Projektergebnisse

1. Für den Thermikflug von Flugmodellen stellt die Verwendung von Randbogenfittichen an Flügeln mit kleiner Streckung eine sinnvolle Ergänzung dar. Die Auffächerung der Randbögen bewirkt eine elliptische Auftriebsverteilung längs ihrer Flügelspannweite.

Es ist zu vermuten, dass Vögel eine elliptische Auftriebsverteilung erzeugen. Diese Auftriebsverteilung ermöglicht den Vögeln ein Fliegen mit geringstem Energieaufwand.

2. Das Kreisen in engen Thermikblasen ist nur möglich, wenn das Flügelprofil hohe Auftriebsbeiwerte zulässt. Hierzu ist eine starke Wölbung der Profilskelettlinie notwendig, die bei den natürlichen Seglern vorhanden ist. Auffällig ist deren starke Wölbung im vorderen Bereich des Profils.

3. Für den schnellen Gleitflug zwischen verschiedenen Thermikgebieten und im Hangaufwind ist die Zuspitzung der Flügelenden optimal. Der Flügel sollte dann eine Streckung von bis zu 20 besitzen.

4. Die Steigerung der Flächenbelastung am Modellflügel durch ein Zurückschwenken der Randbogenfittiche während des Fluges hat sich in der bisher ausgeführten Bauweise als bedingt brauchbar erwiesen, da sich die Gleitgeschwindigkeit nur wenig vergrößern lässt.

Die natürlichen Gleiter knicken und falten für den Schnellflug ihre Flügel, so dass eine erhebliche Steigerung der Flächenbelastung erfolgt. Diese nehmen z.T. doppelte Werte an.

5. Zur Nachbildung der Profile der natürlichen Segler könnten Knicknasen-Profile verwendet werden. Sowohl für den schnellen Gleitflug als auch für das langsame Kreisen in der Thermik lassen sich Knick-Nasenprofile optimal anpassen.

6. Vögel besitzen in ihrem Gefieder besonders weiche, aeroelastische Deckfedern, die sich bei einem lokalen Strömungsabriss aufstellen und damit die Ausbreitung der Abrisszone verhindern.

Die technische Umsetzung sind Rückstrombremsen, deren Wirksamkeit in Flugversuchen bestätigt wurde. Ein totaler Strömungsabriss am Flügel ist mit Rückstrombremsen fast ausgeschlossen.

7. Die ausreichende Stabilität und Steuerbarkeit von Flugmodelle wird durch die Einhaltung bestimmter Stabilitätsmaße erreicht, die meistens aus Flugerfahrungen gewonnen werden. Da die Stabilität nur mit zusätzlichem Widerstand erreichbar ist, erscheint es angebracht, die Flugmodelle ganz oder teilweise künstlich zu stabilisieren.

Alle Vögel fliegen vermutlich mit einem indifferenten Gleichgewicht um alle Achsen, welches mit Hilfe vieler Sensoren und angepasster Reaktionen des Körpers erreicht wird. Dieses indifferente Gleichgewicht ist für einen Flug bei geringstem Energieverbrauch, zur Nahrungsbeschaffung und zur Gefahrenabwehr von zentraler Bedeutung für ihr Überleben.

Erste Fittich-Erfahrungen wurden im Jahre 2001 mit dem PAF-Segler Dolly gewonnen, Bild 2.1.

Den neueste Stand der Arbeiten dokumentiert der Segler HJ-03-D, der schwenkbare, weiche Fittiche besitzt, Bild 2.2 .

-	Die Steigleistungen sind gut,
-	die Gleitgeschwindigkeit wird nach dem Zurückschwenken nicht wesentlich größer,
-	beim schnellen Gleiten entsteht z.T. Fittichflattern, was keine Auswirkungen hat,
-	äußerst gutmütiges Überziehverhalten,
-	engere Kurvenradien konnten nicht festgestellt werden, keine Neigung zum Überziehen,
-	gutmütige Steuereigenschaften, insbesondere bei der Landung.

