Auszug aus einem Aufsatz des Autors für die
Fachzeitschrift FMT (siehe "FMT-EXTRA - RC-Segelflug", 2008):
"Modellflieger haben ihre
eigene Ausdrucksweise, wenn es um die Beschreibung der Eigenschaften und des
Flugverhaltens ihrer Modelle geht. Leider kommen wir aber nicht umhin, die Ziele
für das entsprechende Strömungsverhalten an den Profilen in den konkreten
physikalischen Termini der Aerodynamik zu postulieren.
Die generelle praktische
Zielsetzung war also das Design einer systematischen Dicken- und
Wölbungscharakteristik für Profile, mit denen das Leistungspotential von
konventionellen Großsegelflugmodellen gegenüber solchen mit HQ/W-Profilen
übertroffen werden kann. Das bedeutet im Detail:
· Bei
Großmodellen mit hoher Tragflügelstreckung werden die Profildicken, vor allem im
Wurzelbereich des Flügels durch die hohen Biegemomente im Flug und durch die
Bauweise der Flügel vorgegeben. Der derzeitige Stand der Technik lässt etwa
Dicken zwischen 10 % und 14 % der Profiltiefe zu, womit der praktisch relevante
Dickenbereich schon mal definiert wäre.
· An
einer ganzen Reihe von großen Segelmodellen hat sich erwiesen, dass die HQ/W-
Profile mit 2,5 % Wölbung unter Einsatz von Wölbklappen ein sehr weites,
ausgewogenes Spektrum an Flugdynamik ermöglichen. Dies noch zu erweitern, sollte
ein Ziel der neuen Profile sein, daher schien die bewährte Wölbungshöhe von etwa
2,5 % eine gute Ausgangsbasis.
· Der
häufigste Flugzustand eines Segelflugmodells ist sicher der des langsamen
stationären Gleitens mit hohem Auftrieb A. Dabei erfährt das
Profil, je nach Fluggeschwindigkeit V einen entsprechenden
Luftwiderstand W. Ohne Thermik ist die Schwerkraft, Gewicht
G des Modells, dabei der Motor für die Fortbewegung. Da definitionsgemäß
die Auftriebskraft A senkrecht zur jeweiligen Flugrichtung wirkt
und der Luftwiderstand W entgegen der Flugrichtung, liefert nach
den Gesetzen der Aerodynamik das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand die so
genannte Gleitzahl GZ des Modells: GZ = A/W. Sie gibt an, wie weit
das Modell aus gegebener Höhe stationär gleiten kann. Nun erzeugen bei einem
kompletten Modell Flügel, Rumpf und Leitwerk je für sich und durch
Strömungsinterferenzen untereinander eine Reihe verschiedener Auftriebsanteile
und entsprechende Widerstände, die sich zum Gesamtauftrieb A und
zum Gesamtwiderstand W aufaddieren. Uns interessieren hier aber
nur der Auftriebs- und der Widerstandsanteil, der vom Tragflügelprofil alleine
herrührt. Bezeichnen wir diese mit Ap und Wp
, so können wir eine Profilgleitzahl GZp = Ap/Wp
definieren, die es uns ermöglicht, die aerodynamischen Leistungen von Profilen
untereinander zu vergleichen. In der Regel geschieht dies, indem man für eine
normierte Profiltiefe zu gegebenem Auftrieb und für die Fluggeschwindigkeit als
Parameter die zugehörigen Widerstände errechnet. Es leuchtet sicherlich ein,
dass unterschiedliche Profilformen aufgrund der dadurch erzeugten
unterschiedlichen Strömungsverhältnisse bei gleichem Auftrieb und gleicher
Strömungsgeschwindigkeit Unterschiede im Profilwiderstand zur Folge haben. Das
bedeutet aber, dass bei gleichem Auftrieb und gleicher Strömungsgeschwindigkeit
die Profile einen unterschiedlichen spezifischen Widerstandsbeiwert cw
haben, der ihre Widerstandseigenheiten reflektiert. Ebenso kann man einen
solchen Beiwert ca für den Auftrieb der Profile definieren. Da alle
anderen Parameter im Verhältnis von Auftrieb und Widerstand eines Profils gleich
sind, kann man die Profilgleitzahl auch durch das Verhältnis dieser
Profilbeiwerte beschreiben. GZp = ca/cw.
Zielsetzung für
die neuen Profile musste also sein, diese Gleitzahlen vor allem für hohe
Auftriebswerte beim langsamen stationären Gleitflug zu verbessern.
· Neben
gutem Gleiten ist im langsamen stationären Gleitflug bei Hochauftrieb ein
möglichst geringes Sinken, aerodynamisch beschrieben durch die Sinkraten SRp
des Profils, von Bedeutung. Näherungsweise entsprechen die Sinkraten den
inversen Gleitzahlen: SRp ~ 1/GZp.. Auf ihre Herleitung
soll deshalb hier verzichtet werden. Wo erforderlich, werden sie aber in den
Grafiken der Gleitzahlen mit aufgeführt. Wenn die Gleitzahlen eines Profils
besser sind als die eines anderen, so ist dies in der Regel auch für die
Sinkraten der Fall.
