Optimierungen Iterativ

Die Stabilitätsanalyse hat gezeigt, dass die Leitwerksgrösse bei der gewählten Leitwerksträgerlänge verringert werden kann, um nach wie vor die gewünschte Stabilität s = 8% zu erreichen.

Die Details zum Vergleich der unterschiedlichen Leitwerke sind auf einer separaten Seite dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Die Performance des Modells kann durch die Verkleinerung des Leitwerks auf ein Verhältnis der projizierten Flächen des Flügels zum Leitwerk von ca. 1:10 sowohl für den optimalen Gleitflug, wie auch für das geringste Sinken optimiert werden. Entsprechend wird dadurch die Trimm-Geschwindigkeit v_Trimm erhöht und gleichzeitig die Stabilität s (wie ursprünglich angestrebt) reduziert.

Die Reduktion der Momente cm bei höheren Fluggeschwindigkeiten v_x oberhalb der Trimm-Geschwindigkeit v_Trimm hilft auch hier der Reduktion des Rudereinsatzes.

2. Unterschiedliche Anstellwinkel und EWD

Entsprechend wird ein Versuch mit anderen Anstellwinkeln a_i für Flügel und Leitwerk bzw. für eine veränderte EWD gemacht. Hier soll der Einfluss der Anstellwinkel a auf die unterschiedlichen Parameter beurteilt werden.

Die Details zur Anstellwinkel- bzw. EWD- Analyse sind in einer separaten Seite dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Die Einstellwinkel von Flügela_iF = 0.5°und Leitwerk ai_HLW = 0° zum Rumpf, wie sie in der Auslegung gewählt worden, und werden so beibehalten. Damit ist bei geringem Widerstand die gewünschte Stabilität aus der Auslegung erreicht und die Momente bei höheren Geschwindigkeiten lassen sich durch minimalsten Rudereinsatz kompensieren. Die Rumpfachse oberhalb der Horizontalfluggeschwindigkeit von v_x = 14.4 m/s leicht mit der Nase nach unten geneigt. - Bei langsameren Flugbewegung sieht es halt dann so aus als würde der Schanz etwas hängen:-)

3. Ballastierung zur Erhöhung der Flächenbelastung

Mit der Erhöhung des Modellgewichts m bzw. g wird auch entsprechend die Flächenbelastung erhöht. Damit wird die Fluggeschwindigkeit v_x, der Durchzug des Modells und damit wird auch die Richtungsstabilität s deutlich verbessert. Nun soll untersucht werden, welchen Einfluss eine möglich Ballastierung in dafür vorgesehenen Ballastkammern auf die Leistungsperformance des Modells haben.

Die Details zur Ballastierung sind detailliert dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Der Einfluss vom Ballast wirkt sich positiv auf das optimale Gleiten aus, während das minimale Sinken nur marginal schlechter wird. Aus Performance-Gründen sollten die Schwerpunktpositionen eher ans hintere Ende der möglichen Skala verlegt werden. Entsprechend sind die Ballastierungspositionen entsprechend dem gewünschten Gewicht bzw. der Flächenbelastung anzupassen.

Vergleich vom Modell mit dem kleinern Leitwerk gegenüber dem vereinfachten Analysemodell zeigt, dass die Leistung bei Trimm-Geschwindigkeit v_Trimm beim Modell mit dem kleinern Leitwerk, bei der gewählten Schwerpunktlage kleiner ausfallen. Da die Ballaststücke von der Geometrie her auf den Flächenverbinder dimensioniert wurde, ist hier die Auslegung des vereinfachten Analysemodells zu bevorzugen.

4. Verwölben der Flächen

Das Modell ist ausgelegt mit Wölb- und Querruder. Entsprechend lassen sich damit die Flächen verwölben, um die Profile der Fluggeschwindigkeit v_x entsprechend anpassen zu können. Für den Langsamflug wird entsprechend positiv gewölbt und im Langsamflug gegebenenfalls negativ. Dabei kann es notwendig sein, dass für den Momentenausgleich ein Ausschlag des Höhenruders erforderlich wird.

Die Details zur Analyse mit verwölbten Flächen sind ausführlich dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Das positive, wie auch das negative Wölben des Profils ermöglichen es die Fluggeschwindigkeit v_x des Modells im Bereich von 9 - 17 m/s anzupassen, dass das Widerstandsverhalten c_w im entsprechenden Auftriebsbereich c_a optimiert werden. Damit können die Leistungswerte v_z, E im Langsamflug deutlich verbessert werden, während die Geschwindigkeitszunahme bei negativer Wölbung nur geringfügig erhöht werden kann.

5. Unterschiedliche Flugphasen

Aus der Zielsetzung wurden die vorgeschlagenen Auftriebswerten c_a übernommen und unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Ergebnisse der Flächenverwölbung sollen nun die optimalen Betriebspunkte ermittelt werden.