Der PAF-Segler Candy wurde so umgebaut, dass der Fittichflügel des Seglers HJ-01-S alternativ mit der Candy geflogen werden konnte. Hierbei ergab sich eine gleiche Flächenbelastung für beide Versionen. Die Flugerfahrungen zeigten subjektiv beurteilt keine Leistungsunterschiede, lediglich die Rolldämpfung des Fittichflügels war geringer als beim konventionellen Flügel. Das Kurven-/Rollverhalten der Candy mit dem konventionellem Flügel war insgesamt weicher, damit angenehmer zu fliegen.

Bild 2.4 zeigt eine umgebaute Schwalbe der Fa. Beineke, ausgerüstet mit einem MH32-Knicknasenflügel.

- sichtbare Verringerung der Mindestfluggeschwindigkeit bei einem Knicknasenwinkel von 15° und 25°,

- gerechnete Reduzierung der Mindestgeschwindigkeit von 8,5 auf 7,5 m/s bei einem KN-Winkel von 25° und einer Flächenbelastung von 41 g/dm²,

- größere Rolldämpfung im Steigflug mit E-Motor bei einem KN-Winkels von 15°,

- problematische Spaltabdichtung auf der Flügeloberseite, Widerstandserhöhung,

1. Für den Thermikflug stellt die Verwendung von Randbogenfittichen an Flügeln, deren Streckungen zwischen 6 und 10 betragen, offensichtlich ein Optimum dar. Natürliche Thermik-Segler, insbesondere die hoch entwickelten, wie Kondor, Geier, Störche oder Adler, weisen alle eine eine Flügelstreckung von 6 bis 10 und eine Auffächerung ihrer Handschwingen auf.

Es ist anzunehmen, dass die Auffächerung der Rangbögen bei gleichzeitiger Höhenstaffelung an einem technischen Rechteck-Flügel eine elliptische Auftriebsverteilung erzeugt, die den geringsten induzierten Widerstand besitzt. Berechnungen zeigen sogar, dass sich theoretisch der induzierte Widerstand bei elliptischer Auftriebsverteilung unterschreiten lässt. Das praktische Einspar-Potential der Randbogenfittiche liegt zwischen 10 und 15%.

Da natürliche Segler mit geringstem Energieverlust fliegen, liegt zunächst die Vermutung nahe, dass die Vögel an ihren Flügeln eine elleliptische Auftriebsverteilung erzeugen. Vögel besitzen jedoch kein stabilisierendes Höhenleitwerk, deshalb kann ihr Flügel vermutlich nur durch eine ausreichende Verwindung stabilisiert werden, womit sich die elliptische Auftriebsverteilung in eine Glocken-Auftriebsverteilung verändern wird.

Erste Forschungsergebnisse zu Randbögen mit aeroelastischen Fittichen, die sich aufgrund von Luftkräfte nach oben durchbiegen, Höhenstaffelung, lassen vermuten, dass neben der Entstehung einer elliptischen Auftriebverteilung die Form der Auftriebsverteilung im Bereich der Fittiche fülliger wird und damit ein größerer mittlerer Auftriebsbeiwert für den gesamten Fittichflügel entsteht.

Der Flügelgrundriss der natürlichen Thermiksegler besteht meistens aus einem annähernd rechteckigen Basisflügel und den elliptischen Randbögen. Die Flügelstreckung liegt zwischen 6 und 10.

Auf den Modellflügel übertragen bedeutet dies mäßige Spannweiten mit einem relativ geringen Bauaufwand, insbesondere dann, wenn die Randbogenfittiche nicht schwenkbar ausgeführt werden.

2. Das Kreisen in engen Thermikblasen erfordert hohe Auftriebsbeiwerte. Hierzu ist eine starke Wölbung der Profilskelettlinie notwendig, wie sie bei den natürlichen Seglern vorhanden ist. Im Gegensatz zu den bekannten Wölbklappen-Profilen im Modellflug, die nur geringe Hinterkantenkrümmungen zulassen, sind die Vogelprofile in vorderen Bereich stark gekrümmt, besonders dick und der Nasenradius relativ klein.

