ASH 31 von HKM, Teil 1
Das 1:2,2-Projekt
Eigentlich hatte ich schon nicht mehr so recht daran geglaubt, dass mein guter Fliegerfreund Willi Helpenstein (HKM Flugzeugbau), dem ich schon für manches andere Segelflugmodell die aerodynamischen und flugmechanischen Auslegungen für gute Flugleistungen, stabiles Flugverhalten und problemloses Handling konzipiert hatte, eines Tages diese große ASH 31 noch würde zum Fliegen bringen. In meinem Alter wird man schon leicht ungeduldig, wenn nach der Konzepterstellung Jahr um Jahr im High-Speed-Modus vergeht, bis ein Projekt sein Endstadium endlich erreicht.
Das war dann Mitte Juni 2017 erreicht, als Willi mit dem Prototyp bei böigem Wetter den Erstflug wagte. Das vor dem Start aufgenommene mit Willi und der ASH 31 gibt einen Eindruck von der Eleganz und den gigantischen Proportionen des Modells und lässt erahnen, wie sehr der Wind auf die Flächen drückte. Leider konnte ich beim Erstflug nicht dabei sein, aber Willi berichtete mir am Abend völlig euphorisch von den außergewöhnlichen Flugeigenschaften des Seglers. Einige Tage später konnte ich mich dann vor Ort selbst davon überzeugen.
Suche nach dem Vorbild
„Gut Ding braucht Weile“, sagt der Volksmund. Für ein großes Flugmodell trifft dies besonders zu, wenn es am Ende perfekt in der Ausführung wie die ASH 31 mit fast 10 m Spannweite sein soll. Wie kam es zu diesem Projekt? Im Jahr 2009, drei Jahre nachdem Willi seine ASW 28 im Maßstab 1:2,5 mit meinem aerodynamischen Input bestens im Markt etabliert hatte, war er, dem allgemeinen Trend folgend, auf etwas neues und modernes Größeres aus – bei dessen Auswahl und Design er mich um Mithilfe bat.
Zielvorstellung war ein Segelflugmodell etwa im Scale-Maßstab von 1:2. Da dies für mich eine äußerst reizvolle Aufgabe war, machte ich mich sogleich an die Recherche nach geeigneten Vorbildern. Zu jenem Zeitpunkt boten sich an: 1) Antares 20E, ein einsitziger, eigenstartfähiger Segler mit Elektroantrieb von Lange Aviation mit 20 m Spannweite; 2) der einsitzige neue Rennklassesegler ASH 31 mit 18 m Spannweite von Alexander Schleicher; 3) der doppelsitzige Arcus mit 20 m Spannweite von Schempp-Hirth; 4) die EB 28 für die offene Klasse von Binder mit 25 bis 29 m Spannweite; 5) die Diana 2 mit 15 m Spannweite für die Rennklasse von Avionic, Górki Wielkie, Polen; 6) und schließlich der Rennklasse-Segler SB 14 mit 18 m Spannweite der Akaflieg Braunschweig von 2004. Von größerem Interesse wäre auch der südafrikanische Rennklasse-Segler Jonker JS1 mit 18 m Spannweite und einem ASW 26-Rumpf von Alexander Schleicher gewesen, der aber leider etwas zu spät für unser Projekt erstmals 2010 vorgestellt wurde.
Warum ASH 31?
Die aerodynamischen und flugtechnischen Zielsetzungen für ein großes, in Serie erstelltes Segelflugmodell müssen derart sein, dass sie seinem Hersteller ein einträgliches Geschäft und dem Kunden für seine nicht unerhebliche Investition möglichst viel Flugspaß bringen. Also kamen unter den genannten Seglertypen in erster Linie solche in Betracht, von denen gute aerodynamische Leistungen und unkritisches Handling im Modellmaßstab zu erwarten waren. Außerdem sollten sie robust genug für den oftmals rauen Flugbetrieb sein und Ausmaße haben, die für den Transport noch akzeptabel sind.
Da die Strömungsverhältnisse bei maßstabsgetreuen Segelflugmodellen, selbst noch im Maßstab 1:2, vor allem an den schmalen Randzonen der Tragflächen und beim Höhenleitwerk ungleich komplexer sind als bei den Vorbildern, kamen für unser Vorhaben Segelflugzeuge wie die EB 29 und die Diana 2 wegen ihrer schmalen Flächen schon mal nicht in Betracht. Bei der Diana 2 und der SB 14 entsprachen auch die dünnen Rümpfe nicht den Vorstellungen eines robusten Modells. Eine überschlägige Gewichtsabschätzung eines 1:2-Arcus zeigte, dass er mit weniger als 25 kg nicht stabil genug als dynamisches Modell zu bauen gewesen wäre, aber auch die Arcus-Rumpflänge von fast 4,4 m hätte aus praktischen Gründen in der Regel den Bau eines kostspieligen zweiteiligen Rumpfes erfordert. Schließlich war auch die besondere Tragflächenform des Arcus eine ästhetische Ansichtssache, die im Hinblick auf die Vermarktung nicht ganz ohne Risiko gewesen wäre.
