VTOL-Modell Lilius, Teil 1
EXPERIMENTAL
Die enormen Langsamflug-Eigenschaften meines letzten Projektes mit Fowler-Klappen (Ryan Navion, ein Umbau des VTH-Bauplanmodells Big Joe von Wolfgang Traxler, vgl. FMT-Extra Motorflug 2019) haben mich motiviert. Der Wunsch kam auf nach noch besseren derartigen Fähigkeiten. Gewiss bringen Vorflügel und Leichtbau eine Steigerung, doch ich strebte irgendwie nicht nur nach STOL (Short Take-Off and Landing), sondern sogar in Richtung VTOL (Vertical Take-Off and Landing). Was könnte mit aktueller Technik machbar sein?
Erste Überlegungen
Copter machen uns diese Fähigkeit als extremes Beispiel ja heute schon vor, sowohl im Modellbau als auch manntragend. Doch ein klassischer Copter ist dann doch keine echte Herausforderung mehr: Vier Motoren plus Steuerungs-Elektronik – und schon fliegt die Plattform. Da geht mein Blick schon eher in Richtung einer Do 31, V-22 Osprey oder vielleicht sogar einer F-35 Raptor. Bausätze gibt es da weniger, eher noch Fertigmodelle aus Schaum, aber ich möchte ja bauen und experimentieren.
Es würde mich schon reizen, in einem solchen neuen Projekt als Antrieb ein paar Impeller zu verwenden. Ein Raptor oder Harrier wären damit gut machbar, die Antriebe bauen schön klein und haben einen großartigen Sound. Wäre da nicht das sehr ungünstige Leistungs-Schub-Verhältnis. Schnell kommen hier 50 A und mehr für nur einen Antrieb zusammen – und für einen stabilen Schwebeflug benötige ich mindestens drei davon.
Impeller-Antrieb?
Bei der Auslegung einer einfachen Drohne sollten die Antriebe im Schwebeflug in etwa 50% des Schubs entwickeln. Versuchen wir mal, gedanklich ein Modell mit 2 m Spannweite zu bauen und es mit 3,4 kg ohne Akku in die Rechnung gehen zu lassen. Mit vier Impellern benötige ich dann eine Stromversorgung, die für etwa 200 A gut sein sollte. Bei aktuellen Akkuzellen mit 40C gäbe dies mit etwas Reserve eine Kapazität von 7 Ah. Bei 1 kg Akkugewicht folgt daraus eine Vollgas-Motorlaufzeit ohne Reserve von zwei Minuten. Das erinnert mich stark an die Anfangszeiten des Elektrofluges mit NiCd-Zellen, da hatte man auch nicht mehr.
Um etwas länger im Hoverbetrieb fliegen zu können, wären schon 10 Ah von Nöten, bei 6s-LiPos ergibt dies eine Akkulast von satten 1,5 kg. Das muss man erst einmal schlucken, denn das heißt ja, dass die Antriebe neben dem kompletten Modell eben noch 1,5 kg an Akkus schleppen müssen. So haben die Motoren dann bei Volllast einen Schub von etwa 10 kg zu erbringen. Man merkt, wohin die Rechnung geht und Impeller mit mehr als 2 kg Schub ziehen auch weit mehr als 50 A. Es geht, aber der Aufwand, auch finanziell, ist erheblich.
Oder mit Propellern?
Also doch lieber mit Propellern arbeiten? Das sieht im Stand vielleicht nicht ganz so gut aus, macht das ganze Flugzeug aber einfach effizienter und leichter. Rücken wir also gedanklich erstmal vom Impeller ab, so stellt sich die nächste Frage: Wie viel Platz können oder wollen wir dem einzelnen Propeller einräumen? Und es geht wieder um die Frage nach der Größe des Modells und des Wirkungsgrades. Und wie viel Schub bekomme ich pro Watt? Beim Impeller waren es bei Vollschub grob 1,6 g/W. Bei einer Propeller-Auslegung hat man schnell das Dreifache und 10 g/W sind durchaus möglich. Dann kommt man auch mit kleinen Akkus aus, es würden schon 3 Ah mit 4s-LiPos genügen. Sowohl die Struktur des Flugzeugs als auch der Geldbeutel wären damit entlastet.