Für die Auslegung eines Flugmodells mit guten Kreisflug- und gleichzeitig guten Gleiteigenschaften ist deshalb ein Profil mit Knicknase denkbar, Bild 2.5. Mit einem Knicknasen-Profil wäre dann sowohl der schnelle Gleitflug als auch das enge Kreisen in der Thermik möglich. Diese Profile besitzen zu dem den Vorteil, dass sie bei hohen Auftriebswerten nur mäßige Änderungen des Profilnullmomentes hervorrufen, was geringe Trimmwiderstände zur Folge hat, Bild 2.6.

Bild 2.6: Auftriebs-, Widerstands-, Momentenbeiwerte für Knicknasenflügel /1/.

Bei der Verwendung von Profilen mit einer Knicknase besteht bei größeren Anstellwinkeln die Gefahr der Strömungsablösung an der Stelle der größten Wölbung.

Qualitative Strömungsuntersuchungen am Profil MH 32 mit einer Knicknasenlänge von 18% der Flügeltiefe, einem Knicknasenwinkel von 30°und einem Wölbklappenwinkel von 15°zeigen jedoch, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 7 m/s, Re = 88.200, die Gefahr der laminaren Ablösung auf der Profiloberseite erst bei größeren Anstellwinkel beginnt.

Bild 2.7: Strömungsbilder am Profil MH 32 mit Knicknasenwinkel 30° und Wölbklappenwinkel 15°.

In Bild 2.4, 2.8 ist der Segler HJ-02-S-KN mit Knicknasen-Flügel und Randbogenfittichen zu sehen, dessen Flügelstreckung 9,5 beträgt. Die Knicknase kann wahlweise in zwei Positionen gesetzt werden, 15° und 25° Knicknasenwinkel. Zusätzlich wird die Knicknase über einen Mischer bei Höhenruderbetätigung mitgefahren.

3. Für den schnellen Gleitflug zwischen verschiedenen Thermikgebieten und im Hangaufwind ist die Zuspitzung der Flügelenden wie beim Albatros oder Eissturmvogel vermutlich optimal. Die Flügelgrundrisse sind im Mittelteil rechteckig und laufen bei einer Rückwärtspfeilung von etwa 20°zum Flügelende hin spitz zu. Hier sind Flügelstreckungen bis zu 20 sinnvoll.

Für den Modellflügel bedeutet dies größere Spannweiten mit kleinen bis mäßigen Flügeltiefen bei einem erhöhten Bauaufwand, wobei der Festigkeit und der Steifigkeit des Flügels besondere Beachtung zu schenken sind. Hinzu kommt die Re-Zahlproblematik im Bereich des Außenflügels.

4. Die natürlichen Gleiter knicken und falten für den Schnellflug ihre Flügel, so dass eine erhebliche Steigerung der Flächenbelastung erfolgt. Diese nehmen z.T. doppelte Werte an. Gleichzeitig werden dabei die Handschwingen zusammengelegt und nach hinten geschwenkt.

Die Steigerung der Gleitfluggeschwindigkeit an einem Modell als Folge des Anwachsens der Flächenbelastung durch ein Zurückschwenken der Randbogenfittiche während des Fluges ist prinzipiell möglich, allerdings setzt dies eine wesentliche Verringerung der Flügelfläche voraus.

Besitzt der Fittichbereich einen Anteil von 30 % am Gesamtflügel, dessen Gesamtfläche 40 dm² beträgt, und wird aufgrund des Zurückschwenkens der Fittiche die Fittichfläche um 50 % vermindert, dann steigt die Flächebelastung um etwa 18 % an, womit die Gleitgeschwindigkeit um etwa 9 % zunimmt.

Bei einer angenommenen Gleitfluggeschwindigkeit von 11 m/s bei nach vorn geschwenkten Fittichen würde sich nach dem Zurückschwenken der Fittiche eine Gleitfluggeschwindigkeit von etwa 12 m/s einstellen.

