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Konstruktion vom Modellkunstflugzeugen

Geometrie

Version 1, 26.11.2008

Beim Modellkunstflugzeug arbeiten fast alle geometrischen Eigenschaften irgendwie gegeneinander, es gilt einen Kompromiss zu finden. Dieser hängt nicht zu Letzt vom Einsatzgebiet und von den persönlichen Vorlieben des Piloten ab. Bevor man sich daher an die Konstruktion macht sollte man sich unbedingt mit den Anforderungen auseinandersetzen und sich ein Pflichtheft zusammenstellen.

Als kleine Orientierung habe ich unter gewisse Eigenschaften noch die üblichen Werte für Shockflyer druntergeschrieben (die für die grösseren Maschinen folgen sobald ich in dem Bereich mehr Erfahrung habe). Shockflyer eignen sich hervorragend für die ersten Gehversuche beim Entwerfen vom Modellkunstflugzeugen. Die Zelle ist einfach, schnell und günstig aufgebaut, eine bestehende Zelle lässt sich auch nachträglich gut abändern. Also ideal für den Prototypenbau. Weiter verzeihen Shockflyer "Designunfälle" sehr grosszügig und geben durch ihre Bauform schon einige Parameter vor, so dass man nicht gleich unter zu vielen Unbekannten erstickt.


1 Tragflächen

Spannweite
Zusammen mit den von ihr abhängigen Werten Tragflächenstreckung, Leitwerkshebelarm und Rumpfseitenfläche legt sie die Grobdimensionen des Flugzeuges fest und ist damit der wichtigste Einstellparameter.

3mm Depronshocky: 70-100cm


Tragflächenzuspitzung
Je höher die Tragflächenzuspitzung, desdo quirliger ist das Modell um die Längsachse, desdo höher ist die Rollrate und desdo besser ist die Optik. Die Abreisseigenschaften werden allerdings umso giftiger je höher die Zuspitzung ist, ab einer gewissen Zuspitzung ist die Maschine schlicht nicht mehr fliegbar.

3mm Depronshocky: 1.2:1 - 1.8:1


Streckung
Je geringer die Tragflächenstreckung, desdo gutmütiger die Abreisseigenschaften und desdo besser die Harriereigenschaften. Je höher die Tragflächenstreckung, desdo besser der Gleitwinkel.

3mm Depronshocky: 4-6


Pfeilung
Diese bestimmt die Wende-Roll-Kopplung, je weiter die Tragflächen gepfeilt sind desto mehr rollt die Maschine bei Seitenrudereinsatz in die Kurve. Bei null Pfeilung drehen die meisten Maschinen aus der kurve raus, bei gerader Endleiste (mit Tragflächenzuspitzung etwa 1.5:1) kann man die meisten Maschinen auch nur mit Seitenruder fliegen, da sie bei Seitenrudereinsatz leicht in die Kurve reindrehen. Die Pfeilung bewirkt (im Gegensatz zur V-Form) auf dem Rücken ebenfalls ein Reindrehen in die Kurve und beeinflusst die Messerflugeigenschaften kaum.

3mm Depronshocky: Gerade Nasenleiste (eher selten, da recht giftig), häufig Gerade 1/3-Linie bis gerade Endleiste.


V-Form
Positive V-Form bewirkt ein Zurückdrehen des Modells aus dem Messerflug in Bauchlage, negative V-Form ein Weiterdrehen in die Rückenlage. Dies kann man sich leicht klar machen, wenn man ein Papiermodell mit viel V-Form in Messerfluglage hält und dabei ca. 30 Grad anstellt. Positive V-Form bewirkt im Bauchflug ein Reindrehen in, im Rückenflug ein Rausdrehen aus der Seitenruderkurve.

3mm Depronshocky: Obwohl technisch machbar wird bei Shockys keine V-Form verbaut.


Querrudergrösse
Je grösser die Querruder desdo grösser die Wirkung und desdo grösser die Kraft aufs Servo. Je kleiner die Querruder desdo grösser die Torsionsproblematik, da sich ein zu schmales Ruder unter Last gnadenlos verdreht. Bei Plattenprofilen müssen die Querruder merklich grösser sein um im Normalflug die gleiche Wirkung wie Querruder an profilierten Flächen zu haben. Im Harrier ist die Wirkung dagegen fast gleich.

3mm Depronshocky: 30-40 Prozent der mittleren Tragflächentiefe.


