AW: Drachen Eigenbauten Amateur Konstrukteure
Ich bin zwar nicht Olaf, den ich aufrichtig bewundere. Insofern hier aber trotzdem der Versuch einer kompakten Erklärung zur bisher (noch) nicht erreichten Gleitzahl 30:
Also... die Idee, den Widerstand von Rumpf und Leitwerk „einzusparen“, ist ja schon älter und auf den ersten Blick faszinierend.
Aber... die ca-Werte eines eigenstabil fliegenden S-Schlag-Profils (z.B. fliegendes Brett, also gerader Flügel mit senkrechtem Seitenleitwerk, mittig oder beidseitig außen) liegen nur etwa bei ca 1,0. Moderne Profile, besonders Laminarprofile, haben eine sogenannte Laminardelle. Das ist keine „Delle“ im Profil, sondern ein Bereich im gebräuchlichen Lilienthal-Diagramm etwa ab dem ca-Wert für bestes Gleiten und weniger, der signifikant geringeren Widerstand hervorruft und konstruktiv so gewollt und profiltypisch ausgelegt ist, meist erkauft mit erheblicher Dickenrücklage und / oder mangelnder Regentauglichkeit des so ausgelegten Profils.
Grundsätzlich gilt: Je dicker das Profil, umso höher das erreichbare ca-max. Daraus folgt in der Regel: Je größer der Nasenradius, umso unkritischer der Stall, dto. wenn auch die Dickenrücklage nicht groß ist, ...aber auch umso höher der Profil-Widerstand. Da aber die erforderliche Baugenauigkeit über die gesamte Profiltiefe im Drachen-Starrflügel-Bau mit Tuchbespannung nicht erreicht werden kann, müssen turbulent umströmte Profile verwendet werden, da die widerstandmindernden, langen laminaren Laufstrecken auf der Profilober- und Unterseite sonst nicht erreicht werden und sich gegenüber Turbulenz-Profilen im Gesamtspektrum dadurch eher Nachteile einstellen. Eine ca-Erhöhung kann nun erreicht werden, indem eine Profilmittellinien-Wölbung gewählt wird – wiederum auch gepaart mit dem Problem der Wölbungsrücklage - oder Wölbklappen verwendet werden ( Spaltklappen, Doppelspaltklappen, Spreizklappen oder gar Vorflügel etc. lassen wir mal außen vor ); d.h. eine Wölbung erleichtert es der Strömung, mit geringstem Widerstand den für diesen Zustand (Anstellwinkel) maximalen Auftrieb zu liefern – starr so bis 1,4 ca und mit Klappen bis ca. 1,7 ca bei z.B. 17% Klappen-Tiefe oder mit steil ansteigendem Widerstand auch darüber hinaus größeren Klappentiefen. Das wiederum hat bei Starr-Profilen Grenzen, da sonst im Bahnneigungs-(Schnell-)flug bei dünnen Profilen die Strömung auf der Unterseite des Profils abreißen kann, andererseits aber erhebliche Drehmomente um die Querachse entstehen, die beim klassischen Nurflügel wiederum nur mit größerer (meist positiver) Pfeilung und damit Leistungseinbußen kompensiert werden können ( und außerdem die Flattergefahr im Schnellflug erhöhen) und / oder mit geometrischer und / oder aerodynamischer Profilschränkung im Flügelaußenbereich.
Erich Jedelski, der große Privatforscher und Modellflieger – Erfinder der offenen Skelettbauweise – hat es mal so formuliert: Die eigentliche Leistungsexplosion in der Fliegerei entstand, als man auftriebserzeugende und steuernde Teile konsequent trennte.
Sieht man sich das Segelflugzeug *eta* an - mit einer Gleitzahl von fast 80 als derzeitige Highend-Lösung - muß man ihm recht geben.
Die vereinfachte Formel:
ca² : (Pi*Lambda) = induzierter Widerstand (cwi)
mit Pi = Kreiszahl 3,14... und
Lambda = Flügelsteckung = b²: F
mit b = Spannweite und
F = Flügelfläche
sagt aus, daß der unendlich lange Flügel eigentlich das Ideal wäre; und das ist der Grund für die hohen Spannweiten der Segelflugzeuge, da der cwi bei hohem Anstellwinkel (Kurbeln in Thermik mit V nahe min. und mit Höchst-ca) ein Mehrfaches des Profilwiderstandes erreicht.
So ist also der Konstrukteur im Drachen(starr)flügelbau gehalten, die beste Synthese zwischen folgenden, sich teilweise widersprechenden Anforderungen zu schaffen:
Ausreichende Profildicke – die Höhe des Profils geht mit h³ in die Rechnung ein,
widerstandsarme, aber hohe Auftriebserzeugung bis in der Querruderbereich,
„einfache“ Bauweise und Näherung an einen elliptischen Flügelgrundriß (als Prantl’sche Forderung für geringsten cwi), nach modernen Erkenntnissen i.V.m. rückgepfeilten Flügelnasenleisten,
widerstandsarmer Gesamtflügel in ausreichender Größe (zur Vermeidung von cwi im mittleren ca-Bereich) und möglichst geringe, weil leistungsmindernde Pfeilung, trotzdem statische und dynamische Stabilität um alle drei Achsen, i.V.m. aerodynamischer und / oder geometrischer Schränkung des Flügels,
geringstes Gewicht und hohe Gleitzahl...
usw.
