Unterschiedliche Flugphasen

Auf eine Flugphase "Start" wird an dieser Stelle verzichtet. Da das Modell Luzi 2 als Hangflugmodell und nicht als "Hochstart-Modell" ausgelegt ist. Hier steht die Möglichkeit des Flitschens im Vordergrund, um das Modell gegebenenfalls auf Höhe zu bringen. 

Diese Anforderungen zeigen dann auch ganz unterschiedliche Flugleistungen.

CA-Bereiche für Hangflugmodelle

Matthieux Scherrer hat in zwei Aufsätzen aufgezeigt, wie Hangflugmodelle optimiert werden können. Im Wesentlichen geht es dabei um zwei Aufgaben:

1. den Gesamtwiderstand des Profils zu verringern, insbesondere für Auftriebswerte CA von 0.0 - 0.5 (in der Flugphase Speed und Strecke)

2. Auftriebswerte CA zu erhöhen im Langsamflug für CA- Werte > 1.0 (in der Flugphase Thermik)

Dazu hat er zuerst die geflogenen Auftriebswerte CA verschiedener Modelle ermittelt, indem er sie mit Daten-Loggern ausgerüstet und die erflogenen Werte für Flughöhe, Flug- und Sinkgeschwindigkeiten aufgezeichnet hat. 

Diese Daten hat er über viele Flüge mit unterschiedlichen Konditionen ausgewertet und daraus statistische Flugphasen ermittelt, in dem er aufgezeigt hat, wie häufig ein bestimmter Auftriebswert CA in der aufgezeichneten Flugphase vorgekommen ist. Die daraus ermittelte statistische Verteilung nennt er CA-Bereiche für Flugmodelle oder engl. Flight Template. 

Für Hangflugmodelle hat er dabei den meistens auftretenden Auftriebsbereich um  CA = 0.25 ermittelt bzw. den Bereich von 0.1 - 0.6. Dies entspricht in etwa der Flugphase des optimalen Gleitens. Insofern sollen die Flugphasen Speed und Strecke detailliert betrachtet werden.

Optimierungszenarien für die Auslegung

Entsprechend bieten sich nun hier zwei Optimierungszenarien angelehnt an die zwei oben beschriebenen Verbesserungsrichtungen an.

1. Optimierung der Performance für den meistgeflogenen Auftriebswert,

    CA = 0.25

• Das ist ein sehr riskanter Ansatz, da nicht immer optimale Bedingen herrschen für den Flugzustand (gemäss Statistikauswertung)  

2. Reduktion der Widerstände CW für max. Auftriebswerte CA im meist geflogenen

    Bereich,

    CA = 0.1 - 0.6.

• Das ist ein weniger riskanter Ansatz, da hier ein breiteres Spektrum in die Optimierung einfliesst, welches unterschiedliche  Flugzustand (gemäss Statistikauswertung)  

Wölbung und Flugphasen

Entsprechend wird beim Profilvergleich nun dieser Bereich detailliert beurteilt. In den nachfolgenden Grafiken sind die Flugphasen hervorgehoben und ebenso der am Meisten aufgetretene Auftriebsbereich von CA = 0.25.

Aus der Grafik geht hervor, dass die optimale Effizienz des Modells bei einer Fluggeschwindigkeit von ca. 12 - 14 m/s erreicht ist. Diese liegt in der Flugphase "Strecke" und wird ohne Wölbung geflogen.

Die Leistungsfaktoren zeigen, dass in der Flugphase "Thermik" mit positiver Wölbung von 4° in einem ganz schmalen Geschwindigkeitsspektrum von 7.6 - 8.7 m/s Vorteile gegenüber dem ungewölbten Flügel bringt. Dieser Bereich weist Auftriebsbeiwert CA > 0.7 auf. Würde die Wölbung auf 2° zurückgenommen, so würde zwar der Geschwindigkeitsbereich erhöht, dafür die Gleit-Performance reduziert.

Bei 1° negativ gewölbten Flügel liegt der Widerstandsbeiwert CW im Bereich von 0.007 - 0.01. In dieser Flugphase "Speed" werden Fluggeschwindigkeiten vx > 18.8 m/s geflogen.

Aus der Effizienz-Analyse geht hervor, dass der Phasenwechsel von "Speed" zu "Strecke", nicht wie ursprünglich angenommen bei CA = 0.15, sondern besser bei 0.24 bzw. einer Geschwindigkeit vx = 14.86 m/s erfolgen sollte. Ebenso ist der Phasenübergang von Strecke zu Thermik zu verschieben von CA = 0.45 auf 0.62, bzw. einer Geschwindigkeit vx = 9.2 m/s 

Damit die Momente, welche bei der Wölbung entstehen kompensiert werden, müssen geringfügige Ausschläge am Leitwerk ausgeführt werden, um die optimale Fluggeschwindigkeit vTrimm erreichen zu können. z.B. kann die optimale Fluggeschwindigkeit in der "Thermik"-Phase erreicht werden mit -0.5° am Leitwerk. Damit wird eine Gleitzahl von 24.8 erreicht. 

Klar erkennbar wird auch, dass der maximale Auftriebsbeiwert CA = 1 nicht erreicht werden kann. Das Maximum liegt bei 0.9 und damit im Bereich der "Thermik"-Phase. 

Die Erkenntnisse aus den absoluten Kurvenmaxima sind nicht die richtigen Referenzparameter. Es ist hier wichtiger die entsprechenden Performance-Grössen bei der entsprechenden Trimmgeschwindigkeit vTrimm zu beurteilen.