Querruderausschlag
Je grösser der Ausschlag desdo grösser die Wirkung, über 60 Grad (sofern das Querruder flächenmässig kleiner ist als der "starre" Teil de Tragfläche) bremst das Ruder dann allerdings mehr als das es noch Wirkung liefert. Im 3D richtet sich der Ausschlag nach der gewünschten Drehgeschwindigkeit im Rollenharrier und im Torquen, jeweils entgegen dem Motordrehmoment.

3mm Depronshocky: 40-60 Grad.


Profil
Kunstflugprofile müssen symmetrisch sein, da im Rückenflug wie im Bauchflug das gleiche Flugverhalten gewünscht wird. Bei Profilen kann man 2 Typen unterscheiden:
[Spurbreite] [-] Plattenprofile. Diese Profile haben einen geringen Maximalauftrieb, dafür kennen sie keinerlei Strömungsabriss. Das Bild rechts stammt aus "F.W. Riegels, "Aerodynamische Profile"", die unterste Linie ist die ebene Platte, die Linien darüber sind gewölbte Platten.





[Spurbreite] [-] Vollprofile. Diese haben einen höheren Maximalauftrieb und einen deutlichen Strömungsabriss. Je runder die dabei Nase und je dicker das Profil, desto weicher ist der Abriss und desto schneller legt sich die Strömung wieder an. Das Bild rechts ist eine Messung an einem NACA 0012, genaueres dazu finden sie hier.



Daneben gibt es jenste Mischformen:
[-] Vollprofile mit angehängten, plattenförmigen Querrudern, wie sie bei vielen Funflyern eingesetzt werden. Zu diesem Profiltyp habe ich bis jetzt noch keine Daten oder eigene Erfahrungen.
[-] Plattenprofile mit aufgedickter, in Profilform verschliffener Nasenleiste. Diese Nasenleiste nähert das Verhalten der Plattenprofile dem der Vollprofile an, Daten habe ich keine, praktische Erfahrungen sammle ich gerade mit meiner Velox.

3mm Depronshocky: Ebene Platte :D. Eine aufgedickte Nasenleiste verschiebt die Flugeigenschaften (falls dies gewünscht) etwas in Richtung profilierte Fläche.


Position Motorzugachse, Tragflächen, HLW
(Die Motorzugachse ist die Verlängerung der Motorwelle in Flugrichtung)
Bei allen mir bekannten manntragenden Kunstflug-Eindeckern liegt das HLW oberhalb der Tragflächen und leicht oberhalb der Motorzugachse, so dass es etwa in der Mitte des Seitenruders zu liegen kommt. Die Tragfläche liegt öfter unter (Extra 330, Cap, Yak, Suchoi) als über (Edge 540) der Motorzugachse.
Die Unterschiede und Zusammenhänge zwischen den einzelnen Anordnungen kenne ich noch nicht. Die Tiefdeckeranordnung bei den Manntragenden rührt aber scheinbar u.A. daher dass der Pilot meist über/hinter den Tragflächen sitzt und beim Tiefdecker beim Landen die Bahn besser sehen kann, weil die Tragflächen diese hier weniger verdeckt als beim Mitteldecker.

3mm Depronshocky: Alles auf einer Linie. Experimente mit tiefergelegten Tragflächen oder höhergelgetem HLW gibt es zwar vereinzelt, hier ist die Bauweise aber etwas anspruchsvoller und das Masse:Stabilitätsverhältnis schlechter.

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2 Höhenleitwerk

Fläche
Je grösser die HLW-Fläche, desdo unkritischer verhält sich das Modell im Strömungsabriss und desdo unwahrscheinlicher ist ein Strömungsabriss am Höhenruder. Je kleiner das HLW, desdo quirliger und flinker ist das Modell um die Querachse.

3mm Depronshocky: ca. 1/6-1/8 der Flügelfläche


Streckung
Die HLW-Streckung sollte immer deutlich geringer gewählt werden als die Flächenstreckung, um einem vorzeitigen Strömungsabriss am HLW vorzubeugen.

3mm Depronshocky: 2.5-4


Zuspitzung
Die HLW-Zuspitzung bewegt sich in Ähnlichem Rahmen wie die Tragflächenzuspitzung

3mm Depronshocky: 1.2:1-1.8:1


Pfeilung
Das HLW ist meistens etwas mehr gepfeilt als die Tragflächen.

3mm Depronshocky: Gerade 1/3-Linie bis gerade Endleiste


HR-Grösse
Ruderfläche vor der Drehachse ist zur Reduktion der Ruderkraft auf das Servo sehr empfehlenswert, zu lang sollten diese Ausgleichsflächen aber nicht sein da sie bei der Landung im Gras gerne hängen bleiben.