So blieben schließlich zunächst nur noch Antares 20E und ASH 31 mit 18 m Spannweite als Vorbilder für das spezifizierte 1:2-Segelflugmodell übrig. Da aber seinerzeit kaum brauchbare Konstruktionsunterlagen von Lange Aviation für den Antares 20E zu bekommen waren, fiel unsere endgültige Wahl auf die ASH 31 mit 18 m Spannweite. Nicht zuletzt, weil auch die wunderbareren ästhetischen Formen dieses Segelflugzeugs am ehesten unseren Vorstellungen von einem modernen, leistungsfähigen Segler entsprachen.
Beim anfänglichen Design des Modells war uns Manfred Münch von Alexander Schleicher Segelflugzeugbau außerordentlich behilflich. Nachdem ich ihm unser Projekt vorgestellt hatte, lieferte er mir alle erforderlichen Detailzeichnungen und sogar selbstgefertigte Handskizzen, zum Beispiel für die Ausgestaltung des Flächen-Rumpf-Übergangs. Dafür möchten Willi und ich an dieser Stelle noch mal ein ganz herzliches Dankeschön sagen. Von Manfred Münch erfuhren wir aber auch schon bald, dass eine gestreckte Version der ASH 31 mit 21 m Spannweite als Prototyp in der Erprobung wäre – und ich bekam prompt entsprechende Grafiken für die längere Tragfläche. Die Eleganz dieser ASH-31-Version hatte es uns sofort angetan. Nun galt es herauszufinden, in welchem Maßstab (nahe 1:2 zum Original) sich ein leistungsfähiges, dynamisches Modell der 21-m-ASH 31 realisieren ließe.
Warum Maßstab 1:2,2?
Die ursprüngliche Absicht, einen Segler im Maßstab 1:2 zu bauen, hätte bei der 21-m-Version der ASH 31 zu einer Tragflächengröße von etwa 2,7 m² geführt. Wegen der Gewichtslimitierung auf 25 kg für Flugmodelle in Deutschland wäre lediglich eine maximale Flächenbelastung von etwa 92,6 g/dm² zu realisieren gewesen. Eines der wichtigen Ziele für das Modell war aber neben guten Thermikleistungen aber insbesondere der zügige Streckenflug. Dazu müssten es mit dem vorgesehenen Profilstrak wenigstens 100 g/dm² sein, woraus ein Maßstab von 1:2,2 mit einer Flächengröße von 2,46 m² und einer Spannweite von 9,54 m resultierte. So waren auch die Voraussetzungen für eine robuste Bauweise des Modells gegeben; die Fläche würde sich genügend biegeund torsionssteif für den Schnellflug bauen lassen und der Rumpf robust genug für raue Landungen. Dem Kunden würde somit ein sehr dynamisches Großsegelflugmodell mit genug Stabilitätsreserven in allen Flugzuständen angeboten werden können.
HQ/DS… HQ/ACRO-Profilstrak
Es ist gut zehn Jahre her, dass ich vor allem von etlichen Modellfliegern der Großseglerszene gefragt wurde, ob es nicht möglich wäre, Profile zu entwickeln, die einen weiteren dynamischen Leistungsumfang ermöglichen würden: vom langsamen stationären Gleiten und Thermikkreisen bis zum zügigen Schnellflug sowie rasanteres Soaren an alpinen Hängen – und last but not least höhere Geschwindigkeiten beim Dynamic-Soaring-Kreisen. Da bei allen dafür in Frage stehenden Modellen in der Regel Strömungen mit höheren Re-Zahlen vorliegen, entwarf ich 2006 eine Profilserie mit etwas längerer laminarer Laufstrecke der Strömung im vorderen Profilabschnitt, um so den Profilwiderstand bei mittleren und höheren Re-Zahlen (Geschwindigkeiten) zu verringern. Gemäß ihrem Einsatzzweck, nämlich dem dynamischen Segelfliegen, bezeichnete ich die Serie als HQ/DS-Profile. Die Details und Einsatzmöglichkeiten sind in meinem Buch „HQ-Profile für den Modellflug“ nachzulesen.