· Die
generelle Zielsetzung, Profile zu kreieren, mit denen sich die Modelle
dynamischer fliegen lassen, bedeutet, dass sie auch bei abnehmendem Auftrieb und
zunehmender Fluggeschwindigkeit bessere Gleit- und Sinkleistungen aufweisen.
Im Bereich des
Schnellfluges mit geringem Auftrieb tritt aber eine besondere aerodynamische
Situation ein. Typischerweise nehmen bei Profilen der avisierten Dicke und
Wölbung unterhalb ca ≤ 0,2 je nach Dicke die Profilwiderstände beträchtlich zu.
Auf die Ursache hierfür kommen wir später noch zu sprechen. Gleiches musste
natürlich auch von den neuen Profilen erwartet werden. Ähnlich wie es bei den
HQ/W-Profilen möglich ist, durch negativen Ausschlag von Wölbklappen nach
oben den Profilwiderstand im Schnellflug zu verringern, so sollte dies auch bei
den neuen Profilen möglich werden, zudem sollten die Widerstandsbeiwerte dabei
vergleichsweise kleiner ausfallen.
· Wenn
Wölbklappen beim Schnellflug helfen sollten, so war es wünschenswert, wenn sie
das auch durch positiven Ausschlag nach unten im Langsamflug täten und dazu
beitrügen, die Sinkraten noch weiter zu verringern. Also wurde es ein Hauptziel
der neuen Profilsystematik, die Profilierung so zu gestalten, dass mittels
Wölbklappen das Leistungsspektrum insgesamt wieder gegenüber der
Grundprofilierung erweitert werden könnte und die Leistungen auch mit
Wölbklappenausschlag gegenüber denen der HQ/W-Profile mit äquivalenten
Ausschlägen gesteigert werden könnten.
„HQ/DS“,
neues Symbol für
eine dynamische Profilsystematik
Ich mag es, wenn die
Sachen, die mich interessieren, Namen oder Bezeichnungen haben, die über ihre
Gestalt oder ihren Zweck intuitiv Rückschlüsse zulassen. Ergo, da ich im Sinne
hatte, das aerodynamische Leistungsspektrum der HQ/W-Profilsystematik
dynamisch zu erweitern, so schien mir der Zusatz „DS“ als Hinweis
auf „dynamisches Segelfliegen“ gerade recht.
Wie schon bisher habe ich
auch für die neuen Profile die gleiche Bezeichnungssystematik gewählt, um ihre
Wölbungs- und Dickencharakteristik anzudeuten, was die Profilauswahl für einen
bestimmten Anwendungszweck etwas erleichtern soll. Generell werden die neuen
Profile daher mit
„HQ/DS-F/D“
bezeichnet, wobei F
für die prozentuale Wölbungshöhe und D für die prozentuale Dicke der
Profile steht, z.B. ist das Profil HQ/DS-2,5/12 ein Profil mit der
DS-Wölbungs- und Dickencharakteristik, mit 2.5 % Wölbungshöhe und 12 %
Dicke und dem Potential für den Einsatz von Wölbklappen."
Designaspekte für die
HQ/ACRO-Segelkunstflugprofile
Bei den heutigen, auf nationaler wie
internationaler Ebene ausgetragenen Flugmodellwettbewerben für
Segelkunstflug werden in der Regel die Modelle im F-Schlepp auf 400 bis 500
Meter Ausgangshöhe gebracht und haben dann im freien Flug acht mehr oder
weniger schwierige Kunstflugaufgaben mit inversen Fluganteilen zu erfüllen.
Leider, - aus der Sicht des Autors -, schreiben die Wettbewerbsregeln vor,
dass die Modelle vorbildähnlich gebaut sein müssen. Für zweckoptimierte
RC-Modelle, die zum Beispiel den vorteilhaften Einsatz von Wölbklappen
ermöglichen würden, ist leider die Teilnahme nicht erlaubt. Die
ausgeschriebenen Regeln, die ein oberes Abfluggewicht von 20 kg erlauben,
haben in der Folge dazu geführt, dass vorbildähnliche Modelle im
Maßstab 1:2,5 bis 1:2 zu den Originalen die besten Voraussetzungen für ein
gutes Abschneiden bei den Wettbewerben bieten.
