TECHNIK

Microraptor fliegt!

Saurierforschung tifft RC-Modellbau


Das Modell im Labor, eine Skulptur aus Ton und Federn, diente als Vorlage für das erste Schaummodell.

Mein Kollege Larry Martin rief mich an mit der Bitte, ich möchte ein Modell eines sehr seltsamen ­­– bereits ausgestorbenen – Flugtieres begutachten. Er sagte, diese Kreatur schien sowohl Vorder- als auch Hinterbeine als Flügel eingesetzt zu haben. Larry wollte mit mir verschiedene Anwendungen dieser Flügelanordnung besprechen.

Als Paläontologe der Universität in Kansas hat Professor Larry Martin vielerlei ausgestorbene Tiere studiert, von Säbelzahn-Tigern bis hin zu den ersten Urvögeln. Er ist öfter nach China gereist, um die sehr gut erhaltenen Fossilien der berühmten Liaoning-Formation zu erforschen. Diese enthält eine Vielzahl von Tieren, so auch gefiederte Dinosaurier und primitive Urvögel. Eines davon sieht wie ein kleiner Dinosaurier aus, hat aber lange Federn an den Vorder- und Hinterbeinen. Dieses Tier wird „Microraptor“ genannt.

Ich studiere Biomechanik des Fluges der noch vorkommenden Tiere, aber ich verfolge auch die Arbeit anderer Wissenschaftler, die sich mit der Evolution des Fluges befassen. Daher nahm ich Larrys Einladung gerne an und dachte, dass das wohl an einem oder zwei Nachmittagen erledigt sein würde. Keine Ahnung hatte ich jedoch, dass meine zehn Jahre Erfahrung mit RC-Modellen benötigt werden könnten.

In Larrys Labor angekommen, sah ich dann das Modell. Diese Skulptur aus Ton und Federn sollte als Vorlage dienen, um ein Schaummodell herzustellen. Sinn des Modells war es zu erforschen, ob so ein Tier mit Hilfe seiner gefiederten Gliedmaßen hätte gleiten können. Da noch nie jemand einen viergeflügelten Vogel hat fliegen sehen, wollte Larrys Team meinen Rat einholen, wie man diese vier Flügel aerodynamisch richtig anordnen könnte; innerhalb der Grenzen der Anatomie des Tieres natürlich.

Obwohl das vordere Flügelpaar sehr nach Vogel aussah, sagten mir die Paläontologen, dass die Flugmuskeln zu schwach ausgebildet waren für einen Kraftflug und das Tier wohl ein Gleiter war. Das vereinfachte das Studium des Flugverhaltens. Aufgrund des Aussehens der Federn an den Hinterbeinen schlug ich vor, die Beine und Pfoten so zu positionieren, dass die Federn gerade zur Seite abstehen. Ansonsten fand ich die Skulptur in Ordnung. Larry und sein Team konnten mit dem Formenbau beginnen. Sie fertigten je eine Form pro Flügel, für den Körper, den Kopf, und den Schwanz. Sie schäumten diese Formen mit PU-Schaum aus und klebten die so erhaltenen Teile zusammen. Interessanterweise verwendeten sie dazu einen Sekundenkleber, der speziell zum Gießen von Skeletten und echt ausseh- enden Tiermodellen hergestellt wird. Sie kaufen das Zeug in Riesenmengen ein.

Unsere Kollegen in der Raum- und Luftfahrtabteilung schlugen Handstarts statt Versuche im Windtunnel vor, da sorgfältig durchgeführte Probeflüge ähnliche Daten liefern und der Windtunnel bei so niedrigen Geschwindigkeiten nicht funktioniert. Also gingen wir an einem windstillen Tag mit dem Schaummodell an einen kleinen Hang im Unigelände, um dort den ersten Probeflug zu absolvieren. Da ich Modellflugerfahrung hatte, war der erste Start meine Aufgabe. Dieser brachte einen überraschend guten Gleitflug zustande, war aber auch der einzig gute für viele Monate. Nachdem wir fast ein Jahr mit Modifikationen und dem Warten auf windstille Tage verbracht hatten, merkten wir endlich, dass die von Hand geformten Flügel ein nicht ausreichend symmetrisches Modell lieferten. Profilwölbung, Einstellwinkel und Profildicke der linken und rechten Flügel waren verschieden genug, um unberechenbares Flugverhalten auszulösen. Daher schlug ich vor, ein Modell nach bewährten Modellflugmethoden zu bauen. Weitere Vorteile wären, dass man die Flügel mit Gummibändern befestigen könnte, wodurch das Modell weniger schadensanfällig würde. Auch könn-te man so verschiedene Flügelanordnungen versuchen.