Technologieträger-Modell
Um die Technik erst einmal zu verstehen und so ein Kippflügelflugzeug à la Osprey auszuprobieren, mussten praktische Tests her. Schaum- und Holz-Reste aus dem Fundus durften für einen einfachen, ersten Testträger herhalten. Danach wäre ja immer noch eine ausgearbeitete Konstruktion aus Holz, GFK/CFK oder Depron und vielleicht die Anlehnung an ein Original möglich. Bei meinem ersten Technologieträger kommt Copter-Stabilisationstechnik zum Einsatz: der Flight-Controller Omnibus F4 mit der Betaflight-Software. Die Open-Source-Software gibt mir die Möglichkeiten an die Hand, meine Ideen entsprechend umsetzen zu können; viele andere Piloten haben in dieser Software auch schon ihr Wissen eingebracht.
Als Basis dient eine aus PU-Schaum mit einem Clark-Y-Profil geschnittene Trainerfläche aus einem früheren Projekt. Die hintere Tilt-Mechanik für die Rotoren wurde per CNC aus 3-mm-Pappelholz erstellt und in die Fläche eingeklebt. Um eine sichere und vor allem proportionale Anlenkung mit einer zusätzlichen Vergrößerung des Winkelbereiches zu erhalten, habe ich die Motoren über eine Seiltrommel mit zwei Umschlingungen und einer Übersetzung angelenkt. Damit ist die Mechanik so ausgelegt, dass in beiden Endlagen (0° und 90°) noch zusätzlich weitere 15° Weg vorhanden sind (120°). Damit wollte ich das Querruder eliminieren, diese Steuerung auch quasi über Schubvektor realisieren. Solange die Motoren laufen, ist dies eine sehr effektive Methode. Man wird halt immer etwas Gas vorhalten müssen. Die Schwenkmechanik der Motoren habe ich in kleinen Kugellagern aufgehängt, um leichtgängiger zu sein.
Enten-Konfiguration
Die PU-Fläche ist zwar nicht beplankt, zeigt aber für diese Zwecke (bei 23 cm Tiefe und 13% Dicke) eine ausreichende Festigkeit und muss nicht zusätzlich verstärkt werden. Sie wird wie bei einem Trainermodell über Gummis am Rumpf gehalten. Da mich Flugzeuge in Entenkonfiguration schon immer begeisterten, fand das Brettchen-Leitwerk diesmal seinen Platz an der Rumpfspitze. Die Brett-Profi-Auslegung ist für einen Enten-Canard zwar nicht ganz optimal, aber es handelt sich ja nur um einen Versuchsträger. Die Auslegung als Ente hat freilich einen kleinen Auftriebsvorteil, da das Leitwerk hier vorne mitwirkt. Ein traditionelles Höhenleitwerk erzeugt meistens keinen Auftrieb.
Vor dem Canard sind die vorderen Motoren montiert und kleben damit ziemlich merkwürdig und einsam vorne am Modell. Dieser Versuchsträger ist wahrlich kein Anwärter für einen Schönheitswettbewerb. Als Antrieb verwende ich kleine Brushless-Außenläufer (Flash Hobby D2822) mit 1.450 kV und 7×3,5“-Dreiblatt-Propellern. Die vorderen Antriebe sind fest verbaut, lassen sich also nicht kippen und für den Vortrieb nutzen, sondern sie sollen nur im Schwebeflug stabilisieren. Als ich fertig war, fiel mir die konzeptionelle Ähnlichkeit mit der FV-31 Cypher von Premier Aircraft auf. Der Schwerpunkt eines solchen Fluggeräts sollte bei identischen Motoren in deren Mittelpunkt liegen. Dieser muss nun auch der aerodynamische Schwerpunkt des Entenflugzeugs sein, bei mir liegt er etwa bei 55 mm vor der hinteren Fläche.
