Optimiertes Modell

1, 2, 3, 4 Vergleich mit angepassten Profilen

Damit eine Übersicht bei den simulierten Werten gegeben ist werden die Optimierungen schrittweise durchgeführt und nachfolgend aufbauend dokumentiert. Zuerst wird das ideale Modell gegen ein reales verglichen. Anschliessend erfolgt die Anpassung des Profils mit einer auf Widerstandsreduktion gelegter Optimierung.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(1) Vereinfachtes Modell (türkis; ohne Berücksichtigung des Rumpfes und mit ideal ausgelegten Profilen, welche auf 0 auslaufen. Es sind keine Massen des Modells bzw. Zusatzgewichte berücksichtigt.

(2) Komplettes Modell (rot; Berücksichtigung des Rumpfes, mit realen Profilen, welche auf 0.6 mm auslaufen. Hier wird das Profil RG15 gewählt mit einer Dicke von 8.92% über die gesamte Spannweite. Ebenso werden hier die Massen der RC-Komponenten berücksichtigt)

(3) Analoges Modell wie in 2. beschrieben jedoch ohne Berücksichtigung des Rumpfes (weiss)

(4) Komplettes Modell (grün - fett; Berücksichtigung des Rumpfes, mit realen Profilen, welche auf 0.6 mm auslaufen. Hier wird das Profil RG15 linear über die Spannweite von 8.92% an der Flächenwurzel auf 7.35% an den Flügelspitzen über die gesamte Spannweite. Ebenso werden hier die Massen der RC-Komponenten berücksichtigt)

(5) Komplettes Modell (rosa - dünn; Berücksichtigung des Rumpfes, mit idealen Profilen. Hier wird das Profil RG15 über die gesamte Spannweite angewendet. Ebenso werden hier die Massen der RC-Komponenten berücksichtigt)

Als erstes zeigt sich der Unterschied von vereinfachtem Modell (1) zum realen Modell (2), in dem die Geschwindigkeit v(Emax) beim realen Modell um 29 % auf 12.0 m/s erhöht wurde. Die Maximale Gleitzahl erhöht sich beim realen Modell (2) wahrscheinlich aufgrund von leichtem Tragen des Rumpfes um 4.4% auf 26.6. Deutlich fällt hier der Einbruch der Gleitzahlkurve ab einer Geschwindigkeit von > 18 m/s auf. Hier (2) zeigt sich ganz deutlich der Widerstand des Rumpfes in Kombination mit dem indizierten Widerstand ausgehend vom Rumpfübergang zum Flügel.

Auffällig ist in diesem Vergleich die Leistungssteigerung des Modells (3) im Vergleich zu Modell (1) zu sehen. Die absolute Leistung Emax = 29.9 vom profiloptimierten Modell (3) ist um 16.2 % höher als beim vereinfachten Modell (1). Leider wird die Gleitleistung unter den aktuellen Bedingungen aber nicht genutzt. Hierzu müsste die Geschwindigkeit vTrimm = 16.72 m/s reduziert werden und derjenigen von v(Emax) = 10.7 m/s angeglichen werden z.B. durch verschieben des Schwerpunktes xs nach hinten bzw. durch Reduktion  des Trimmgewichts, oder durch negatives ausschlagen der HLW-Klappen.

Die Anpassung des Modells wurde auch mit symmetrisch auslaufenden Profilen getestet. Problematisch hierbei ist jedoch der zu geringe Auftrieb der erzeugt wird . Daher wurde von diesem im Profilvergleich angestellten Optimierungspotential abgesehen und stattdessen die prozentuale Verjüngung des  RG15  angewendet.

