TECHNIK

Unter der Lupe

Der zickigen Diva auf den Zahn gefühlt



Die eigentlich sehr schöne "Ka-6cr" von Valenta erwies sich als zickige Diva (vgl. AUFWIND 2/2013)

In AUFWIND 2/2013 stellte Dietrich Lausberg die "Ka-6cr" von Valenta vor. Nach Plan eingestellt konnte ihn das Modell zunächst nicht begeistern. Erst nach einigem Tuning und ein paar Simulationsberechnungen wurde das Modell beherrschbar. Dennoch beschrieb er ein schwanzlastiges Verhalten. Was war geschehen?

Wie schon so oft zeigt sich auch hier wieder, dass die Auslegung eines Modells durchaus nicht trivial ist. Neben der zentralen Problematik der Flugstabilität - die wichtigste Eigenschaft eines jeden Flugzeugs - stellt sich schon während der Konstruktion immer die Frage nach der Optimierung. Freiheitsgrade sind - wenn man sich zunächst auf Scale- und Semi-Scale-Modelle konzentriert - die Wahl des Profils der Tragfläche oder auch ihre Verwindung und vor allem das Zusammenspiel von Fluglage, Einstellwinkeldifferenz (EWD) und Schwerpunkt. Nur allzu oft werden gerade die letzten drei Punkte unabhängig voneinander diskutiert. Und daraus resultieren viele Irrtümer und Fehlauslegungen, denn Fluglage, EWD und Schwerpunkt bilden zusammen den Arbeitspunkt des Modells. Und dieser ist verantwortlich für Steuerbarkeit und Flugleistung.

Bevor wir das Modell näher betrachten, sollten wir uns zunächst über die Funktionen der Freiheitsgrade klar werden. Wie schon erwähnt, arbeiten EWD und Schwerpunkt zusammen. Beide bestimmen, welche Fluglage, das heißt, welchen Winkel der Längsachse zur Horizontalen das Modell einnimmt. Diesen Winkel bezeichnet man als den Anstellwinkel. Der erfahrene Modellpilot weiß, dass sowohl eine Erhöhung der EWD wie auch eine Rücklage des Schwerpunkts zu einem höheren Anstellwinkel führt. Man kann also mit beiden Parametern den gleichen Einfluss nehmen. Doch sind beide Möglichkeiten wirklich gleichwertig?

Man beobachtet, dass, abhängig durch welchen der beiden Parameter man den Einstellwinkel verändert, sich ein zentraler Wert signifikant ändert: Die Flugstabilität. Sie ist ein Maß dafür, wie eigenstabil sich das Modell bewegt. Maßgeblich dafür ist der Abstand des Schwerpunkts vom sogenannten Neutralpunkt. Der Abstand zwischen Schwerpunkt und Neutralpunkt relativ zur mittleren Tragflächentiefe bildet den Wert der Stabilität. Er wird in Prozent angegeben. Befindet sich der Schwerpunkt im Neutralpunkt findet kein eigenständiges Rückkehren des Modells in die Normalfluglage mehr statt (vgl. Bild 1). Vergleicht man nun eine bestimmte gewünschte Änderung des Anstellwinkels - einmal erzeugt durch eine Rücklage des Schwerpunkts, das andere Mal durch Erhöhung der EWD - wird man im ersten Fall eine Verringerung, im zweiten jedoch sogar eine Erhöhung der Eigenstabilität sehen (vgl. Bild 2).

Das ist - zumindest bei der Schwerpunktrücklage - nicht weiter erstaunlich, denn eine Rücklage des Schwerpunkts wird ihn näher an den Neutralpunkt heran bringen und somit die Stabilität verringern. Mit Schwerpunktrückverlegungen sollte man also sehr vorsichtig umgehen. Fällt das Stabilitätsmaß unter zehn Prozent, ist das Modell bereits an der Grenze der praktikablen Stabilität, das heißt, es kehrt von alleine nicht mehr ausreichend genau in die Neutrallage zurück und fliegt in Folge lange sehr ineffizient. Ein zu großes Stabilitätsmaß hingegen macht das Modell schwer steuerbar. Es fliegt so eigenstabil, dass es auf das Höhenruder gering oder kaum noch reagiert. Erstrebenswert sind daher Beträge um 15 Prozent. Werte über 20 Prozent ähneln eher dem Flugverhalten eines Freiflugmodells. Werte deutlich unter zehn Prozent machen das Modell sehr unruhig um die Querachse.