Beurteilung der Flugphasenübergänge

Die oben beschrieben Flugphasen basierten auf einer Grundannahme. Diese wird nun neu beurteilt aufgrund des Modellwiderstandes CW. 

Bei genauer Betrachtung des Diagramms CW nach CA zeigt sich für das gewählte Profil RG15, dass der Widerstand CW bei einem Auftrieb CA < 0.57 kleiner ist in der "Speed"-Stellung, als bei der "Strecken"-Einstellung mit unverwölbtem Profil ("Strecken"-Einstellung). 

Ebenso ist der Phasenübergang von "Strecke" zu "Thermik" bei der gewählten Flächenwölbung fFlügel = 4° bei CA = 0.8. Entsprechend werden nun die Betriebsparameter an diesen Stellen ermittelt. Es wird der zuvor ermittelte Betriebspunkt von CA = 0.25 in dieser Betrachtung berücksichtigt, um die Performance-Unterschiede an dieser Stelle zu vergleichen in einer "Speed"-Stellung zur "Strecken"-Einstellung.

In der Nachfolgenden Tabelle werden die entsprechenden Eckpunkte der einzelnen Phasenübergänge eingetragen. Zusätzlich werden basierend auf den Trimmgeschwindigkeiten vTrimm auch die ermittelten Werte der Wölbungsbeurteilung eingefügt und ebenso die Phasen-Maxima für "Strecke" und "Thermik".

Als erstes kann aus den Performance-Werten ermittelt werden, dass der Phasenübergang von "Speed" zu "Strecke" bei einem Auftriebswert CA = 0.57 zu Gunsten der "Speed"-Einstellung ausgeht. Betrachtet man hingegen die Performance bei einem Auftriebswert CA = 0.25, so liegen die Performance-Werte der "Strecken"-Einstellung deutlich höher, wobei sich hier die Fluggeschwindigkeit in der "Speed"-Einstellung schon deutlich verbessert. Ebenso geht die Performance-Beurteilung des Phasenübergangs von "Strecke" zu "Thermik" bei einem Auftriebswert CA = 0.8 zu Gunsten der "Strecke".

Damit lässt sich schliessen, dass die Widerstandsbetrachtung CW nicht alleine ausschlaggebend ist für die Festlegung der Phasenübergänge, genauso wenig, wie die zuvor ermittelten Kurvenmaxima. Hier geht es nun darum herauszufinden, was wichtiger ist: Performance oder Geschwindigkeit. Der Entscheid geht dahin, dass ein breites Spektrum der "Strecken"-Einstellung mit hoher Performance gegenüber einer hohen Geschwindigkeit bevorzugt wird. In diesem Sinne sollen folgende Phasenübergänge eingestellt werden:

Phasenübergang "Speed" zu "Strecke" bei einem Auftriebswert CA = 0.2 bzw. vx ca. 16.3 m/s

Phasenübergang "Strecke" zu "Thermik" bei einem Auftriebswert CA = 0.8 bzw. vx ca. 8.3 m/s

In der Tabelle sind auch die Optima für die jeweilige Flugphase eingetragen:

Das beste Gleiten E = 25.72 wird in der Flugphase "Strecke" erreicht bei einer Fluggeschwindigkeit von vx = 9.3 m/s. Dazu muss allerdings das negative Drehmoment noch mit einer leicht negativen Wölbung des Leitwerks ?HLW kompensiert werden. Das Minimale Sinken wird in der Flugphase "Termik" mit vz = 0.32 m/s erreicht bei einer Fluggeschwindigkeit von vx = 8.0 m/s. Die maximale Fluggeschwindigkeit vx = 20.1 m/s wird in der "Speed"- Flugphase erreicht.

Performance-Vergleich bei Flächenwölbung in Flugphasen

An dieser Stelle werden noch einmal die Performance-Werte der entsprechend gewählten Flugphasen gegeneinander dargestellt, welche zuvor in der Wölbungsbeurteilung ermittelt wurden. 

Fazit

Die Flugphasen-Beurteilung und der Vergleich mit den von Matthieu Scherrer ermittelten typischen Flugphasen und der optimalen Auslegung zeigen hier die Möglichkeiten der Wölbung eines RG15 Profiles auf. 

Die Flugphase "Thermik" ist ab einem CA > 0.8 und kann am Besten mit Flächenwölbung fFlügel = 4°  geflogen werden. Dazu muss ausgleichend die Wölbung des HLW  fHLW = -0.5° ausgeschlagen werden, damit bei einer Fluggeschwindigkeit vx = 8 m/s ein minimales Sinken vz = 0.32 m/s erreicht wird.

Typisch für das Profil RG15 ist, dass es am Besten über einen grossen Geschwindigkeitsbereich von vx = 8.3 - 16.3 m/s ungewölbt (in der Flugphase "Strecke") geflogen wird. Entsprechend gilt dies für Auftriebsbeiwerte CA = 0.2 - 0.8

Die Flugphase "Speed" verbessert die Effizienz ab einer Geschwindigkeit vx >18.8 m/s und wird erreicht mit einer Flächenwölbung fFlügel = -1°. Grundsätzlich kann bereits ab einem CA < 0.5 bzw. einer Fluggeschwindigkeit von vx > 10.1 m/s negativ gewölbt werden, um den Widerstand zu senken bzw. die Geschwindigkeit vx zu erhöhen. Die Gleit-Performance nimmt dadurch aber mit kleineren CA-Werten deutlich ab. Die maximale Fluggeschwindigkeit vx = 20.1 m/s wird mit einer Flächenwölbung f Flügel = -1°