1, 2, 3, 4 Vergleich RG15 mit RL1PY1x

Die Versuche mit den Re-Zahl-angepassten Profilen führte zur Betrachtung von Bubble-Ramp-Profilen und entsprechend zu einer detaillierteren Vergleich bezüglich der Leistung, welche hier nachgereicht wird. Die oben durchgeführten Vergleiche werden hier ergänzt, wobei das komplette Modell (20) als Referenz dient. Die Kurven wurden neu berechnet und zeigen daher geringfügige Abweichungen.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(21) Komplettes Modell (Blau- fett; Berücksichtigung des Rumpfes, mit idealen Profilen. Hier wird ein Profil RL1YP1-Strack gemäss der Beschreibung in den Bubble-ramp-Profilen über die Spannweite angewendet. Ebenso werden hier die Massen der RC-Komponenten berücksichtigt)

5. Optimierung der Trimmgeschwindigkeit

Die Überlegungen zur Schwerpunktverschiebung mittels Trimmgewichtsanpassung oder HLW-Ausschlag aus dem obigen Vergleich werden nachfolgend dargestellt. Dazu werden neue Modelle a) in der Simulation berücksichtigt, während die anderen Parameter gleich bleiben.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(7) Komplettes Modell (blau- gestrichelt; analoges Modell wie (4), bei dem das Trimmgewicht um 20 g reduziert ist und gleichzeitig die HLW-Klappen um +0.5° nach unten ausgeschlagen sind

(8) Komplettes Modell (violett- gestrichelt; analoges Modell wie (4), bei dem das Trimmgewicht um 20 g erhöht ist und gleichzeitig die HLW-Klappen um -0.5° nach oben ausgeschlagen sind

Als Referenz dient für diese Vergleich das komplette Modell (4). Zuerst wird dieses Modell mit dem Modell (5) mit nach oben ausgeschlagenen HLW-Klappen von -0.5° versucht, die Trimmgeschwindigkeit von vTrimm = 14.30 m/s um 30% auf 10.0 m/s zu reduzieren. Damit erhöht sich die Leistung des Modells in diesem Betriebspunkt um lediglich 1.4% auf eine Gleitzahl E =25.56.

Wird jedoch das Trimmgewicht um 7 g reduziert, siehe Modell (6), so verlagert sich der Schwerpunkt xs = 76.3 mm um 2.6%, während dem die Trimmgeschwindigkeit vTrimm = 11.68 m/s um 18.3% reduziert wurde und nun der optimalen Gleigteschwindigkeit v(Emax) = 11.67 m/s sehr nahe kommt und damit eine Gleitzahl von E = 26.70 erreicht, was in etwa dem Maximum entspricht.

Im Folgenden wurden noch zwei weitere Versuche unternommen die Trimmgeschwindigkeit zu reduzieren, bei denen gleichzeitig das Trimmgewicht  und ebenso die HLW-Klappenstellung  verändert wurde. Beim Versuch (7) wurde das Trimmgewicht um 20 g bzw. 19.6% reduziert auf 1342 g. Gleichzeitig wurde die HLW-Klappen um +0.5° nach unten ausgeschlagen. Diese Überlagerung reduziert die Trimmgeschwindigkeit vTrimm so stark, dass gar kein Nulldurchgang im Bereich des Drehmomentes realisiert werden konnte und damit die Fluglage nicht beeinflusst werden kann . - Instabiler Flugzustand!

Analog zu Modell (7) wurden die Werte in die andere Richtung getestet (8): Trimmgewicht um 20 g bzw. 19.6% erhöht auf 1382 g und gleichzeitig wurden die HLW-Klappen um -0.5° nach oben ausgeschlagen. Diese Konstellation reduziert die Trimmgeschwindigkeit vTrimm = 13.58 m/s um 5 %. Der Schwerpunkt xs = 68.9 mm verschiebt sich damit nach vorne um 7.4%. In diesem Zustand wird eine Gleitzahl von E =25.90 erreicht.