Schwebeflug-Versuche
Der Sekundenkleber war noch nicht ausgehärtet, da ging es mit dem Technologieträger raus zu ersten Flugversuchen. Das Modell hob erst bei Vollgas – und auch nur, wenn ich das Gas schnell hochschob – vom Boden ab. Danach ließ sich das Konstrukt mehr oder weniger willig und recht träge durch die Luft bewegen. Die Dämpfung durch Tragfläche und Leitwerke merkt man, was aber nicht negativ ist. Ich wollte ja auch keinen Racer erproben, sondern das Fluggerät erstmal sicher vom Boden abheben und wieder aufsetzen lassen. Und das war nach einigen Übungen und einer kleinen Korrektur der Gyroeinstellung gut möglich. Nur die Leistung der Antriebe ließ sehr zu wünschen übrig. Die Messung des Gesamt-Schubs mit den 7×3,5-Luftschrauben ergab auf einer Haushaltswaage kaum eine Differenz gegenüber dem Eigengewicht, also 1.150 g.
Dass der Versuchsträger überhaupt vom Boden abhob und Höhe gewinnen konnte, ist fast verwunderlich und eher auf Bodeneffekte zu schieben. Aber dies erklärt auch nochmal die enorme Trägheit, das Modell hält sich nur knapp selbst in der Luft. Die Motoren erbringen eine Peakleistung von gerade mal 250 W, was zumindest einen Wirkungsgrad von 4,6 g/W ergibt.
Der zweite Versuch mit 8×4,5“-Zweiblatt-Luftschrauben ergab mit 460 W einen Schub von über 2 kg, was dann auch in der Agilität des Modells zu bemerken war. Jetzt konnte ich das Flugzeug sicher mit Halbgas und ohne Stress vom Boden lösen. Dieser zusätzliche Schub wird auch beim Umschalten der Flugzustände benötigt, denn sowie die hinteren Motoren schwenken, steht nur noch ein anteiliger Betrag für das Halten des Modells zur Verfügung, der Rest wird zum Beschleunigen nach vorne benötigt. Bei 30° habe ich schon ein Verhältnis von etwa 5,6 N zu 2,8 N, bei 45° sind es 5,6 N, mit denen das Modell beschleunigt. Das Gyro sollte bei etwa 80° abgeschaltet werden, sodass ab hier die Motoren nur noch auf Gas reagieren.
Dynamisches Fliegen
Würde die Testplattform auch dynamisch fliegen? Bei einem Entenmodell müssen hier einige Dinge beachtet werden, um am Ende auch die typischen, guten Eigenschaften dieser Konstruktionsart zu bekommen. Verkürzt gesagt ist es wichtig, dass die Strömung im Flug immer zuerst am Canard abreißt.
Der Wind wehte mit gut 15 km/h. Ich habe das Modell zuerst im Schwerpunkt haltend in den Wind gestellt und den Griff langsam gelöst. Da es keine Tendenzen zeigte, sich aufzubäumen oder zu unterschneiden, bereitete ich den Start mit deaktivierten Frontmotoren und hochgeklappten hinteren Motoren vor. Ohne Fahrwerk erfolgte der Start mit Halbgas, mit leichtem Anlauf und gerade aus der Hand. Freigegeben, sackte der Versuchsträger nur leicht durch und ließ sich mit Schub-Quer und Höhe sehr gut steuern. Das Clark-Y-Profil trägt die Last ausgezeichnet und der Flieger ist mit den kleinen Motoren schon recht flott unterwegs. Ein paar Testrunden waren nötig, um die EWD des Pendelhöhenruders zu optimieren. Wenn ich das Gas herausnehme und das Modell aushungere, so nimmt es entenmäßig den Schnabel nach unten und taucht ab, um Fahrt aufzunehmen. So soll es sein.