Die Flächengewichte dieser Akrosegler
bewegen sich meist etwa zwischen 80 und 100 g/dm2. Diese
Abmessungen und Gewichte der Modelle führen zu einer mittleren
Tragflügeltiefe von etwa 30 bis 35 cm, und, da die eingesetzten Profile in
der Regel keine sehr hohen Maximalauftriebswerte zulassen, ca <
0,8 , liegen die Grundgeschwindigkeiten der Modell meist über 12 m/s, was
etwa einer Mindest-Re-Zahl von 250.000 gleichkommt. Der Durchschnitt der
schnelleren Figuren wird mit etwa 30 - 50 m/s geflogen, was etwa einer
Re-Zahl von 600.000 bis 1.000.000 gleichkommt, Spitzengeschwindigkeiten
liegen etwa bei 70 - 80 m/s, was Re-Zahlen um 1.500.000 entspricht.
Daraus resultiert zunächst, dass in allen
Geschwindigkeitsbereichen bestmögliche Gleitzahlen GZ erzielt werden
sollten. Im Unterschied zum Normalsegler soll dies aber nicht nur für die
Normalfluglage, sondern muss auch im Rückenflug gelten! Die Gleitzahlen
stellen das Verhältnis des Modellauftriebs A zu seinem Gesamtwiderstand dar,
GZ = A/W. Der Gesamtwiderstand W summiert sich aus Anteilen des Tragflügels,
des Rumpfes und der Leitwerke sowie Interferenzwiderständen zwischen den
einzelnen Bauteilen. Der größte Widerstand resultiert sicher vom Tragflügel.
Der Tragflügelwiderstand setzt sich wiederum aus einem Anteil, der vom
eingesetzten Profil herrührt und aus einem Anteil, der von den freien
Wirbeln am Tragflügel erzeugt wird und von seiner geometrischen Form
beeinflusst wird.
Anders als bei normalen Segelflugzeugen,
bei denen Flugzustandsänderungen weitgehend quasistationär vonstatten gehen,
finden beim Segelkunstflug häufige abrupte Zustandsänderungen mit
plötzlichen Wechseln des Auftriebs- und Widerstandes, aber weitgehend
konstanter Geschwindigkeit, statt. Mit Ausnahme von gerissenen
Figuren, sollte es dabei möglichst nicht zu Strömungsabrissen kommen. Diese
Anforderungen an das Flugzeug bedeuten, dass es mit einem Profil ausgerüstet
ist, das bei gleich bleibender Geschwindigkeit, also etwa konstanter
Re-Zahl, möglichst große Umfänge des Auftriebs sowohl zu positiven, wie auch
zu negativen Werten bei inversen Flugzuständen (Rückenlage) zulässt. Für die
Auftriebskoeffizienten ca des Tragflügelprofils bedeutet dies,
dass sie im Normalflug möglichst hohe positive Werte erreichen sollten und
bei inverser Fluglage möglichst niedrige negative Werte. Als
Bewertungskriterien für ein geeignetes Kunstflugprofil gelten somit
einerseits seine ca-Umfänge in allen aufgeführten Re-Bereichen,
des Weiteren eignen sich dazu aber insbesondere seine stationären
Profilgleitzahlen GZp(Re,ca) = ca(Re)/cw(Re).
Für einen stationären Flug mit
konstanter Geschwindigkeit V lassen sich die zugehörige Re-Zahl und
der zugehörige Auftriebsbeiwert ca(Re) des Tragflügelprofils
ermitteln und aus den ca-cw-Profilpolaren der
zugehörige Widerstandbeiwert cw(Re). Trägt man einerseits
die ca(Re)-Werte über cw(Re) auf, so erhält man eine
so genannte quasistationäre Profilpolare, in die unter anderem auch das
Flächengewicht des Seglers als Parameter wegen V=V(G/F,ca)eingeht.
Diese Polare, die manchmal nicht ganz korrekt auch als dynamische
Profilpolare bezeichnet wird, gibt Aufschluss darüber, mit welchen Auftriebs
und Widerstandsbeiwerten sich das Modell bei gegebenem stationärem
Zustand mit der Geschwindigkeit V bewegen kann.
Trägt man die zugehörigen
quasistationären Gleitzahlen GZ(Re,ca) über ca(Re)
auf, so ersieht man, mit welchen Gleitzahlen im stationären Flug sowohl in
der normalen als auch in der inversen Fluglage gerechnet werden kann. Die
quasistationären Gleitzahlen geben unter anderem auch wieder, bei welchen
Auftriebsbeiwerten das Profil in der Normalfluglage das beste Gleiten
liefert und es wird in der Regel gut und richtig sein, die Schwerpunktlage
des Segler auf diesen ca-Wert einzustellen. Die Gleitzahlen
für die inverse Fluglage zeigen außerdem, welche maximalen absoluten
Auftriebsbeiwerte dabei erzielt werden können.
Berechnungen der Schwerpunktbewegungen
eines üblichen Akroseglers mit Hilfe eines Programms des Autors, zeigen,
dass die Modelle zum Beispiel im Looping bei Geschwindigkeiten um 40 -50 m/s
in der inversen Fluglage Auftriebsbeiwerte um ca .0,8 (!)
erreichen sollten, damit der Kreisradius nicht zu groß ausfällt.