Die Details zu den Flugphasen sind dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Das RG15 Profil ist kein typisches Wölbklappenprofil. Man kann durch positives Wölben von ca. 4° in einem engen Geschwindigkeitsbereich die Performance erhöhen.

Das Entwölben um -1° steigert die Effizienz des Modells durch Verringerung des Widerstandes ab Geschwindigkeiten von 14.5 m/s.

Daher sind hier für die optimale Nutzung die drei Flugphasen "Thermik", "Strecke" und "Speed" ausreichend.

6. Vergleichsanalyse mit Referenzmodell

Da wenig Erfahrung in der Beurteilung der Analyse vorliegt, wird das Modell mit einem Referenzmodell mit optimaler elliptischer Auslegung von Fläche und und Leitwerk analysiert im Langsamflug. Gegebenenfalls wird auch ein einfaches Modell mit einem Zweifachtrapezflügel verglichen für hohe Geschwindigkeiten.

Die Details zu den Referenzmodell-Vergleichen sind in einer separaten Seite ausführlich dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Die Performance des elliptischen Referenzmodells ist erkennbar besser, als beim Auslegungsmodell bzw. auch dem Modell mit dem verkleinerten Leitwerk. Leider ist durch die grössere Flächenbelastung beim elliptischen Referenzmodell auch die Trimm-Geschwindigkeit v_Trimm höher. Hierbei zeigen sich die Leistungsvorteile nicht mehr so deutlich im Vergleich zum Auslegungsmodell.

Entsprechend kann gesagt werden, dass das elliptischen Referenzmodell nur dann die Leistungsvorteile ausnutzen kann, wenn es entsprechend langsam geflogen wird. Ansonsten sind vor allem die Widerstände an den Flügel- und Leitwerks-Spitzen zu reduzieren, welche die Leistung des Modells im Schnellflug am stärksten beeinträchtigen.

7. Unterschiedliche Profile

Ursprünglich sollte das Modell entweder mit einem RG15 oder einem HQ-DS 1.75/8 ausgelegt werden. Die ersten Analysen haben deutliche Vorteile des RG15 gegenüber dem HQ-DS-Profil aufgezeigt. Insbesondere für tiefe und mittlere Re-Zahlbereiche. Unabhängig von dieser Erkenntnisse sollen nun basierend auf den gewonnen Erkenntnisse der Betriebspunkte mit dem RG15 noch die Profile:

HN-350, HN-1054 und das MH30 beurteilt werden für den Flügel. Beim Leitwerk soll das HT14 und das S8025 gegen das gewählte E485-7.53 verglichen werden.

Die Details zu den Profilvergleichen sind ausführlich dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Aus dem Performance-Vergleich der unterschiedlichen Profile geht hervor, dass durch die Wahl eines anderen Profils keine wesentliche Verbesserung des besten Gleitens oder der minimalen Sinkrate, des geringsten Sinkens oder Leistungswerte des Modell erreicht werden können. Wird jedoch die Profildicke reduziert, so kann ein merkliche Verbesserungen von bis zu 10% erreicht werden. Dies jedoch nur in einem nach Oben begrenzten Geschwindigkeitsbereich v_x bis ca. 20 m/s. Darüber fällt die Leistung gegenüber dem nativen RG15 wieder ab.

Eine Ausprägung der Flügelspitzen durch ein symmetrisches Profil verringert den induzierten Widerstand und damit auch den Gesamtwiderstand merklich und bringt alleine 2.5% Leistungssteigerung. Weitere 2.3% werden durch die Verjüngung der Flächendicke von 9.2% an der Wurzel auf 7.35% an der Flügelspitze erreicht.

Der Flügel soll nun ausgehend vom RG15 mit der oben beschrieben Profilanpassung aus der Excel-Liste umgesetzt werden.

8. Erhöhung der Spannweite

Die bisher durchgeführten Optimierungen brachten nur geringfügige Performance-Steigerungen. Daher interessiert an dieser Stelle, welche Verbesserung eine Erhöhung von ca. 10 % der Spannweite bewirkt.

Die Details zu den Spannweitenbetrachtung sind dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Die Untersuchung bestätigt grundsätzlich, dass mehr Spannweite s mehr Leistung bringt. Dazu müssen aber auch andere Geometrie-Veränderungen durchgeführt werden, damit diese Leistung sich auch im Betriebszustand auswirkt. Aktuell hätte eine Reduktion der Spannweite um 10% eine Leistungssteigerung von 12% beim gewählten Schwerpunkt zur Folge. Auch hierzu müsste zuerst wieder der Stabilitätseinfluss beurteilt werden.

Aus diesen genannten Gründen wird aktuell keine Anpassung der Spannweite s durchgeführt, da dies eine eine Neuauslegung der Geometrie mit sich bringen würde.

9. Aufdicken der Endkante

Bisher wurden sämtliche Analysen mit idealen Profilen ausgeführt, welche an der Endkante auf 0 auslaufen. Leider ist dies mit der vorgesehenen Bautechnik nicht realisierbar. Deshalb werden die Profile so angepasst, dass sie für die Flügel auf 0.6 mm und beim Leitwerk auf 0.5 mm auslaufen.

