TECHNIK

Simulation oder Messung?

Leistungsdaten von drei unterschiedlichen Modellen



Nachdem es in AUFWIND 5/2010 um den Simulator ging, wird es nun noch praxisnaher.

Neben den Segelflugleistungen der Modelle sind die Daten des Antriebes von Bedeutung, um die Qualitäten des ganzen Modells richtig einschätzen zu können. Deshalb wird auf der zweiten Übersichtsseite (Reiter „Antrieb“) des Simulators der Antrieb selbst für jedes Modell betrachtet. Es sind neben dem ausgewählten Motor, der Propeller, die Spannung, der Strom, der geschätzte Wirkungsgrad des Motors und des Lipos einzugeben. Einige Motordaten wie Innenwiderstand und Leerlaufstrom werden für die Berechnungen beim Horizontalflug benötigt. Als Ergebnis wird daraus der notwendige Schub, Strom und die Drehzahl berechnet. Dies sind die wesentlichsten Indikatoren für ein bestimmtes Modell (vgl. Tabelle 2).

Die statischen Leistungen, Schubdaten und Drehzahl, werden für den Ruhezustand des Modells, berechnet und angegeben, ebenso die Eingangsleistung und die über den Wirkungsgrad sich ergebende Ausgangsleistung. Die Wellenleistung errechnet sich aus Drehzahl und Drehmoment für den Propeller und dient zur Überprüfung des berechneten Schubes. Die Wellenleistung sollte sich nahe der Ausgangsleistung (Eingangsleistung multipliziert mit Wirkungsgrad) ergeben. Die möglichst korrekte Berechnung des Schubes ist wichtig, um den Steigwinkel und das Steigen mit der gewünschten Genauigkeit zu ermitteln. Hier zeigt die Rechnung, dass für das beste Steigen mit Motor nicht das beste Sinken, sondern das beste Gleiten als optimale Bedingung einzustellen ist. Natürlich wird man in der Praxis ferngesteuert meistens in unvermeidbaren „Wellenbewegungen“ aufsteigen und damit nicht diese optimale Bedingung dauernd beibehalten können. Deshalb wird das tatsächliche Steigen normalerweise immer schlechter sein, was auch der Vergleich zwischen Simulation und Messungen zeigt.

Wegen der Wichtigkeit der Steigdaten des Motors wurden diese auch noch aus der Energiebilanz berechnet und zum Vergleich gegenüber gestellt. Unterschiede gibt es insbesondere bei niedrigen CAF- Zahlen, also bei höheren Geschwindigkeiten. Der Vergleich mit den gemessenen Daten zeigt, dass die Ergebnisse des Motorsteigens berechnet aus Schub und Steigwinkel wesentlich besser die Messungen wiederspiegeln als die Berechnungen aus der Energiebilanz, die optimistischer sind.

Die Motorlaufzeit wird aus dem statischen Strom als schlechtestem Fall (worst case) geschätzt. Sobald das Modell sich vorwärts bewegt, wird der Strom etwas sinken. Wie viel, wird in der Spalte über den dynamischen Strom bei den verschiedenen Fluggeschwindigkeiten gezeigt, was ein Mehr an Information bringt. Dieses Absinken des Stromes trotz gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl zeigen auch die UniLog-Messungen für den 14x6 Propeller des Volcano. In den Spalten daneben sind auch der geforderte Schub für ein bestimmtes Steigen und der tatsächlich vorhandene dynamische Schub (immer geringer als der statische Schub) berechnet. Daraus wird das zu erwartende maximale Steigen beim besten Steigwinkel verglichen und angegeben. Zusätzlich wird auch ermittelt, wie viel Schub für ein vertikales Steigen von fünf Meter/Sekunde, beziehungsweise 15 Meter/Sekunde benötigt wird. Wie schon bemerkt, möchte dies mancher Modellflieger wissen, da es ihm erlaubt, das Modell aus kritischen Fluglagen über Vollgas des Motors zu retten.

Abschließend wird noch ermittelt, für wie viele Höhenmeter eine Akkuladung bei der eingegebenen Kapazität ausreicht und wie lange die maximale Flugzeit ist, die sich bei geringstem Sinken ohne Thermikeinfluss ergibt. Der Nutzungsgrad des Lipos im Modell wird wegen der hohen Ströme nur zu 70 Prozent angenommen und kann falls notwendig geändert werden. Die Bilder 13 bis 15 zeigen diese Daten für alle drei Modelle.

Neben Steigung und Größe hat die Form des Propellers und hier insbesondere die Propellerblatttiefe einen großen Einfluss auf den zur Verfügung stehenden Schub. Deshalb ist alleine die Eingabe von Durchmesser und Steigung leider nicht zur Berechnung genügend genauer Ergebnisse ausreichend. Bei Ausmessung der gängigen Propellerausführungen der Marktführer Aeronaut und Graupner hat sich gezeigt, dass die mittlere Blatttiefe aus dem Durchmesser des Propellers extrapoliert werden kann und deshalb auch hier Anwendung findet, um die Fehlerquote bei der Eingabe des Propellers einzuschränken. Deshalb wurde es notwendig zusätzlich Korrekturfaktoren einzuführen: Blatttiefe schmal (Faktor 7,7) oder breit (Faktor 5,6). Mit Hilfe dieser Faktoren wird nicht nur der Schub besser abgeschätzt, sondern können auch eventuell vorhandene (oder später ermittelte tatsächliche) Schubmessungen in einfacher und nachvollziehbarer Weise noch nachträglich mit in die Berechnungen einbezogen, das heißt gefittet werden.

