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Beim Entwurf eines Modellseglers sind vielfältige Fragen zu beantworten, die vom jeweiligen Verwendungszweck, dem Flugprofil des Seglers abhängig sind. Wie bereits in Tab.4.1, Kapitel 4, gezeigt wurde, stellt ein Segler aus aerodynamischer Sicht häufig ein Kompromiss aus zwei Extremen dar, Thermiksegler, Streckensegler. Zudem zwingen vielfach die Fertigungsmethode und die Transportmöglichkeiten zu weiteren Einschränkungen bei der aerodynamischen Auslegung. Dieses Kapitel soll dem Konstrukteur von Segelflugmodellen Orientierungspunkte für die zu erwartenden Flugleistungen bieten. THOMAS/22/ hat für den bemannten Segelflug grundlegende Betrachtungen zur Auslegung von Segelflugzeugen unter dem Aspekt der Flugleistungen angestellt. Er legt für den Entwurf eines optimalen Seglers zwei Leistungsanforderungen fest: 1. max. Überlandgeschwindigkeit, 2. max. Steigen im Bart. Aus diesen Anforderungen leitet er die aerodynamischen und konstruktiven Erfordernisse ab. Für den Entwurf eines Modellseglers lassen sich diese beiden Anforderungen übernehmen, sofern die Überlandgeschwindigkeit als Hang- oder als Gleitgeschwindigkeit zum Anfliegen neuer Aufwindgebiete verstanden wird. Ist beim Entwurf eines Seglers geklärt, für welches Flugprofil er ausgelegt werden soll, sind i.d.R. die Fragen - nach der Profilwahl, - der Flächenbelastung - und der Flügelstreckung zu beantworten. Meistens wird bei der Profilwahl auf Erfahrungen zurückgegriffen, so dass diese kaum problematisch ist. Neben dem verwendeten Profil beeinflussen die Flächenbelastung und die Flügelstreckung in erheblichem Maße die Flugleistungen. Während sich die Flächenbelastung erst nach der Fertigstellung feststeht, muss vorab festgelegt werden, welche Flügelstreckung sinnvoll ist. Die Eignung eines Seglerentwurfs lässt sich für den Streckenflug anhand der Sinkpolare, Bild 7.1, und für den Thermikflug anhand der Kreisflugpolare, Bild 7.2, beurteilen. Die Sinkpolare zeigt die Gleitgeschwindigkeiten mit den zugehörigen Sinkgeschwindigkeiten und den Punkt bestes Gleiten. In diesem Punkt wird die max. Gleitzahl erreicht.
In der Kreisflugpolare sind das geringste Sinken beim Kurvenflug, der zugehörige Hängewinkel und der jeweilige Kurvenradius dargestellt. Bei einem Hängewinkel von etwa 45° wird ein Optimum zwischen Kurvenradius und Sinken erreicht. Die beiden Kenngrößen, max. Gleitzahl und min. Kurvenradius des Seglers sind geeignete und ausreichende Auslegungskenngrößen für den Entwurf, sofern nicht für Wettbewerbsmodelle andere Leistungskenngrößen notwendig sind.
7.1 Allgemeine Zusammenhänge Für die Darstellung der wesentlichen Einflussgrößen, welche die Flugleistungen eines Seglers bestimmen, wird ein Modell mit einer max. Spannweite von 3 Metern angenommen, wobei der Flügel zur Vereinfachung mit einem elliptischen Grundriss angenommen wird, was für vergleichende Betrachtung völlig ausreichend ist. Die Flächenbelastung wird als konstante Größe angenommen, sofern sie nicht bewusst variiert wird, um deren Einfluss aufzuzeigen. Die wesentlichen Einflussgrößen für die Flugleistungen sind: - Der Profilwiderstandsbeiwert und die Flügelstreckung bestimmen den geringsten Gleitwinkel, bzw. die max. Gleitzahl und die max. Steigzahl. - Die Flächenbelastung und der Gesamtwiderstand des Seglers bestimmen die Gleitfluggeschwindigkeit, Grundgeschwindigkeit. - Die Flächenbelastung und der max. Auftriebsbeiwert des Flügels bestimmen den min. Kurvenradius. - Das max. Steigen in der Thermik bestimmen die Bartgeschwindigkeit und das geringste Sinken im Kreisflug. - Das beste Steigen findet nicht bei max. Auftriebsbeiwert statt sondern etwas oberhalb des Punktes geringstes Sinken, Kapitel 4, Abb. 4.1. - Der optimale Hängewinkel beim Kreisflug beträgt 45°.