Aus diesen Beobachtungen leitet sich nun ab, dass eine kleine Trimmgewichtsanpassung dazu führt, dass das Modell bei optimalem Gleiten betrieben werden kann. Die Arbeit mit der Trimmung am Höhenruder scheint sehr empfindlich zu sein. Ein Ausschlag von 0.5 ° nach unten bewirkt bereits einen instabilen Flugzustand. Es kann aber auch gezeigt werden, dass mit kleinen Anpassungen die jeweilige Schwerpunktposition auf optimales Gleiten angepasst werden kann.

Dies soll im realen Betrieb den Vorzug gegenüber Schwerpunktverschiebungen erhalten.

6. Ballastierung

In diesem Vergleich wird das komplette Modell (4) gegenüber unterschiedlich ballastierte Modelle a). geprüft. Dazu wird der Ballast an den vorgesehenen Stellen berücksichtigt

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(11) Komplettes Modell (magenta; analoges Modell wie (4), ballastiert mit 6 x 190g an der Flügelposition 3 (96.5 mm))

(12) Komplettes Modell (magenta; analoges Modell wie (4), ballastiert mit 8 x 190g an der Flügelposition 3 (96.5 mm))

Die Verbesserung der Gleit-Performance von + 16.6 % bei Modell (11) bestätigt noch einmal deutlich, dass schwere Flieger hier im Vorteil sind, sofern der entsprechende Auftrieb vorhanden ist. Die Maxima sind noch nicht vollständig ausgereizt. Die Fluggeschwindigkeit könnte bei den Modellen (9), (10), (11) durch negativen bzw. beim Modell (12) durch positiven HLW-Ausschlag entsprechenden der optimalen Geschwindigkeit angepasst werden. 

5 Vergleich RG15 mit RL1PY1x

Die oben angesprochenen Vergleiche werden hier auch bei der Ballastierung fortgeführt, wobei das komplette Modell (20) als Referenz dient. Die Kurven wurden neu berechnet und zeigen daher geringfügige Abweichungen.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(23) Komplettes Modell ballastiert (xx; analoges Modell wie (21 - 

Profil RL1YP1-Strack), beladen mit 8 x 190g an den entsprechenden Flügelpositionen)

7. Negative Flächenwölbung (nach oben)

In diesem Vergleich wird das komplette Modell (4) gegenüber unterschiedlich gewölbten Modellen a). geprüft. Dazu werden die in der Wölbungsbeurteilung gefunden Klappenstellungen mit den an den Endkante aufgedickten Profilen beurteilt. Zuerst erfolgt die negativer Wölbung zur Reduzierung des Widerstandes bzw. zur Erhöhung der Grundgeschwindigkeit.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

Die negative Wölbung bringt keine Verbesserung der Performance. Im Speedflug, Modell (13) verbessert sich die Performance erst ab einer Geschwindigkeit von > 30 m/s. Entsprechend ist hier der Widerstand geringer, was sich auch in einer besseren Sinkflugleistung zeigt. Das optimale Gleiten wird aber nicht wesentlich besser in dieser Stellung. Die Trimmgeschwindigkeit kann durch positive des HLW mit einer Wölbung 0.5° von 14.30 m/s auf 10.68 m/s reduziert werden. Damit steigt die Performance des Modells.

7. Positive Flächenwölbung (nach unten)

In diesem Vergleich wird das komplette Modell (4) gegenüber unterschiedlich gewölbten Modellen a). geprüft. Dazu werden die in der Wölbungsbeurteilung gefunden Klappenstellungen mit den an den Endkante aufgedickten Profilen beurteilt. Das positiv gewölbte Modell kann zwar noch langsamer geflogen werden als das ungewölbte Modell (4), zeigt jedoch ein ganz kleine Leistungsspanne zwischen Abriss und Maximum der Gleitleistung.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(17) Komplettes Modell (blau- gestrichelt; analoges Modell wie (4), mit Wölb- und Querrudern positiv +4° gewölbt, das HLW wird um um +0.5° positiv (nach unten) ausgeschlagen. Trimmgewicht +90 g