Es sollte sich bald herausstellen, dass vor allem das Profil HQ/DS-2,25/13 mit 2,25% Wölbung und 13% Dicke sowohl beim Thermikkreisen als auch im schnellen Vorflug den Erwartungen hinsichtlich dynamischem Fliegen am besten entspricht – und trotz der hohen Profildicke, was manchen Piloten paradox erscheint, fulminante Höchstgeschwindigkeiten ermöglicht. Inzwischen fliegen auf meinen Rat hin sehr viele Großsegler mit diesem Profil und ich bekomme ein übers andere Mal mitgeteilt, dass der Thermikflug selbst mit 120 g/dm² kein Problem sei und andererseits mit Großseglern Spitzengeschwindigkeiten bis zu 480 km/h erreicht worden seien.
2009, zum Zeitpunkt des Designs der ASH 31, lagen erst wenige Erfahrungen mit den HQ/DS-Profilen vor. Aber aufgrund theoretischer Analysen (insbesondere mit dem neueren, sehr zuverlässigen und realitätsnahen Design- und Analyseprogramm „Profil06“ von Prof. Eppler) sowie sehr vielversprechenden Erfahrungen mit eigenen Erprobungsmodellen, schlug ich Willi einen HQ/DS-Profilstrak mit dem HQ/DS-2,25/13 als Hauptprofil für den Tragflügel vor. Das zu akzeptieren, war damals vielleicht nicht so sehr für mich, aber für Willi eine sehr mutige Entscheidung – wenn man bedenkt, wie viele tausend Arbeitsstunden und Euro in ein solches Projekt fließen würden. Chapeau!
Hohe Geschwindigkeit mit dicken Profilen?
Leider erforderte die Berechnung der Dimensionen des Tragflächenverbinders für eine im Modellflug realistische Biegebelastung von etwa dem 30-fachen des Eigengewichts (30 g) eine Bauhöhe von 35 mm. Dazu ist anzumerken, dass die Tragflächen der Flugmodelle oftmals deutlich höheren Biege- und Torsionsbelastungen ausgesetzt sind als die Originalsegler, zum Beispiel bei einem zu engen Looping, zu harten Wenden im Schnellflug. Für eine stabile Kraftübertragung des Flächenverbinders mit den Flächenhälften wären 13% Profildicke an der Flächenwurzel nicht ausreichend gewesen.
Eine überschlägige Rechnung ergab, dass im stationären Langsamflug die geringste Sinkrate des Modells etwa in dem Bereich des Gesamtauftriebsbeiwertes von cA = 0,75 bis 0,8 erreicht würde. Mithin ergab sich für 100 g/dm² Flächengewicht ohne Wölbklappeneinsatz eine Grundgeschwindigkeit von etwa V = 14 bis 15 m/s. Daraus resultierte, dass die Re-Zahl der Strömung im Bereich der Tragflächenwurzel über Re = 350.000 läge. Eine Analyse der Strömungsverhältnisse am 15% dicken Profil HQ/DS-2,25/15 für diesen Re-Zahlbereich und darüber zeigte, dass sich damit keine merklichen Leistungsverluste des Modells – weder im Langsamflug noch im High-Speed-Bereich – ergäben, wenn dieses dickere Profil an der Flächenwurzel eingesetzt würde. Die Profile sind in der Grafik abgebildet.
Mit zunehmender Geschwindigkeit eines Flugmodells verringert sich im stationären Gleitflug der erforderliche Auftriebsbeiwert des Tragflächenprofils. Bei einer Geschwindigkeit von V ≈ 150 km/h ist bei unserem Modell mit 100 g/dm² ein durchschnittlicher Wert von etwa ca ≈ 0,10 erforderlich, mit einer durchschnittlichen Flächentiefe von knapp 300 mm entsprechen die Strömungsverhältnisse etwa einer Re-Zahl von 800.000. Aus den nebenstehenden Polarengrafiken für die Profile HQ/DS-2,25/13 und …/15 ist zu entnehmen (durchgezogene Polarenkurve), dass bis zu diesem ca-Wert die Beiwerte des Widerstandes der beiden Profile noch nahe am Minimum der Polaren für die relevante Re-Zahl liegen. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt der ca-Wert weiter ab, aber der Widerstandsbeiwert cw der Profile nimmt ohne Einsatz von Wölbklappen (nach oben) von da an deutlich zu, was eine weitere Geschwindigkeitserhöhung erschwert. Bei 300 km/h liegt der Auftriebsbeiwert dann nur noch bei ca ≈ 0,025, die Re-Zahl ist etwa 1.600.000 und man entnimmt wiederum den Polaren, dass man etwa einen negativen Wölbklappenausschlag bis zu h ≈ -5° braucht, um mit beiden Profilen geringstmöglichen Widerstand zu erzielen. Dies ist die theoretische Erklärung dafür, warum so dicke HQ/DS-Profile so hohe Geschwindigkeiten erreichen können.