Man findet jedoch noch einen zweiten Unterschied. Ist die EWD sehr hoch, so wird das Höhenleitwerk einen negativen Auftrieb zeigen. Das ist ungünstig, weil es durch diesen Abtrieb dem Auftrieb der Tragfläche entgegen wirkt und dabei noch einen induzierten Widerstand produziert. Dieser verstärkt das Sinken noch weiter. Eine zu hohe EWD beeinflusst die Gleitleistung des Modells also negativ. Hingegen kann eine zu kleine EDW zu einem hohen Auftrieb am Höhenleitwerk führen. Das ist grundsätzlich weniger schlimm, denn das Höhenleitwerk unterstützt dann den Auftrieb der Tragfläche. Jedoch besitzt ein Höhenleitwerk in der Regel eine recht geringe Streckung um Fünf bis Sechs und hat somit einen großen induzierten Widerstand.

Es gilt:

wobei cwi der induzierte Widerstand, ca der Auftriebsbeiwert, L die Streckung ist. Ein gering gestrecktes aber tragendes Höhenleitwerk erzeugt also einen nicht unerheblichen zusätzlichen Widerstand. Daher sollte der Auftrieb am Höhenleitwerk gering gehalten werden. Die optimale EWD liegt daher so, dass der Auftrieb am Höhenleitwerk zwar vorhanden ist, jedoch sehr gering ausfällt (ca < 0,1)

Kommen wir also zu den Untersuchungen an der "Ka-6cr": Nachdem nun die grundlegenden Kriterien für die Wahl einer Schwerpunkt- /EWD-Kombination bekannt sind, soll die "Ka-6cr" von Valenta daraufhin untersucht werden. Zunächst gilt es, die Empfehlungen des Herstellers zu prüfen. Sind diese sinnvoll, das heißt, ist der Anstellwinkel optimal fürs Gleiten? Ist das Stabilitätsmaß nicht zu gering, oder zu hoch? Wird das Höhenleitwerk richtig angeströmt? Im nächsten Schritt soll ein Verbesserungsvorschlag betrachtet werden, der sich am vorhandenen Modell leicht umsetzen lässt und abschließend wird untersucht, welche Modifikationen sinnvoll wären, um das Modell bei Beibehaltung der Geometrie zu optimieren.

Der Status Quo: Nach den Messungen von Dietrich Lausberg wurde das Modell ausgeliefert mit einer angeformten EWD von 3,2 Grad. Zusammen mit einer Schwerpunktlage von 56 bis 66 Millimetern nach Plan werden verschiedene Rechnungen mit FLZ_Vortex (www.flz-vortex.de) durchgeführt (vgl. Bild 3). Es zeigt sich, dass bei einem Schwerpunkt von 56 Millimetern zusammen mit der EWD von 3,2 Grad kein stabiler Flug möglich ist. Der Anstellwinkel liegt bei sieben Grad! Das Modell ist extrem schwanzlastig und Teile der Tragfläche fliegen bereits im Strömungsabriss.

Eine leichte Schwanzlastigkeit ist bei sehr vielen Modellen zu beobachten: Die weitaus meisten Modellhersteller sehen einen zu geringen Einstellwinkel der Tragflächen vor, was letztlich eine leicht schwanzlastige Trimmung erfordert, um in den Bereich einer guten Gleit- oder Sinkleistung zu kommen. Wie Dietrich Lausberg schon ganz richtig beschrieben hat, ist das Modell kaum bis gar nicht steuerbar.

Ein weiteres Zurücklegen des Schwerpunkts in Richtung 66 Millimeter ist indes gar nicht mehr möglich. Die simulierte Gleitzahl liegt in dieser Konfiguration zwar bei 18, dies ist aber nicht real, weil FLZ Vortex zunächst nur den für den jeweiligen Flugzustand nötigen Auftrieb berechnet. Nach einer Rechnung wird jedoch der nötige Auftrieb mit dem maximal möglichen verglichen. Wird dieser überschritten, folgt nach der Rechnung eine entsprechende Strömungsabrisswarnung. Der Gleitzahlwert ist also in diesem Flugzustand kein realer Wert. Diese Ausgangskonfiguration sollte man also verwerfen, so wie es Dietrich Lausberg auch getan hat.