Ich habe Dutzende Balsamodelle aus Baukästen und nach Plänen gebaut, aber ich hatte noch nie eine Eigenkonstruktion in Angriff genommen. Glücklicherweise hatte ich das Schaummodell um die Umrisse hinzukriegen. Da das Fossil platt war und kein Profil erkennen ließ, übernahm ich die Profile von Taubenflügeln, wie sie der deutsche Wissenschaftler Werner Nachtigall in den 70-er Jahren erarbeitet hatte. Ich vergrößerte die Rippen damit sie zu unserem Modell passten. Als die Flügelpläne komplett waren, ging's los mit der Balsaschneiderei.

Ich baute die Vorderflügel zuerst, da sie einen einfacheren Nasenleistenverlauf hatten und leicht zusammenzukleben waren. Ungefähr 60 Prozent der Spannweite von der Wurzel Richtung Spitze besteht aus Holm und Rippen. Die äußeren 40 Prozent sind ein profilgeformtes Balsabrett, wie auch die hinteren drei Zentimeter des Innenteils, wo das lebende Tier wohl nur eine Lage Federn hatte. So steckte ich die Teile der Nasenleiste und das Endleistenbrettchen auf das Baubrett, passte die Rippen ein und klebte das alles zusammen. Dann bemerkte ich, dass ich den Holm vergessen hatte. Also klebte ich einfach Balsa-Füllstücke zwischen die Rippen. Das Ganze wurde dann von unten mit Kohlerovings verstärkt – mein „Holm“ war damit komplett – Glücklicherweise ist die Flächenbelastung dieses Modells sehr gering.

Das Balsabrett für das Flügelaußenteil weichte ich in Wasser ein und bog es über Rippen, die nach den Daten von Werner Nachtigall hergestellt wurden. Nach dem Trocknen schnitt ich die Rippen so gut es ging weg und klebte das Teil an den Rippenflügel. Dann klebte ich die Flügelhälften auf konventionelle Weise zusammen. Ich baute drei Grad V-Form ein, verschliff alles passend und verstärkte den Flügel in der Mitte.

Der hintere Flügel war schon schwieriger: Erstens hatte er einen scharfen Knick in der Nasenleiste am Fußgelenk, zweitens eine negative V-Form. Von der Gestaltung der Hüfte her wussten wir, dass der „Microraptor“ seine Hinterbeine zwar seitlich abspreizen konnte, sie aber nur bis 20 Grad unter der Horizontalen anheben konnte. Das hieß, unser Flügel musste 20 Grad negative V-Form aufweisen. Für diesen Flügel wandte ich die gleiche Bauweise an wie für den vorderen Flügel. Allerdings schnitt ich dieses Mal Aussparungen in die Rippen, um einen Holm einpassen zu können. Auch die Endleiste wurde mit Aussparungen versehen, in die die Rippen eingreifen konnten. Ich baute zwei hintere Flügel: Beim ersten habe ich die Flügelenden etwa 20 Grad nach oben abgewinkelt, damit diese fast horizontal waren, beim zweiten behielten auch die Enden die negative V-Form bei.

Das Zusammenkleben der Flügel war wegen der starken V-Form etwas aufwändiger: Zunächst baute ich eine pyramidenförmige Helling aus Styropor. Auf diese wurden die Flügelhälften gelegt, die Passung angezeichnet, wieder abgenommen und etwas zugeschliffen. Diesen Vorgang wiederholte ich, bis Nasen- und Endleisten und der Holm mit allen richtigen Winkeln zusammenpassten. Dann wurden die Hälften auf der Helling befestigt, zusammengeklebt und mittig verstärkt. Da das Ganze mechanisch etwas labil aussah, füllte ich den Mittelteil an der Klebestelle mit Vollbalsa, das ich entsprechend der Kontur anformte. Die rohbaufertigen Flügel wurden nun mit „Oracover Light“ bespannt.

