21 -  22 % liegen. Schon der Augenschein der Grafiken des AS 33-Originalseglers ließ vermuten, dass die geringe Größe des Höhenleitwerks für ein stabiles Fliegen eines Modells im Maßstab 1:2,5 nicht ausreichen würde. Man darf dabei nicht vergessen, dass beim Original die Flächentiefen 2,5 x größer sind und die Mindestgeschwindigkeit etwa doppelt so hoch ist. Daraus ergeben sich für die Strömung am Höhenleitwerk des Originalseglers etwa fünf Mal größere Re-Zahlen, womit größere Umfänge der Profilpolaren und weniger leistungsmindernde Turbulenzen resultieren. Mit einem Scale-mäßigen HLW würde das AS 33-HKM-Modell im stationären Gleitflug nur eine Flugstabilität von gut 18 % liefern, was deutlich zu wenig wäre. Zu groß sollte die Flugstabilität aber auch nicht werden, weil sonst die Agilität im Fluge darunter leiden würde. Das Ergebnis dieser Überlegungen ist das in Grafik 13 im Vergleich zum Original abgebildete Höhenleitwerk mit einer Auftriebseffizienz von aH = 0,75.

Vergrößertes Höhenleitwerk für die AS 33-HKM

Bleibt zum Schluss noch zu erwähnen, dass mit dickeren Profilen und Tabulatoren am HLW eine deutlich bessere Effizienz des HLW erzielt wird als mit dünnen Profilen mit ihren geringen Maximal-Auf- und Abtrieben. Dies ist besonders wichtig im Langsamflug, z.B. beim Start, bei der Landung mit Bremsklappen, beim langsamen und engen Kreisen in der Thermik oder auch beim F-Schlepp, wo große Abtriebswerte gefragt sind, damit es am Höhenleitwerk nicht zum vorzeitigen Stall mit den bekannten Folgen des Abkippens oder Abtrudelns  über eine Fläche oder des Durchsackens bei der Landung kommt.  Auch beim Bodenstart mit Elektroantrieb an einem Ausfahrtriebwerk oder mit ausfahrbarem Fan-Triebwerk sind anfänglich große Abtriebswerte am HLW erforderlich, damit das Modell nicht mit der Rumpfspitze nach unten kippt. Die Grafik verdeutlicht, wie sich die Effizienz des HLW-Profils HQ/ACRO-0/12 bei Re-Zahlen um Re = 100.000   unter Einsatz von schmalen Turbulatoren auf Ober- und Unterseite bei der größten Profildicke mit der Größe des Ruderausschlags verhält.

 

Mehr Details im FMT-Extra "SEGELFLUG" im September!

 

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