Kommen wir zur Modifikation: Dietrich Lausberg beschrieb eine Verringerung der EWD auf 1,7 Grad und im ersten Schritt eine zusätzliche Vorverlegung des Schwerpunkts auf 45 Millimeter. Eine deutliche Änderung stellt sich ein! Das Modell wird nun erstmalig steuerbar und zudem merklich schnel- ler, aber die Gleitzahl leider auch deutlich schlechter. Das auf 14 Prozent gestiegene Stabilitätsmaß lässt jedoch noch ein agiles Fliegen zu. Ebenso liegt das Modell mit einem Anstellwinkel von mi- nus 2,8 Grad sehr viel flacher in der Luft. Ein sicher angenehmeres Flugbild - wenn auch der Flug selbst nicht allzu effizient ist. Die hohe Grundgeschwindigkeit und das starke Sinken reduzieren die Eignung des Modells fürs Thermikkreisen. Zudem erzeugt das Höhenleitwerk nun einen deutlichen Abtrieb (vgl. Bild 4)! Dies ist einer der Gründe für das hohe Sinken in dieser Konfiguration.

Im zweiten Schritt wurde der Schwerpunkt unter Beibehaltung der EWD auf 54 Millimeter zurückgenommen. Der Effekt ist durchschlagend: Obwohl das Höhenleitwerk noch immer einen geringen Abtrieb erzeugt, ist die Gleitzahl auf 15 gestiegen. Die Stabilität verringert sich jedoch weiter auf nunmehr neun Prozent und stellt damit sicher die unterste sinnvolle Grenze dar. Ein sehr positiver Aspekt ist jedoch vor allem das um 50 Prozent verringerte Sinken. Mit 0,77 Metern/Sekunde ist es zwar im-mer noch kein optimaler Wert, doch immerhin lässt sich damit schon die ein oder andere mittlere Thermik nutzen.

Doch was ist die optimale Lösung? Dietrich Lausberg plante nun, die EWD auf ein Grad zu reduzieren. Davon musste ich ihm abraten, denn damit würde sich das Modell wieder von den recht guten Flugleistungen der vorherigen Lösung deutlich entfernen. Zudem würde die Stabilität auf 7,5 Prozent sinken. Das Modell wäre dadurch sehr unruhig über die Querachse - sicher kein Vergnügen für den Piloten.

Dennoch ist das Optimum mit Lösung 2 noch nicht erreicht. Ein klein wenig lässt sich aus dem Konzept noch gewinnen. Akzeptiert man ein leicht schwanzlastiges Flugbild, so kann man durch weitere Rückverlegung des Schwerpunkts auf 57,5 Millimeter und moderater Reduktion der EWD auf 1,6 Grad durchaus noch etwas Gleitzahl gewinnen, vor allem aber das Sinken auf nunmehr 0,66 Meter/Sekunde weiter deutlich reduzieren. Ein weiterer Schritt wäre der Einsatz von Turbulatoren an der Tragfläche, um verlustreiche Laminarwirbel zu unterdrücken. Hierdurch gewinnt man nochmals weiter an Gleitleistung und nochmal zehn Prozent weniger Sinken - dies alles nun bei einer durchaus handhabbaren Stabilität von 12 Prozent. Doch damit ist das Konzept ohne starken Eingriff in die Tragflächengeometrie ausgereizt. Ein Leistungssegler wird aus diesem Modell nicht. Bei nur zwei Metern Spannweite ist dies auch nicht zu erwarten.

Das Grundproblem: Natürlich nur theoretischer Natur ist die Überlegung, wie das Modell bei Beibehaltung des Erscheinungsbilds hätte ausgelegt werden müssen, um eine grundsätzlich höhere Leistung zu erzielen. Ein auffälliges Merkmal der vorliegenden Konstruktion ist die extrem starke Verwindung der Tragflächen um je minus 4,2 Grad (vgl. Bild 5).