Rechnet man alle diese Parameter ehrlich durch, kommt man bei handelbarer Spannweite mit allen Tricks und „Großkapitaleinsatz“ bei diesem Konzept nicht wesentlich über eine Gleitzahl von 25 hinaus und auch nur für den Fall eines irgendwie integrierten Cockpits, ...und das ist schon eher optimistisch.
Und dann ist da ja noch anstelle eines Cockpits dieser „Kokon“ zu berücksichtigen mit diesem „unhandlichen“ Menschen darin – weshalb es bei der Segelflugzeug-Firma Schempp-Hirth mal zwei Rümpfe zur Auswahl gab: Ventus a für „Normalos“ und Ventus b für korpulente und / oder große Spezies - an widerstandserhöhenden Gurten und Seilen, das Trapez nebst Anzeigeinstrument-Anbauten und noch ein paar Seile..., diesmal um wiederum das Trapez zu fixieren.
Und für die Länge dieser Gurte und Seile könnte dicken-widerstands-analog wiederum eine „Modellflügeltragfläche“ mit einer Tiefe etwa zwischen etwa 0,36 bis 0,12 m gebaut werden, die wiederum Leistung erbringt; ...soviel Widerstand haben simple Drahtseile und Gurte. Diese Äquivalent-Flügeltiefen sind aber genau die des Außenflügels der eta. Wenn man realisiert, wieviel „Drahtkommoden“ in der Luftfahrt so gebaut wurden, bis die „Widerstands-PS-Gleiche“ erreicht war, kann man ins Grübeln kommen.
Der interessante Bereich, daß notwendige Pfeilung zur Erlangung von Längsstabilität ab einem gewissen Grad zur Vermeidung von Überstabilität (Pendeln) an sich eine negative Flügel-V-Form erfordert, die aber meist unterbleibt oder geringer als erforderlich ausfällt, weil sie die Bodenfreiheit der Flügelspitzen weiter einschränken würde, sei hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. So manches Gieren ist darauf zurückzuführen.
Es gibt also keinen Königsweg, aber immer noch viel zu forschen und auszuprobieren.
Gruß hob
Ich bin zwar nicht Olaf, den ich aufrichtig bewundere. Insofern hier aber trotzdem der Versuch einer kompakten Erklärung zur bisher (noch) nicht erreichten Gleitzahl 30:
Also... die Idee, den Widerstand von Rumpf und Leitwerk „einzusparen“, ist ja schon älter und auf den ersten Blick faszinierend.
Aber... die ca-Werte eines eigenstabil fliegenden S-Schlag-Profils (z.B. fliegendes Brett, also gerader Flügel mit senkrechtem Seitenleitwerk, mittig oder beidseitig außen) liegen nur etwa bei ca 1,0. Moderne Profile, besonders Laminarprofile, haben eine sogenannte Laminardelle. Das ist keine „Delle“ im Profil, sondern ein Bereich im gebräuchlichen Lilienthal-Diagramm etwa ab dem ca-Wert für bestes Gleiten und weniger, der signifikant geringeren Widerstand hervorruft und konstruktiv so gewollt und profiltypisch ausgelegt ist, meist erkauft mit erheblicher Dickenrücklage und / oder mangelnder Regentauglichkeit des so ausgelegten Profils.
Grundsätzlich gilt: Je dicker das Profil, umso höher das erreichbare ca-max. Daraus folgt in der Regel: Je größer der Nasenradius, umso unkritischer der Stall, dto. wenn auch die Dickenrücklage nicht groß ist, ...aber auch umso höher der Profil-Widerstand. Da aber die erforderliche Baugenauigkeit über die gesamte Profiltiefe im Drachen-Starrflügel-Bau mit Tuchbespannung nicht erreicht werden kann, müssen turbulent umströmte Profile verwendet werden, da die widerstandmindernden, langen laminaren Laufstrecken auf der Profilober- und Unterseite sonst nicht erreicht werden und sich gegenüber Turbulenz-Profilen im Gesamtspektrum dadurch eher Nachteile einstellen. Eine ca-Erhöhung kann nun erreicht werden, indem eine Profilmittellinien-Wölbung gewählt wird – wiederum auch gepaart mit dem Problem der Wölbungsrücklage - oder Wölbklappen verwendet werden ( Spaltklappen, Doppelspaltklappen, Spreizklappen oder gar Vorflügel etc. lassen wir mal außen vor ); d.h. eine Wölbung erleichtert es der Strömung, mit geringstem Widerstand den für diesen Zustand (Anstellwinkel) maximalen Auftrieb zu liefern – starr so bis 1,4 ca und mit Klappen bis ca. 1,7 ca bei z.B. 17% Klappen-Tiefe oder mit steil ansteigendem Widerstand auch darüber hinaus größeren Klappentiefen. Das wiederum hat bei Starr-Profilen Grenzen, da sonst im Bahnneigungs-(Schnell-)flug bei dünnen Profilen die Strömung auf der Unterseite des Profils abreißen kann, andererseits aber erhebliche Drehmomente um die Querachse entstehen, die beim klassischen Nurflügel wiederum nur mit größerer (meist positiver) Pfeilung und damit Leistungseinbußen kompensiert werden können ( und außerdem die Flattergefahr im Schnellflug erhöhen) und / oder mit geometrischer und / oder aerodynamischer Profilschränkung im Flügelaußenbereich.