7.2 Einfluss der Profilwölbung Auslöser für die Neukonstruktion eines Seglers sind häufig neue Profile, die mit ihren Leistungskenngrößen bisherige Profile übertreffen oder für bestimmte Flugprofile besser geeignet sein sollen. Bei der Profilwahl hat i.d.R die Wölbung des Profils den größten Einfluss auf die max. Gleitzahl und den min. Kurvenradius. Je kleiner die Wölbung ist, um so geringer wird der Profilwiderstand, der wiederum die Gleitzahl ansteigen lässt. Wird die Wölbung größer gewählt, der max. Auftriebsbeiwert steigt an, wird der Kurvenradius kleiner, Bild 7.3 .
In Bild 7.4 ist zu sehen, welchen Einfluss die Verwendung eines Wölbklappenprofils hat. Es zeigt sich, dass der Einsatz einer Wölbklappe praktisch keine Veränderung der Gleitzahl und des Kurvenradius bewirkt, obwohl sich in der Rechnung die Wölbklappe über die gesamte Spannweite des Flügels erstreckt. Diese geringe Wirkung einer Wölbklappe an einem 3-Meter-Segler, Flächenbelastung 46 g/dm², ist von T. KUTSCHEID/11/ im Fluge gemessen und in der Zeitschrift AUFWIND 3/2000 und 4/2000 mitgeteilt worden. Steigt die Flächenbelastung über einen Wert von etwa 70 g/dm², ist allerdings mit einer deutlichen Zunahme des Einflusses durch die Wölbklappe zu rechnen.
7.4 Einfluss der Flächenbelastung Häufig wird ein Segler bei höheren Windgeschwindigkeiten "aufgebleit". Mit diesem "Aufbleien" kann die Flächenbelastung wesentlich gesteigert werden. Erhöht man z.B. das Modellgewicht um 50%, dann steigt die Flächenbelastung ebenfalls um 50% an. Diese erhöhte Flächenbelastung bewirkt dann eine Steigerung der Gleitfluggeschwindigkeit um etwa 23% und damit auch der Re-Zahl um den selben Prozentsatz. Unterhalb einer Re-Zahl von etwa 100.000 verringert die Steigerung der Re-Zahl den Profilwiderstand erheblich, oberhalb von 100.000 nur geringfügig. Die Größe des Einflusses ist in Bild 7.9 dargestellt. Legt man für Entwurfszwecke eine durchschnittliche Re-Zahl von 100.000 zu Grunde, dann ergeben sich die in Bild 7.5 und Bild 7.6 Abhängigkeiten.
Auf den Kurvenradius hat die Flächenbelastung hingegen einen erheblichen Einfluss, Bild 7.7.
7.5 Einfluss der Flügelstreckung Das Bild 7.8 zeigt, dass die Streckung einen erheblichen Einfluss auf die Gleitzahl besitzt, auf den Kurvenradius hat sie nur geringen Einfluss. Zudem tendiert der Kurvenradius gegen einen konstanten Wert, der mit herkömmlichen Mitteln nicht unterschritten werden kann.
7.5 Einfluss der Re-Zahl Während der min. Kurvenradius unabhängig von der Re-Zahl ist, steigt die max. Gleitzahl mit Anwachsen der Re-Zahl an, wenn diese erheblich anwächst, Bild 7.9.