3mm Depronshocky: Entweder Pendel-HLW oder 2/3 bis 3/4 des HLW-Inhaltes als HR ausgeführt.


Höhenruderausschlag
Dieser richtet sich bei 3D-Modellen nach den Überschlägen, und muss so bemessen sein dass Überschläge Positiv wie Negativ möglich sind.

3mm Depronshocky: 50-80 Grad

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3 Rumpf

Seitenfläche
Bei gleicher Geometrie der Seitenansicht sind die Messerflugeigenschaften der grossen Rumpfseitenfläche besser, die geringere Rumpfseitenfläche hat dafür Vorteile im Flachtrudeln. Der Extremfall hier sind Funflyer mit Stabrumpf und kleinem Seitenleitwerk, die drehen im Flachtrudeln praktisch auf dem Teller, können sich dafür aber auch bei Vollgas nicht im Messerflug halten.

3mm Depronshocky: 1/2 bis 2/3 der Flügelfläche.

Seitenflächen-Geometrie
Für optimale Messerflugeigenschaften sollte das Modell möglichst viel Fläche im Schwerpunktbereich, möglichst wenig(!) Fläche zwischen Tragflächen-Endleiste und Seitenleitwerksanfang und ordentlich Seitenleitwerksfläche (möglichst viel davon als Ruder beweglich ausgeführt) haben. Rumpfseitenfläche zwischen Tragflächen-Endleiste und Seitenleitwerk (je weiter Richtung Seitenleitwerk desdo stärker der Effekt) will den Rumpf im Messerflug wieder aufrichten und muss dann mit Seitenruderausschlag (=Abtrieb!) wieder heruntergedrückt werden. Rumpfseitenfläche zwischen Tragflächen-Endleiste und SLW ist zwar deutlich besser als gar keine Rumpfseitenfläche (der Abtrieb des SLW ist wegen dem längeren Hebel kleiner als der Auftrieb der Rumpfseitenfläche), aber im Schwerpunktbereich wäre diese Rumpfseitenfläche dennoch deutlich besser aufgehoben. Rumpfseitenfläche vor der Tragflächen-Nasenleiste reduziert zwar den nötigen Seitenruderausschlag weiter, lässt das Modell um die Hochachse jedoch zunehmend instabil werden.
Beim Flachtrudeln bremst ein Stück Rumpfseitenfläche um so mehr, je weiter es vom Schwerpunkt weg ist.
Die Zusammenhänge lassen sich anhand der Draufsicht (die ja bekanntlich ordentlich Auftrieb liefert ;-)) klarmachen: Viel Fläche im Schwerpunktbereich (Die Tragflächen!), ordentlich Fläche im Heck (Höhenruder) und dazwischen wenig Fläche (Rumpfdraufsicht).

Kanten
Je eckiger der Rumpf, desto breiter die "Wirbelfläche" bei schiefer Anströmung (Messerflug, Flachtrudeln), desto höher der Widerstand bei schiefer Anströmung und desto höher der Auftrieb.

Rumpffläche Draufsicht
Im dynamischen Kunstflug ist deren Einfluss sehr gering, Bewegungen um die Querachse werden bei grosser Rumpfbodenfläche besser gedämpft, das macht sich aber erst bei Überschlägen wirklich bemerkbar. Im Harrier dagegen trägt die Rumpfbodenfläche merklich mit und stabilisiert so den Harrier.

Eckiger Rumpfboden, runder Rumpfrücken
Bei dieser Auslegung ist die "Wirbelfläche" des eckigen Rumpfbodens im Messerflug deutlich grösser als die des runden Rumpfrückens, folglich verschiebt sich der Angriffspunkt der Auftriebskraft in Richtung Rumpfboden. Im Bauchflug ist der Abtrieb einer schräg nach hinten-oben laufenden Rumpfseitenfläche grösser als der Auftrieb eines schräg nach hinten-unten laufenden Rumpfrückens. Der von oben angeströmte Rumpf (Negativ-Überschlag) erfährt weniger Widerstand als der von unten angeströmte (Positiv-Überschlag), daher gehen Negativ-Überschläge mit solchen Modellen deutlich besser als Positiv-Überschläge.


Seitenruder
Je grösser desdo mehr Wirkung, auch hier ist eine Ausgleichsfläche vor der Drehachse zu empfehlen.

3mm Depronshocky: ca. 2/3 Des HLW-Inhaltes


Seitenruderausschlag
Mehr als 60 Grad machen hier keinen Sinn, noch mehr Ausschlag bremst nur noch.