Die Details zu den realen Profilen mit aufgedickten Endkanten sind dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Das Aufdicken der Endkante auf 0.6 mm hat in der Simulation nur wenig Einfluss auf die Leistung des Modells aufgezeigt. Die Fluggeschwindigkeit v_x wird durchschnittlich um 2.4% reduziert. Dadurch steigert sich die Leistung im Langsamflug gegenüber dem Referenzmodell. Bei Fluggeschwindigkeiten > 20 m/s sind die Leistungsreduktionen durch die aufgedickte Endkante zu Gunsten einer höheren Festigkeit zu vernachlässigen.

10. Berücksichtigung der Rumpfmodellierung

Bisher wurden sämtliche Analysen an vereinfachten Modellen ohne Rumpf durchgeführt. Mit den bisherigen Erkenntnissen wird nun auch der Rumpf und Weitere Elemente wie, RC-Komponenten oder Flügelholme in der Massenbetrachtung berücksichtigt.

Die Details zu den Analysen mit einem modellierten Rumpf sind dokumentiert. Nachfolgend sind die wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen aufgelistet:

Die Simulation des Rumpfes hat eine deutliche Reduktion der Performance von -12.6% zur Folge. Ebenso verändert sich die Schwerpunktposition x_s deutlich von ursprünglich x_s = 90 mm auf x_s = 75 mm unter Berücksichtigung des simulierten Rumpfes. Die störenden Wirbel zeigen sich deutlich bei hohen Anstellwinkeln. Hier zeigt sich dann auch der Vorteil des gewählten V-Leitwerks, welches sich nur wenig stören lässt.

11. Optimiertes Modell

In dieser Analyse werden noch einmal alle individuell beurteilten Optimierungspotentiale aufgenommen um eine möglichst gute Auslegung zu erzielen. Abweichend zur individuellen Analyse kann hier ein Entscheid bedingt durch eine zu geringe Wirkung nicht berücksichtigt werden in der fertigen Auslegung.

Die Details aus der Analyse des optimierten Modells werden in einer separaten Seite zusammengefasst und zuletzt noch einmal mit dem FLZ-Vortexmodell verglichen.

Schlussfolgerung

1. Der Vergleich mit dem kleineren Leitwerk zeigte absolut gesehen eine geringfügige Leistungssteigerung . Dafür wird aber die Stabilität reduziert. - entsprechend wird dieser Ansatz vorerst nicht umgesetzt.

2. Die Einstellwinkel von Flügel α_iF = 0.5° und Leitwerk a_iHLW = 0° wurden überprüft und für gut befunden, so dass die Rumpfachse bei Trimmgeschwindigkeit leicht mit der Nase nach unten zeigt.

3. Die Ballastierung erhöht die Performance deutlich, - nicht zu vergessen: der Auftrieb muss entsprechend auch zuerst erbracht werden :-). Mit der Ballastierung kann vor allem der Geschwindigkeitsbereich von 14 - 30 m/s erhöht werden.

4. Das Verwölben der Flächen erhöht ebenso das Geschwindigkeitsspektrum, sowohl nach Oben wie auch nach unten von 8 - 20 m/s

5. Die Flugphasen sind voreingestellte bereiche der Flügelwölbung für Thermik +4°, Strecke 0° und für Speed -1° damit lässt sich der Geschwindigkeitsbereich für gewölbte Flächen ideal ausnützen. Optimiert wurde das Modell gemäss der statistischen Analysen von Mathieux Scherrer auf minimalen Widerstand zwischen C_A = 0.1.. 0.6 als Haupteinsatzbereich gilt C_A = 0.25

6. Der Vergleich mit dem elliptischen Referenzmodell hat aufgezeigt, dass die Auslegung von Luzi 2 grundsätzlich gut ist. Die Leistungen fallen jedoch geringer aus als beim elliptischen Flügel. Insbesondere die induzierten Widerstände an den Flügelenden stören.

7. Der Vergleich mit unterschiedlichen Profilen hat hervorgebracht, dass am RG15 festgehalten wird, aber eine lineare Profilverjüngung gegen die Flügelspitzen erfolgt von 8.92 auf 7.35% und zuletzt in ein vollsymmetrisches Profil übergeht, um die induzierten Widerstände zu reduzieren.

8. Der Vergleich unterschiedlicher Spannweiten, bestätigt die grundsätzliche Aussage, dass eine Grösser Spannweite zu mehr Leistung führt. Leider muss hierzu aber die Gesamtauslegung des Modells angepasst werden - daher wird aktuell keine Vergrösserung der Spannweite in Betracht gezogen

9. Das Aufdicken der Endkante kann Aufgrund der der Festigkeitsgewinne vernachlässigt werden. Bei langsamen Fluggeschwindigkeiten erweist sich die Geschwindigkeitsreduktion von ca. 2.4% positiv auf die Flugleistung des Modells aus.