In der graphischen Darstellung der Bilder 16 bis 18 bedeutet das Vorhandensein eines grünen, vertikalen Balkens bei einem Steigwinkel von 90 Grad, dass vertikales Steigen gegeben ist. Die Höhe schätzt das senkrechte Steigen, bezogen auf die linke, blaue Skala, ab. Hier sei nochmals klar vermerkt, dass das vertikale Steigen in aller Regel nicht den höchsten Wirkungsgrad und damit das beste Steigen bedeutet. Die blaue Kurve zeigt das Motorsteigen (vertikale, blaue, linke Skalierung) über dem zugehörigen Steigwinkel (horizontale, blaue Skalierung). Dazu ist die rote Kurve für den berechneten geforderten Propellerschub des Antriebes entsprechend der vertikalen, roten, rechten Skalierung über den zugehörigen Steigwinkel in Beziehung zu setzen. Der dicke, blaue, horizontale Balken ist die beste Arbeitsbedingung des Antriebs mit dem zu erwartenden Motorsteigen bei dem angegebenen Steigwinkel. Für die Berechnungen der Kurven liegt immer die Vorwärtsgeschwindigkeit des besten Gleitens zu Grunde. Die horizontale rote Linie ist der maximal vorhandene, das heißt statische Propellerschub. Für den „Volcano“ zum Beispiel zeigen alle Daten, dass das senkrechte Steigen bei etwa fünf Meter/Sekunde gegeben ist, jedoch das Steigen unter einem Winkel von etwa 85 Grad ein besseres Steigen von über zehn Meter/ Sekunde verspricht. Kommen wir nun zu den gemessenen Ergebnissen für die drei verschiedenen Modelle, beziehungsweise der Art der Messungen:

Leistungsmessungen an Flugmodellen sind aufwändig, da die äußeren Einflüsse nicht über Zeit und Ort konstant und damit nicht vorhersehbar sind. Zusätzlich hat die dritte Dimension, die Höhe, einen kaum perfekt zu steuernden und damit kaum einheitlich zu kontrollierenden Einfluss. Deshalb wurden für jedes Modell mehrere Messungen pro Tag an verschiedenen Tagen und damit unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Über die Statistik sind dann die Mess- und Steuerfehler auszumitteln. Hier hat der Simulator erhebliche Vorteile, denn wenn er einmal über kritische Eckpunkte abgeprüft ist, kann er schnell am Schreibtisch neue Daten bei immer gleichen idealen Bedingungen mit ganz neuen Einblicken bei verhältnismäßig geringem Aufwand liefern, insbesondere wenn man die Möglichkeit hat, die Software je nach Notwendigkeit zu optimieren.

Die Messungen wurden, wie schon erwähnt, mit Geräten gemacht, die käuflich zur Verfügung stehen, vielfach erprobt und allgemein akzeptiert sind:

- Messung des Sinkens aus verschiedenen Höhen und an verschiedenen Tagen meistens morgens oder abends mit dem Höhenmesser UniLog. Dabei wurde nach sorgfältiger Einstellung des Schwerpunktes ein eigenstabiler Flug angestrebt, um so mit möglichst sparsamen Steuerbewegungen auszukommen. Es wurde zwischen Geradeaus- und Kreisflug soweit möglich unterschieden.

- Messung (UniLog) der Spannung, des Stroms, der Drehzahl des Motors und der Höhenänderung beim Steigen mit dem ausgewählten Propeller. Der Simulator erwartet fünf Datensätze und wählt dann den passenden automatisch über die Lipo-Spannung unter Last von 3,6 Volt pro Zelle und damit von 7,2 Volt für 2s, 10,8 Volt für 3s und 14,4 Volt für 4s aus.

- Messung des Standschubs für die gesamte Antriebskonfiguration. Diese Messung wird zum Quer-checken verwendet. Ein Clubkollege stellte seine Messapparatur zur Verfügung. Vielen Dank!

Zur Darstellung wurde die UniLog-Software, aber auch LogView verwendet. „Logview2“ erlaubt Zahlenwerte aus der graphischen Darstellung über die Einblendung von Messpunkten zu extrahieren. Die graphische Darstellung und Einblendung einer Geraden-Steigung mit dem Sink- oder Steigwert lässt besser als Zahlenkolonnen erkennen, ob ein thermischer Auf- oder Abwind die Messdaten verfälscht hat oder nicht.

Und über die Ergebnisse der Messungen wird abschließend in der nächsten Ausgabe von AUFWIND berichtet.

Dieter Ströhle


Bild 13: Die wichtigsten Antriebsdaten des „Float“ in der Übersicht inklusive Horizontal- und Vertikalflug


Bild 14: Wie Bild 13, aber für den „Dragon“


Bild 15: Wie Bild 13, aber für den „Volcano“


Bild 16: Graphische Darstellung des Antriebs mit Schub- und Steigwerten für den „Float“. Ein grüner senkrechter Balken zeigt die Möglichkeit des senkrechten Steigens. Senkrechtes Steigen ist nicht die effizienteste Art des Motorsteigens sondern das Steigen beim besten Gleiten unter einem Steigwinkel, der sich aus dem Motorschub ergibt


Bild 17: Wie Bild 16, aber für den „Dragon“


Bild 18: Wie Bild 16, aber für den „Volcano“


Tabelle 2: Die wichtigsten Leistungsparameter für das Flugzeug, ermittelt mit dem Simulator für alle drei Modelle.


Tabelle 3: Die wichtigsten Leistungsparameter für den Antrieb, ermittelt mit Simulator, UniLog und anderen vorhandenen Messinstrumenten im Vergleich. Die Messung des „Volcano“ ist durch zu großen Sturz, der später deutlich reduziert wurde, zu niedrig.



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Diesen Beitrag und noch viel mehr finden Sie in AUFWIND Ausgabe 1/2011

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