3mm Depronshocky: 50-60 Grad

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4 Kombinierte Grössen

Leitwerkshebelarm
Modelle mit langem Leitwerkshebelarm fliegen ruhiger und präziser und sind im Trudeln, Harrier, Hovern und Torquen deutlich stabiler und einfacher zu beherrschen. Modelle mit kurzen Leitwerkshebelarmen sind entsprechend wendiger, quirliger und anspruchsvoller zu fliegen, Überschläge aller Art gelingen hervorragend. Je grösser ein Modell ist, desdo träger ist es rein durch seine Masse und desdo kürzer kann man den Leitwerkshebelarm wählen.

3mm Depronshocky: 2.5 - 3.2



Flächenbelastung
Modelleigenschaften bei geringer Flächenbelastung:
-   Geringe Minimalgeschwindigkeit bei anliegender Strömung. Zusammen mit der flächenbelastungs-unabhängigen Maximalgeschwindigkeit ergibt sich ein breiter Geschwindigkeitsbereich.
- Gutmütigere Abreisseigenschaften, das Modell reisst weich ab, der Höhenverlust bis zum Wiederanlegen der Strömung ist gering.
- Geringe minimale Kreisradien
- Steuerfehler im 3D werden viel grosszügiger verziehen, da einerseits die Reaktion des Modells auf den Steuerfehler schwächer ausfällt und der Pilot andererseits mehr Reserven hat um den Fehler wieder auszubügeln.
- Geringe Landegeschwindigkeit, dadurch ist die Landung auf sehr engen Plätzen möglich und bei der Landung auf normalen Plätzen hat man mehr Sicherheitsreserven. Die Zelle wird durch die geringe Start- und Landegeschwindigkeit auch bei unebenem Untergrund nicht so stark belastet.
- Selbst kleinste Luftbewegungen werden angezeigt, der Flug wirkt daher unruhiger. Bei böigem wind sind Modelle mit geringerer Flächenbelastung viel schlechter fliegbar als Modelle mit hoher Flächenbelastung.
- Durch die geringen Kreisradien kann man die Modelle regelrecht um die Kurven knallen, ein "Driften" (verzögerte Kursänderung nach einer Änderung des Ruderausschlages) ist im dynamischen und im 3D-Kunstflug nur sehr schwach feststellbar. Je nach Geschmack des Piloten (und der Zuschauer) kann dieses Flugverhalten als sehr angenehm ("Wahnsinn, der klebt ja förmlich in der Luft!", "Schau mal wie präzise der die Höhenruderbefehle Umsetzt", "Bei ihm hat die Luft Ecken!") oder als sehr unangenehm ("Wirkt irgendwie unrealistisch...", "Da hat man irgendwie nichts rechtes am Knüppel.", "Kein schwung und nix: Gas weg, Geschwindigkeit weg!") empfunden werden.
- Die Fluggeschwindigkeit beim 45-Grad-Harrier ist sehr gering, bei Harrier- oder Rollenharrier-Einlagen mit erträglicher Dauer legt das Modell nur sehr wenig Strecke zurück, so dass Harrierfiguren nur schlecht als Programmelemente eingesetzt werden können.
- Durch die geringe Vorwärtsfahrt im Harrier werden 3D-Figuren schon bei wenig Wind derart verzerrt (Strecken gegen den Wind dauern erheblich länger als Strecken mit dem Wind) dass sie nicht mehr fliegbar sind.
- Gerissene/gestossene Überschlagsfiguren, die viel Masse(nträgheit) erfordern sind nicht wirklich fliegbar.
- Für ein bestimmtes Flugprogramm braucht man nur wenig Platz.