Neben dem Problem der exakt arbeitenden Schwenkmechanik, ist ein weiteres konstruktives Problem zu lösen. Die Fittiche müssen elastisch sein und dürfen nicht nach oben vorgebogen werden. In der vorderen Position für den Thermikflug, Bild 2.9, müssen sich die Fittiche aufgrund von Luftkräften nach oben kontrolliert durchbiegen.

In der rückwärtigen Position für den Schnellflug, Bild 2.10, müssen sie zur Widerstandsvermeidung in einer Ebene liegen. Diese Bedingung erfordert eine definierte Biegefestigkeit. Ist die Biegefestigkeit der Fittiche zu gering, werden sie in der vorgeschwenkten Position unkontrolliert nach oben durchgebogen und verlieren ganz oder teilweise ihre Wirkung.

Auch hier bietet die Natur die perfekte Lösung an, die technisch noch nicht umgesetzt werden konnte. Sind die Handschwingen aerodynamisch nicht belastet, biegen sie sich nach unten durch, erst im Fluge wird entsprechend der Flugsituation die optimale Durchbiegung der Handschwingen erreicht.

5. Da Vögel Flügelprofile mit starker Wölbung besitzen, die zudem im vorderen Bereich noch ungewöhnlich dick sind, erhebt sich die Frage, warum an den Vogelflügeln die Strömung nicht laminar abreißt?

Erste Vermutungen, die Rauhigkeit der Federn sei hierfür verantwortlich, haben sich nicht bestätigt. Der Vogel muss deshalb über andere Mechanismen verfügen, die den Strömungsabriss verhindern. Vermutlich werden die verschiedenen hoch elastischen Federn aufgrund der Luftströmung zum Schwingen angeregt, was zum einen die laminare Laufstrecke stabilisiert, einen kontrollierten Übergang zur turbulenten Grenzschicht erzwingt und einen totalen Strömungsabriss verhindert.

Untersuchungen mit Blasturbolatoren an Profilen, die durch laminare Ablöseblasen gefährdet sind, haben gezeigt, dass laminare Ablöseblasen vermieden werden können, wenn Luft in diese Blasen einströmt, Bild 2.11. Es wird deshalb vermutet, dass ein Strömungsabriss an Vogelflügeln auch aufgrund der Luftdurchlässigkeit der Federn verzögert werden könnte.

6. Vögel besitzen in ihrem Gefieder besonders weiche Deckfedern, die sich bei einem lokalen Strömungsabriss aufstellen und damit die Ausbreitung der Abrisszone verhindern.

Die technische Umsetzung sind Rückstrombremsen auf der Flügeloberseite . Sie haben die Aufgabe, das Abreißen der Strömung bei Erreichen des max. Auftriebsbeiwertes zu verhindern, bzw. zu größeren Winkeln zu verschieben. Flugversuche mit einem Flügel, auf dessen Oberseite ein Kunststoffgewebe aufgeklebt war, bestätigten die erhoffte Überziehsicherheit, Bild 2.12. Das Modell, ausgestattet mit beidseitigen Rückstrombremsen, war nicht mehr zu überziehen, obwohl das Höhenruder bis auf max. Ausschlag gezogen war. Der Flugbahnwinkel des Modells wird steiler, die Sinkgeschwindigkeit leicht erhöht.

7. Erfolgreiche Ansätze zur künstlichen Stabilisierung von Flugmodellen sind von F. LUDWIG bekannt, der seine Vogelmodelle, die kein Seitenleitwerk besitzen, damit ausgerüstet hat. Er verwendet zur Steuerung seiner Modelle um die Quer- und Hochachse ein Regelsystem mit Widerstands-Querrudern, die sich spreizen lassen, Bild 2.13. Mit einer künstlichen Stabilität um die Hochachse müsste es möglich sein, engste Thermikbärte ohne große Hängewinkel des Flügels auszukurbeln.