Im Gegensatz zum lebensähnlichen Körpermodell habe ich den Rumpf etwas vereinfacht. Die Draufsicht des Körpers sägte ich aus Flugzeugsperrholz aus, an das dann die Flügel angepasst wurden. Den Rest des Körpers formte ich aus Styropor und klebte ihn von unten an die Sperrholzfläche an. Der angeformte „Hals“ war lang genug, um etwa in der Mitte des „Kopfes“ Trimmblei beigeben zu können. Auch hinten raus ging eine Verlängerung, an der man den Schwanz so befestigen konnte, dass er auf Höhe und Tiefe verstellbar war.

Der Schwanz wurde einfach aus einem Kohlefaserrohr mit dreieckigen Balsabrettchen aufgebaut. Diese Stücke sahen etwa wie Schwanzfedern aus. Das Rohr wurde einfach in das schwenkbare Hinterteil des Körpers gesteckt. Es passte stramm genug, dass es nicht eingeklebt werden musste. Der schwenk- bare Schwanz ließ eine Verstellung des Einstellwinkels zu.

Aber wo ist denn jetzt der Schwerpunkt eines solchen Tandemflüglers? Ich forschte nach und fand heraus, dass für so eine Konfiguration mit etwa gleich- großen Vorder- und Hinterflügeln der aerodynamische Mittelpunkt mittig zwischen den Vierteltiefen der Flügel ist. Also habe ich dort mit dem Schwerpunkt angefangen. Unsere Flügel waren zwar nicht identisch, aber doch ähnlich genug, sodass dies ein brauchbarer Schwerpunkt zu werden versprach.

Nach den Erfahrungen mit dem Schaummodell wussten wir, dass das Warten auf windstille Tage wenig Sinn gibt – in Kansas ist es fast immer windig! Obendrein waren meine Handstarts nicht gleichmäßig genug, egal wie sehr ich mich bemühte. Daher beschlossen wir einen Startapparat zu bauen und nach einer Halle für die Flugerprobung zu suchen. Das Startgestell bauten wir aus PVC-Rohren und einer Holzwippe, die unter den Längsschienen in Nähe des Bodens angebracht wurde. Dann fragten wir bei der Sportabteilung der Universität nach und erhielten die Erlaubnis eine große Sporthalle zu benutzen. Wir besorgten uns zwei fast vier Meter hohe Standleitern, auf denen wir unser Katapult befestigten. Und dann haben wir an mehreren Abenden Videoaufnahmen von den Gleitflügen des Modells gemacht.

Von Anfang an machten wir uns Sorgen, dass die starke negative V-Form unstabilen Flug hervorrufen könnte. Deshalb bauen wir doch unsere Modellflugzeuge mit positiver V-Form, um stabile Fluglagen zu erzeugen, und eine negative V-Form kann das Gegenteil hervorrufen. Sicherheitshalber baute ich gleich zwei Paar Hinterflügel, einen davon mit hochgestellten Flügelenden, sodass die äußeren 40 Prozent des Hinterflügels in etwa horizontal ausgerichtet waren. Wir rechtfertigten das damit, dass sich die Schwungfedern der Vögel ja auch nach oben biegen. Auch bauten wir in den ersten Schwanz 20 Grad V-Form ein, um die negative V-Form des Hinterflügels vielleicht etwas auszugleichen.

Dann flog das Modell doch ziemlich eigenstabil. Nachdem wir den Schwerpunkt erflogen und den Schwanz auf null oder etwas positiven Einstellwinkel eingestellt hatten, erzielten wir immer wieder sehr gleichmäßige Gleitflüge. Diese waren stabil um die Querachse und nur geringfügig instabil um die Längs- und Hochachsen. Unsere späteren Tests mit den Flügeln mit negativer V-Form zeigten, dass diese die Flugstabilität nicht nachteilig zu beeinflussen schienen. Daraus leiteten wir ab, dass die Pfeilung des Hinterflügels und die Tatsache, dass der „Rumpf“ kaum unter und hinter den Hinterflügel herausragte, wohl den Einfluss der negativen V-Form so verminderte, dass er durch den hochgesetzten Vorderflügel mit seiner positiven V-Form komplett ausgeglichen wurde.