(18) Komplettes Modell (braun- gestrichelt; analoges Modell wie (4), mit Wölb- und Querrudern positiv +4° gewölbt, das HLW wird um um +1.0° positiv (nach unten) ausgeschlagen. Trimmgewicht +90 g

(19) Komplettes Modell (braun- gestrichelt; analoges Modell wie (4), mit Wölb- und Querrudern positiv +4° gewölbt, das HLW wird um um +1.0° positiv (nach unten) ausgeschlagen

Die positive Wölbung bringt keine Verbesserung der Performance. Im Thermikflug, Modell (15) verbessert sich die Performance nie. Die Effizienz ist aber bei Geschwindigkeiten von < 10 m/s höher als bei dem Modell (4). Dies ist aber einzig bei Auftriebsbeiwerte > 0.8 zu erreichen.

Damit das Modell hier überhaupt in den Gleichgewichtszustand kommt muss sowohl ein zusätzliches Drehmoment am HLW erzeugt werden, als auch zusätzliches Trimmgewicht in die Nase gepackt werden. 

Die Leistungen sind gegenüber den idealen Modell-Analysen im gewölbten Zustand deutlich geringer.

7 Vergleich RG15 mit RL1PY1x

Die oben angesprochenen Vergleiche werden hier auch bei der Ballastierung fortgeführt, wobei das komplette Modell (20) als Referenz dient. Die Kurven wurden neu berechnet und zeigen daher geringfügige Abweichungen.

a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:

(26) Komplettes Modell +3° (xx; analoges Modell wie (21 - Profil RL1YP1-Strack), positive Klappen)

(27) Komplettes Modell +4° (xx; analoges Modell wie (21 - Profil RL1YP1-Strack), positive Klappen)

Fazit

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Simulation des Modells des Rumpfes eine deutliche Reduktion der Performance von 7% zeigt. Durch den Einbezug des Rumpfes hat sich der Schwerpunkt von ursprünglich 90.. 91 mm auf ca. 74 mm nach vorne verschoben. Entsprechend kann die Performance im Gleitflug durch geringfügige Rückverlegung des Schwerpunktes durch entfernen von 7 g Trimmgewicht deutlich um +6% verbessert werden. Alternativ lässt sich dies mit geringerer Wirkung (+1.4%) erzielen, indem die EWD durch Auslenken des HLW verändert wird. Hier muss allerdings sehr vorsichtig agiert werden, da bereist kleine Ausschläge dazu führen, dass keine stabile Fluglage mehr erreicht werden kann.

Das Aufdicken der Endkanten, wie sie beim Bauen vorkommt, hat im im unteren Geschwindigkeitsbereich keinen negativen Einfluss gezeigt. Durch entsprechende  Auslenkung des HLW könnte die Trimmgeschwindigkeit auf 11 m/s werden, dass die Leistung noch besser genutzt werden könnte.

Wird anstelle des durchgehenden Profils ein, über die Spannweite verjüngtes Profil gewählt, so kann die Gleit-Performance um 36% verbessert werden. Kombiniert man nun diese beschriebenen Ansätze in ein reales Modell (4) so erreicht es bedingt durch die reduzierte Gleichgewichts-Geschwindigkeit vTrimm eine Gleitzahl von 25.2. 

Die Ballastierung bringt ebenso bis zu 16% Leistungssteigerung, vorausgesetzt, dass der Auftrieb ein Modell mit einer Flächenbelastung von 72g/dm2 trägt. Auffällig ist hier die unterschiedliche Schwerpunktposition und damit die anderen Beladepositionen gegenüber der Simulation mit dem idealen Modell.

Diese Beurteilung zeigt deutlich dass die Verjüngung des Profils über die Spannweite den wichtigsten positiven Einfluss auf die Leistungssteigerung aufweist. Nun wird das Optimierte Modell mit FLZ Vortex simuliert.