Übergang vom Schwebein den Normalflug
Meine Experimental-Plattform war jetzt mal in den beiden Ziel-Flugzuständen eingeflogen und der spannendste Teil der Entwicklung konnte starten: der Übergang vom Schwebeflug in den Normalflug. Hier müssen einige Dinge parallel ablaufen und zeitlich richtig abgestimmt sein. Zum einen dürfen die hinteren Motoren nicht zu schnell umschwenken, damit das Flugzeug bei diesem Manöver nicht durchsackt. Der Schub durch die Rotoren nach unten muss im selben Maße abnehmen wie der Flügel zu tragen anfängt. Bei einem zu langsamen Schwenken steigt der Flieger nach oben weg. Zum anderen müssten eigentlich auch die Frontmotoren ab einem gewissen Winkel abgeschaltet werden, damit die Lagenregelung des Gyros nicht versucht, die Flugeigenschaften zu überschreiben.
Für diese neuen Versuche habe ich die Umschaltung (von Schwebewinkel 0° auf Flugmodus 90°) nicht auf einen Schalter, sondern auf einen Schieberegler gelegt, um während eines Fluges immer wieder das Timing zu variieren. Die Bedienung erwies sich schwerer als gedacht. Herausgekommen ist zum Schluss eine Kurve, die zu Beginn die Motoren schnell auf 30° schwenkt und dann in einer Exponentialkurve innerhalb von zwei Sekunden auf volle 90° geht. Die Mischer meiner Fernsteuerung lassen mir hier viele Freiheiten, auch kann ich beim Zurückschwenken ohne Verzögerung arbeiten. Da die Minimalgeschwindigkeit der Maschine sehr gering und der Schub der Motoren relativ hoch ist, kann recht schnell hochgeklappt werden. Für schnellere oder schwerere Modelle sollte länger beschleunigt werden.
Zurück in den Schwebemodus
Der Sprung zurück in den Schwebemodus erfolgt direkt, auch wenn man ab Unterschreitung einer gewissen Geschwindigkeit selbst wieder etwas Gas geben muss, um den Flieger im Schweben zu halten. Was mir enorme Probleme bereitete, waren aber die Frontmotoren. Ich konnte zwar das Gyro abschalten, nicht aber diese Motoren am Drehen hindern. Sowie ich am Höhenruder zog, drehten die Frontmotoren hoch, was die Maschine, sagen wir mal, sehr agil werden lässt. Bei Tiefe jaulten dann die hinteren Motoren auf und beschleunigten den Flieger. Und mit Gyro zu fliegen, während die hinteren Motoren quasi hochgeklappt sind, ergibt auch interessante Effekte...
Der Weg zum Lilius
Nun gibt es gewiss Möglichkeiten, so etwas auch im Gyro zu programmieren, aber ich bin darin kein Experte und wollte auch nicht so tief in die Programmierung des Flight-Controllers einsteigen. Also umgehe ich das, indem ich etwas Gewicht investiere und später die vorderen Motoren auch mitschwenke. Ein Servo ist für das Höhenruder ohnehin schon verbaut, dann bekommt Pitch halt auch eine Vektorsteuerung. Nur müsste ich meine Vorstellungen vom endgültigen Aussehen des Modells etwas anpassen. Also noch mal ins Internet nach möglichen Designs geschaut – und siehe da, eine Konstruktion stach mir nach kurzer Zeit ins Auge. Schön, dass diese sogar aus Deutschland kommt, genaugenommen wird sie aktuell bei München entwickelt. Mit 36 Motoren, manntragend! Lilium heißt dieses Projekt. Wie es von diesem Moment an für mich weiterging, darüber berichte ich in der nächsten Ausgabe.