Strömungsverhältnisse an den Flügelspitzen
Beim Design der ASH-31-Tragfläche erforderten die Strömungsverhältnisse an den Flügelspitzen besondere Aufmerksamkeit. Theoretisch verhält sich die Strömung am Profil HQ/DS-2,25/13 oberhalb einer Re-Zahl von Re = 150.000 stabil. Darunter aber zeigen sich zunehmend Tendenzen zum Strömungsabriss bei mittleren Auftriebsbeiwerten, was sich vor allem beim Gieren durch Abkippen der Fläche bemerkbar machen kann (mehr dazu in meinem Profilebuch). Am Schnitt zum äußersten Trapez der ASH-31-Fläche ist die Profiltiefe noch ausreichend hoch, um im Langsamflug auf Re-Zahlen über Re = 150.000 zu kommen. Von der Flächenwurzel bis zu dieser Schnittstelle waren also stabile Strömungsverhältnisse zu erwarten. Mit der abnehmenden Tiefe des äußeren Trapezes bis auf knapp 100 mm würde die Re-Zahl aber auf etwa Re ≈ 100.000 abfallen und damit die Gefahr eines Abrisses der Strömung im Langsamflug zunehmen. Das Problem konnte durch einen Profilstrak im äußersten Flächentrapez auf das sehr strömungsstabile Profil HQ/ACRO-2,25/13 zur Flügelspitze hin gelöst werden. Die Flugerfahrungen haben bisher keinerlei Tendenz zum Strömungsabriss an der Tragfläche erkennen lassen.
Die Bilder geben eine Vorstellung vom Bau der Tragfläche. Die aus Kunststoff gefrästen negativen Urformen zeigten auch nach Spachteln, Lackieren und Polieren hier und da noch unerwünschte Unebenheiten. Also wurde von allen Flächenteilen in einem weiteren Schritt erst einmal eine stabile Abformung hergestellt und so nachbehandelt, dass daraus perfekte positive Formen entstanden. Diese Urflächen lieferten dann durch Abformungen der Oberund Unterseiten die endgültigen Produktionsformen. Wie aus den Bildern zu ersehen ist, wird jede Flächenhälfte originalgemäß zweiteilig aufgebaut, um den Transport zu erleichtern.
Eine knifflige Aufgabe: die Winglets
Zu Zeiten, als Winglets an Segelflugzeugen aufgrund der wissenschaftlichen Vorarbeiten von Prof. Marc Maughmer und seiner Mitarbeiter an der Pennsylvania State University professionelle Konturen annahmen und sich damit deutliche Leistungssteigerungen der Segelflugzeuge im unteren und mittleren Geschwindigkeitsbereich erzielen ließen, verbrachte ich Wochen in der Bibliothek des Aerodynamischen Instituts an der TU Darmstadt – mit der Recherche über wissenschaftliche Winglet-Artikel und wurde dabei sehr fündig. 2005/6 habe ich dann für die Modellflieger in Aufsätzen und Vorträgen die für den Modellflug relevanten Folgerungen publiziert und geeignete Winglet-Profile entworfen. In meinem Profilebuch habe ich dem Design der Winglets ein eigenes Kapitel gewidmet und in eine eingefügte Anhangdiskette auch die damalige Artikelserie kopiert.
Für die Winglets des ASH-31-Modells wurde das Profil HQ/WINGLET-3/13 gewählt. Dieses Profil hat einen recht großen Umfang der Auftriebsbeiwerte von sehr hohen bis zu stark negativen ca-Werten und sorgt für relativ stabile Strömungsverhältnisse fast bis zu niedrigen Re-Zahlen von nur Re ≈ 50.000, wie sie am oberen Ende der Winglets des Modells etwa zu erwarten sind. Ob diese Winglets schon zur Steigerung der Leistung beitragen, liegt im Bereich des Spekulativen. Aber sicher verhindern sie an den Flächenenden Randwirbel, die sonst durch Druckausgleich erzeugt würden –und sorgen dafür, dass die Flächenenden ungestört von vorn angeströmt werden, was sich auf die Effizienz der Ruder- und Klappenwirkung positiv auswirkt. Wölbungs- und Dickenverteilungen des Winglet-Profils sorgen dafür, dass die Strömung am Winglet auch bei extremen Anströmungsrichtungen, wie etwa bei einer seitlichen Böe oder im Kurvenflug, nicht so leicht abreißt. Im Zweifelsfall können Turbulatoren auch noch für eine weitere Verbesserung sorgen. Soweit für diesmal. In der nächsten Ausgabe geht’s weiter mit der Konstruktion und dem Bau des Rumpfs sowie der Berechnung der Leitwerke.