Modelleigenschaften bei hoher Flächenbelastung:
-   Höhere Minimalgeschwindigkeit bei anliegender Strömung. Der fliegbare Geschwindigkeitsbereich wird schmaler.
- Anspruchsvolle bis giftige Abrisseigenschaften, schlagartiger Abriss, massiver Höhenverlust bis zum Wiederanlegen der Strömung.
- Hohe minimale Kreisradien
- Steuerfehler im 3D führen zu heftigen Modellreaktionen, das Ausbügeln des Fehlers ist anspruchsvoll und meistens mit Höhenverlust verbunden.
- Hohe Landegeschwindigkeit, dadurch wird die Landung gerade auf kleinen Plätzen sehr anspruchsvoll.
- Das Modell liegt sehr ruhig in der Luft, selbst bei böigem Wind sind die meisten Programme noch fliegbar.
- Durch die grossen Kreisradien, das schlagartige Abreissen bei Unterschreiten dieser Kreisradien und das deutliche "Driften" wirkt das Programm wuchtiger und voller. Das kann gefallen ("Endlich mal was rechtes am Knüppel ", "Wow, ich kann die Luft regelrecht quietschen hören und qualmen sehen (auch ohne Smoker;-))) oder missfallen ("Meine Güte, die Kiste fliegt sich ja wie ein Öltanker").
- Die Fluggeschwindigkeit beim 45-Grad-Harrier ist hoch, bei Harrier- oder Rollenharrier-Einlagen mit erträglicher Dauer legt das Modell ordentlich Strecke zurück, so dass Harrierfiguren problemlos als Programmelemente eingesetzt werden können.
- Durch die hohe Vorwärtsfahrt im Harrier sind 3D-Figuren auch bei mittlerem Wind noch fliegbar.
- Gerissene/gestossene Überschlags-Figuren sind eine wahre Freude.
- Flugprogramme benötigen viel Platz.

3mm Depronshocky: 7-20g/qdm

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5 Fahrwerksgeometrie

Höhe Spornfahrwerk
[Winkel Spornfahrwerk] Grundsätzlich so niedrig wie möglich, ein hoher Sporn bringt Zusatzmasse und erfordert ein höheres Hauptfahrwerk. Ausschlaggebend für die Höhe ist der Winkel zwischen Spornrad und Seitenruder-Hinterkante (1), dieser sollte so gross sein dass das Seitenleitwerk bei Landung mit max. Anstellwinkel nicht am Boden schleift. Je weiter hinten das Spornrad ist, desto niedriger kann es dabei sein um diesen winkel zu erreichen. Für Harrierlandungen muss dieser Winkel mind. 45 Grad betragen.

Höhe Hauptfahrwerk
Einerseits die absolute Höhe über dem Boden, diese bestimmt, wie gross der zu montierende Propeller sein darf, damit er auch bei voll durchfederndem Fahrwerk noch nicht den Rasen mäht. Zusammen mit der Höhe des Spornfahrwerks ergibt sich dann auch der Anstellwinkel des auf dem Boden stehenden Modells. Je grösser dieser ist, desdo kürzer ist die Startstrecke, über 12 Grad Anstellwinkel macht aber wenig Sinn, da wir ja mit anliegender Strömung abheben wollen ;-). Ein Langes Fahrwerk ist auch schwerer als ein kurzes, daher muss man einen Kompromiss zwischen Startstrecke und Masse finden.

Spurbreite
[Spurbreite] Ein schmales Fahrwerk ist bei gleicher Stabilität leichter, steifer, kippeliger und seitenwindempfindlicher, ein Breites entsprechend schwerer, weicher und weniger kippelig. Relevant ist hierbei das Verhältnis Schwerpunkthöhe(2): Spurweite(1). Dieses Verhältnis sollte im Minimum so gross sein, das das Modell von selber wieder aufs Fahrwerk kippt, wenn man aus dem Stand einen Tragflächen-Randbogen an den Boden drückt und dann loslässt. Die maximale Breite kann man nicht eindeutig festlegen, irgendwann kommt halt der Punkt wo man das Modell auch mit wüstesten Manövern nicht mehr zum Kippen bringen kann. Breiter als das macht dann definitiv keinen Sinn mehr. Für Alltagsmodelle sollte man das Fahrwerk eher etwas breiter wählen, für High-End-Modelle, bei denen es auf jedes Gramm ankommt entsprechend schmaler.

Ein Beispiel für ein extrem breites Fahrwerk finden sie bei der Extra 260 auf www.Rc-Modellbau-Praxis.de [extern]. Die Anfangssequenz des Flugvideos unten auf der Seite zeigt, das man die Kiste auch mit wüstestem Herumbrettern auf dem Boden nicht zum Kippen bringen kann.

Position Hauptfahrwerk
[Position] Je geringer der Winkel zwischen der Verbindung Radachse/Schwerpunkt und der Profilnullinie (1), desdo geringer ist die Kopfstandneigung des Modells bei unebenem Untergrund, je höher der Abstand der Radachsen vom Schwerpunkt (2), desdo instabiler ist das Fahrverhalten, will heissen eine kleine Seitenneigung wird um so mehr verstärkt je weiter vorne das Fahrwerk liegt und desto grösser ist die Neigung zum Springen bei zu schnellem Aufsetzen.

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[Copyright] Fabian Günther
www.fabian-guenther.ch