Dieser Einfluss bedarf einer besonderen Erläuterung. Für die Profil-Beiwerte existieren viele Windkanalmessungen, die Aufschluss über den Einfluss der Re-Zahl auf den Widerstandsbeiwert geben. Die Bestimmung der Re-Zahl für den Segler im Fluge ist dagegen kaum möglich, da die Fluggeschwindigkeit bis auf Ausnahmen nicht gemessen werden kann, bzw. bisher nicht gemessen wurde. Im Entwurfsstadium kann sie nur mit Hilfe der zu erwartenden Flächebelastung berechnet werden. Hinzu kommt noch das Problem der unterschiedlichen Re-Zahlen entlang der Spannweite bei Flügeln mit einem Trapez-, bzw. Doppeltrapezgrundriss. Am Rumpf ist die Re-Zahl groß, am Flügelende klein. Der Profilwiderstand hat deshalb am Flügelende große Werte, an der Wurzel kleine. Für einen Vergleich im Entwurfsstadium ist die Größe der Re-Zahl ohne Bedeutung, da sich die Fluggeschwindigkeiten bei min. Gleitwinkel und beim Kreisen mit min. Kurvenradius nur wenig unterscheiden. Erst bei Verlassen des Punktes bestes Gleiten in Richtung Stechflug, kleiner Auftriebsbeiwert, wird die Fluggeschwindigkeit deutlich größer und der Profil- Widerstandsbeiwert wird aufgrund des Re-Zahl-Einflusses kleiner . Wichtig ist die Beachtung der kritischen Re-Zahl, da sie den sinnvollen Einsatzbereich eines Profils in Richtung minimaler Fluggeschwindigkeit eingrenzt. Diese Re-Zahl sollte nicht unterschritten werden und liegt je nach Profil bei etwa 70.000. Um die kritische Re-Zahl am Flügel nicht zu unterschreiten, muss über die voraussichtliche Flächenbelastung die Geschwindigkeit bei max. Auftriebsbeiwert berechnet und damit die Re-Zahl bestimmt werden. Anhand der gerechneten Re-Zahl und der gewählten Profiltiefe am Flügelende kann eine Aussage bezgl. der Brauchbarkeit des Profils erfolgen, Überziehen ja oder nein. Es hat sich gezeigt, dass i.d.R. zur Auslegung des Seglers bis zur einer Spannweite von etwa drei Metern eine Re-Zahl von 100.000 gut geeignet ist.
7.6 Leistungsberechnung Verehrte/r Leserin/er, in diesem Kapitel finden Sie ein Berechnungsprogramm zur Bestimmung der wichtigsten Flugleistungen eines Modellseglers. Die Aufgabe dieses Programms ist nicht die Bestimmung der tatsächlichen Leistungen des Modells in der Praxis, es ist ausschließlich zur vergleichenden Betrachtung der Flugleistungen in der Entwurfsphase gedacht. Es soll helfen, Fehlentwicklungen zu vermeiden! Allerdings zeigen Flugerfahrungen, dass die Ergebnisse dieses Programms die Flugleistungen in der Praxis annähernd wiedergeben. Alle Rechenergebnisse gelten für eine elliptische Auftriebsverteilung am Flügel. Eine Berücksichtigung der verschiedenen Flügelgrundrisse, Trapez, Doppeltrapez, Rechteck, etc., hat sich für diesen Anwendungszweck als nicht notwendig herausgestellt. Der schädliche Widerstand wird mit einem Wert von 0,008 berücksichtigt, er kann geändert werden. Alle Ergebnisse der Berechnungen werden als Zahlen ausgewiesen. Basis dieses Programms ist die Excel-Software, das Programm kann heruntergeladen werden. Die Bedeutung der verwendeten Bezeichnungen und Formelzeichen ist im Kapitel 13 angegeben. Excel-Datei zur Leistungsberechnung, downloaden! Und so können Sie das Programm nutzen: 1. Streckung wählen 2. CA berechnen 3. Widerstandsbeiwerte des ausgewählten Profils eintragen 3. Schädlichen Widerstandsbeiwert eingeben 4. CWges, ε, б berechnen 5. Flächenbelastung eingeben 6. Vg und Ws berechnen 7. Hängewinkel eingeben 8. Vk, R, Wsk und ΔH berechnen 9. Ergebnisse beurteilen.
Programmaufbau
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