Der Sinn einer Verwindung ist, den Auftriebsanstieg der Außenflächen zu begrenzen, wichtiger jedoch ist, einen Strömungsabriss an den Außenflä- chen zu verzögern, denn in der Nähe des Maximalauftriebs wird dieser in Folge der Schränkung zuerst an den Innenflächen stattfinden. Als Folge kippt das Modell nicht über eine Seite ab, sondern beginnt lediglich einen Sackflug. Dies ist durchaus ein wünschenswertes Verhalten, wenn auch bei den meisten Auslegungen bedauerlicher Weise darauf wenig Rücksicht genommen wird. Eine Schränkung von minus 4,2 Grad indes ist so hoch, dass bereits das ca nach außen stark sinkt und in Folge wieder ein hoher induzierter Widerstand auftritt. Die Flugleistung wird dadurch sehr negativ beeinflusst, wenn auch das Ziel eines angenehmeren Abriss-Verhaltens durchaus erreicht wird (vgl. Bild 6).

Hier wäre weniger mehr. Zudem wird das mit 15 Prozent sehr dicke Profil bis zu den Flächenenden konstant gehalten. Wegen der starken Verjüngung der Flächen nach außen und der damit ver- bundenen Absenkung der Re-Zahl ist ein solch dickes Profil nicht hilfreich (Bild 7). Eine außen geringere Dicke, unter Beibehaltung der Wölbung, wäre eine bessere Lösung. Die Rechnung mit einer Verwindung von minus einem Grad und einer Reduktion der äußeren Profildicke auf zehn Prozent zeigt bereits Wirkung. Unter zusätzlicher Verwendung von Turbulatoren steigt die Gleitzahl auf 20, und das Sinken fällt unter 0,5 Meter/Sekunde - dies ebenfalls bei nur moderater Schwanzlastigkeit.

Ich erlaube mir zusammenzufassen: Die "Ka-6cr" von Valenta ist sicher ein hübsch anzusehendes Modell. Doch durch Ungeschicklichkeiten in der Auslegung, wie eine zu große EWD, eine viel zu hohe Schränkung und einen nicht angepassten Profilstrak bleibt es selbst optimiert hinter seinen Möglichkeiten zurück. In dem Zusammenhang muss man Dietrich Lausbergs systematische Flugversuche anerkennen. Er hat sich in den Grenzen der Möglichkeiten des Modells sehr nah an die optimale Konfiguration herangetastet. Viel mehr ist nicht herauszuholen. Da die Tragflächen auch in GFK-Technik aufgebaut sind, lässt sich an der starken Verwindung leider nichts mehr ändern.

Sehr negativ ist zu bemerken, dass die vom Hersteller angegebene größtmögliche Schwerpunktrücklage von 66 Millimetern zu einem vollkommen instabilen Flug führt. Selbst der angegebene Mindestschwerpunkt passt nicht. Diese Konfigurationen wurden so sicher nie getestet. Warum finden sie sich dann in der Beschreibung? Es ist sicher unbefriedigend, keine Angaben in der Bauanleitung oder Dokumentation zu finden. Unsinnige Angaben indes sind keine bessere Lösung.

Tobias Pfaff


Die Flugstabilität in Abhängigkeit des Abstands Schwerpunkt-Neutralpunkt


Verschiedene EWD-Schwerpunkt-Kombinationen führen zum selben Anstellwinkel - die jeweilige Stabilität unterscheidet sich jedoch


Mit dem Simulationsprogramm FLZ_Vortex lassen sich die Flugeigenschaften eines Modells leicht optimieren


Der Auftrieb am Höhenleitwerk zeigt nach unten - keine gute Lösung


Die Tragfläche der "Ka-6cr" ist stark verwunden


Auftriebsverteilung und induzierter Widerstand an der stark verwundenen Fläche der "Ka-6"


Die Re-Zahl-Abhängigkeit der HQ3,5-15 zeigt sich deutlich in einer ausgeprägten Laminarblase



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Diesen Beitrag und noch viel mehr finden Sie in AUFWIND Ausgabe 6/2013

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