Was haben wir also aus unserem „Microraptor“-Modell gelernt? Erstens lernten wir, dass er ein eigenstabiler Gleiter hätte sein können, trotz der stark nach unten hängenden Hinterflügel. Diese Erkenntnis ist deshalb interessant, da moderne Vögel von heute ja unstabil sind und sich mit ständigen stabilisierenden Reflexen in der Luft halten, fast so wie das computergesteuerte System moderner Flugzeu-ge. Doch der „Microraptor“ war noch ziemlich primitiv und stand wohl am Anfang der Evolution des Fluges. Ihm fehlten wahrscheinlich diese stabilisierenden Reflexe und sein langer knochiger Schwanz mit Federn am Ende rechtfertigt diese Annahme. Die Schwanzfedern funktionierten eher, wie die eines Pfeiles und verliehen dem „Microraptor“ viel mehr Eigenstabilität als ein heutiger Vogel hat.

Zweitens lernten wir, dass der Tandemflügel durchaus eigenstabiles Gleiten erlaubt, selbst mit negativer V-Form im Hinterflügel. Auf Anregung anderer Wissenschaftler testeten wir auch einen viel kleineren Hinterflügel, der fast unter dem Vorderen angebracht war. Obwohl wir mit dieser Anordnung Gleitflüge durchführen konnten, mussten wir aus Schwerpunktgründen so viel Blei vorne zufügen, dass das Tier einen Kopf ganz aus Blei gebraucht hätte, um gleiten zu können.

Drittens lernten wir, dass der „Microraptor“ wohl ein guter aber kein ausgezeichneter Gleiter war. Die Auswertung unserer Videodaten ergab, dass der Gleitwinkel etwa 4:1 war. Im Vergleich zu modernen Segelflugzeugen ist das sehr wenig, aber wir müssen das auch mit Vögeln vergleichen: Greife und Geier haben Gleitwinkel zwischen 10:1 und 15:1, aber bei Singvögeln und Enten ist die Gleitleistung auch nur etwa 4:1. Obendrein haben gleitende Tiere der heutigen Zeit, wie zum Beispiel Flughörnchen und die südostasiatischen Flugechsen, Gleitwinkel kaum höher als 2:1. So gesehen war die Gleitleistung des „Microraptor“ gar nicht so schlecht, vor allem auch deshalb nicht, weil er wohl etwas stromlinienförmiger und daher vielleicht etwas besser als unser Modell war.

Da wir das Verhalten ausgestorbener Tiere weder durch Beobachtungen noch mit Experimenten erforschen können, müssen wir Wissenschaftler andere Wege finden. Von Fossilien wissen wir immerhin wie die Knochen zusammenpassen. Dieses Wissen ergänzen wir mit vertretbaren Annahmen, wie beispielsweise, dass gefiederte Gliedmaßen ähnliche Profile hatten wie die Vögel heute. Daraus ersehen wir dann ob unser Studienobjekt gleiten konnte, und wenn ja, wie gut. Unser Modell hat diese Fragen vollständig beantwortet.

David Alexander
Übersetzt von Dieter Mahlein




P.S.:
Weitere Informationen in englischer Sprache sowie ein kurzes Video sind unter www.features.ku.edu/microraptors/ einsehbar.


Der erste Start brachte einen überraschend guten Gleitflug zustande.


Der erste selbst gebaute Flügel des „Microraptor“ im Rohbau.


Der hintere Flügel wies einen scharfen Knick in der Nasenleiste und zudem eine negative V-Form auf.


Die Draufsicht des Körpers wurde aus Flugzeugsperrholz gesägt, an das dann die Flügel angepasst wurden.


In fast vier Metern Höhe wurde das Modell auf einem speziellen Katapult befestigt.


Auch einfache Handstarts wurden gemacht; immer von der knapp vier Meter hohen Leiter aus.


David Alexander studiert Biomechanik des Fluges der noch vorkommenden Tiere.



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