Erich Jedelski, der große Privatforscher und Modellflieger – Erfinder der offenen Skelettbauweise – hat es mal so formuliert: Die eigentliche Leistungsexplosion in der Fliegerei entstand, als man auftriebserzeugende und steuernde Teile konsequent trennte.
Sieht man sich das Segelflugzeug *eta* an - mit einer Gleitzahl von fast 80 als derzeitige Highend-Lösung - muß man ihm recht geben.
Die vereinfachte Formel:
ca² : (Pi*Lambda) = induzierter Widerstand (cwi)
mit Pi = Kreiszahl 3,14... und
Lambda = Flügelsteckung = b²: F
mit b = Spannweite und
F = Flügelfläche
sagt aus, daß der unendlich lange Flügel eigentlich das Ideal wäre; und das ist der Grund für die hohen Spannweiten der Segelflugzeuge, da der cwi bei hohem Anstellwinkel (Kurbeln in Thermik mit V nahe min. und mit Höchst-ca) ein Mehrfaches des Profilwiderstandes erreicht.
So ist also der Konstrukteur im Drachen(starr)flügelbau gehalten, die beste Synthese zwischen folgenden, sich teilweise widersprechenden Anforderungen zu schaffen:
Ausreichende Profildicke – die Höhe des Profils geht mit h³ in die Rechnung ein,
widerstandsarme, aber hohe Auftriebserzeugung bis in der Querruderbereich,
„einfache“ Bauweise und Näherung an einen elliptischen Flügelgrundriß (als Prantl’sche Forderung für geringsten cwi), nach modernen Erkenntnissen i.V.m. rückgepfeilten Flügelnasenleisten,
widerstandsarmer Gesamtflügel in ausreichender Größe (zur Vermeidung von cwi im mittleren ca-Bereich) und möglichst geringe, weil leistungsmindernde Pfeilung, trotzdem statische und dynamische Stabilität um alle drei Achsen, i.V.m. aerodynamischer und / oder geometrischer Schränkung des Flügels,
geringstes Gewicht und hohe Gleitzahl...
usw.
Rechnet man alle diese Parameter ehrlich durch, kommt man bei handelbarer Spannweite mit allen Tricks und „Großkapitaleinsatz“ bei diesem Konzept nicht wesentlich über eine Gleitzahl von 25 hinaus und auch nur für den Fall eines irgendwie integrierten Cockpits, ...und das ist schon eher optimistisch.
Und dann ist da ja noch anstelle eines Cockpits dieser „Kokon“ zu berücksichtigen mit diesem „unhandlichen“ Menschen darin – weshalb es bei der Segelflugzeug-Firma Schempp-Hirth mal zwei Rümpfe zur Auswahl gab: Ventus a für „Normalos“ und Ventus b für korpulente und / oder große Spezies - an widerstandserhöhenden Gurten und Seilen, das Trapez nebst Anzeigeinstrument-Anbauten und noch ein paar Seile..., diesmal um wiederum das Trapez zu fixieren.
Und für die Länge dieser Gurte und Seile könnte dicken-widerstands-analog wiederum eine „Modellflügeltragfläche“ mit einer Tiefe etwa zwischen etwa 0,36 bis 0,12 m gebaut werden, die wiederum Leistung erbringt; ...soviel Widerstand haben simple Drahtseile und Gurte. Diese Äquivalent-Flügeltiefen sind aber genau die des Außenflügels der eta. Wenn man realisiert, wieviel „Drahtkommoden“ in der Luftfahrt so gebaut wurden, bis die „Widerstands-PS-Gleiche“ erreicht war, kann man ins Grübeln kommen.
Der interessante Bereich, daß notwendige Pfeilung zur Erlangung von Längsstabilität ab einem gewissen Grad zur Vermeidung von Überstabilität (Pendeln) an sich eine negative Flügel-V-Form erfordert, die aber meist unterbleibt oder geringer als erforderlich ausfällt, weil sie die Bodenfreiheit der Flügelspitzen weiter einschränken würde, sei hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. So manches Gieren ist darauf zurückzuführen.
Es gibt also keinen Königsweg, aber immer noch viel zu forschen und auszuprobieren.
Gruß hob
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