EXPERIMENTALFLUG:

Fliegen ohne Steuerruder

 * Experimentalflugobjekte mit Vektorsteuerung *

 

Schubvektorsteuerungen sind in erster Linie bekannt aus dem JET-Bereich (MIG, SUCHOI) und beschreiben die gezielte Lenkung des Abgasstrahls einer Turbine. Im Senkrechtstarterbereich gibt es als Antriebsvariante den Schwenkpropeller, der z. B. bei 2-motorigen Senkrechtstartern mit Propellerantrieb den Propellerschwenk von der Senkrechten (Startposition) in die Waagerechte (Geradeausflugposition) ermoeglicht. Hierbei handelt es sich um eine 2-dimensionale Schubvektorsteuerung, da nur eine Steuerachse Beruecksichtigung findet. 

Im Modellbaubereich wurden in der Vergangenheit mehrere Vektorsteuerungen als 2D und 3D Propellersteuerungen entwickelt, bei denen die Steuerachsen durch indirekte Anlenkung von Rudermaschinengestaengen bewegt werden. 

Eine Variante stellt die '3D-Zugvektor-Steuerung' dar, bei der die erforderlichen Steuerachsen erstmals direkt durch verblockte Rudermaschinen angetrieben werden:

Die am Rumpf vorne rechts befestigte Rudermaschine (1) ist liegend mit dem vorderen Polyamidtraeger verklebt (Sekundenkleber mittelviskos). Durch ihre Ruderscheibe ist sie mit der zweiten Rudermaschine verbunden (2), ebenfalls verklebt. Die Steuerachsen der ersten und die der zweiten Rudermaschine sind also um 90 Grad versetzt. Dadurch wird es moeglich, mit der hoch/tief - Funktion der ersten Rudermaschine die zweite Rudermaschine mit dem auf deren Ruderhorn festgeklebten Motorträger wie ein Hoehenruder zu steuern. Die Seitenruderfunktion ergibt sich einfach dadurch, dass die zweite Rudermaschine die rechts-links-Schwenks des Motors mit Propeller übernimmt. Beide Rudermaschinen-Steuerfunktionen wurden auf einen Steuerknueppel gelegt. Wenn man 'rührt', beschreibt der Motor einen Schwenkkreis. In sofern kann man von einer dreidimensionalen Schubvektorsteuerung sprechen. Der Begriff 'Zugvektorsteuerung' gibt dem Kind lediglich einen neuen Namen, da hier erstmals versucht wurde, einen in der Flugzeugfront 'ziehend' angebrachten Antrieb direkt über 2 Steuerachsen dreidimensional anzusteuern. Ausserdem macht sich der Begriff ganz gut bei GOOGLE (ausprobieren).
Sieht alles ganz einfach aus, ist schnell gebaut, und kostet nicht mehr als eine 2-Achs- Rudersteuerung. Die Rudermaschinen sind 2 HYPE IQ-80, der Motor ein WES-TECHNIK Gold-Line 7,5g. Geflogen wird mit einem 2x350mA Kokam (7,5V) Lipo-Akku und einem GWS-4Kanal Empfaenger.

 
Als Erprobungszelle für den 3-D-Schwenkpropeller wurde ein Leichtflugzeug aus Depron aufgebaut, dessen Rumpf eine Gitterkonstruktion aus kleinen Polyamid-Kreuzen und 1,5mm Carbonstaeben bildet. Die Polyamidkreuzchen gibt es im Baumarkt als Verbindungselemente von Konstruktionen aus Aluoehrchen bzw. in der Fliesenabteilung als Abstandshalter für die Fliesenverlegung. Die Fahrwerkskonstruktion besteht aus 1,3mm Carbonstaeben, von hinten nach vorne 'vorgespannt' mit 0,8mm Carbonstaeben. Die Raeder laufen auf einer 1,3mm Carbonachse.

Die Tragflaeche wurde mit 'Ohren' versehen, um fuer den Fall eines Motorstillstandes Gleitflugstabilitaet zu garantieren. Die zweite  'Huckepack'-Flaeche ist nur durch 2 profilierte Abstandshalter aus 6mm Depron mit der Hauptflaeche verbunden, wobei ein hoeherer Anstellwinkel gewaehlt wurde als bei der Haupttragflaeche (3,5 Grad zu 2,5 Grad). Sie dient zwei Zwecken:

1. Das Flugzeug sollte über ausgepraegte Langsamflugeigenschaften verfuegen.
2. Die zweite Flaeche sollte die Onboard-Videokamera aufnehmen (hier:FlyCamOne)

Ohne Kamera hat das Flugzeug bei einer Spannweite von 90cm ein Abfluggewicht von 115g, mit Kamera 145g. Das Flugverhalten ist im Vergleich zu seiner frueheren Ausfuehrung mit Seiten- und Hoehenruder genauso unproblematisch. 

Am 28. November 2006 erfolgte der Erstflug dieses ruderlosen, nur mit 3D - Zugvektorsteuerung ausgestatteten Flugzeuges - und schrieb damit ebenfalls ein kleines Stueck Modellfluggeschichte: Handelt es sich doch um das erste existierende, ruderlose, uneingeschraenkt flugfaehige Modellflugzeug mit 3D-Zugvektorsteuerung.

Das Flugeug fliegt gutmuetig und ausgewogen mit laufendem Motor.
Stellt man den Motor im Flug ab, fliegt das Flugzeug im Geradeausflug gleitend weiter.
Natuerlich laesst es sich nur wirkungsvoll steuern, wenn der Motor laeuft. Hierbei faellt auf, dass das Steuerverhalten im Vergleich zur Steuerung mit Rudern deutlich direkter ist, bei voller Motorleistung sind 'gerissene' Rollen (trotz Ohren!) sowie Loopings moeglich. 
Das Flugzeug hat mit der 3D-Zugvektorsteuerung seither bereits mehr als 60 Fluege absolviert, wobei selbst 'haertere' Landungen der Steuerung nichts anhaben konnten. Lediglich einmal musste - nach einem Absturz vom Wohnzimmertisch- eine Rudermaschine ausgewechsel werden. Seitdem schuetzt eine Anschlagbegrenzung des Carbonrohr-Motortraegers die erste Rudermaschine vor Beschaedigung, da der Anschlag den Rudermaschinenweg begrenzt und die Aufprallenergie nicht ungebremst auf das Rudermaschinengetriebe wirken kann.

2 Videos zeigen Onboard- und Aussenaufnahmen des Fluges mit Zugvektorsteuerung: 

 

 

  Video mit Onboard- und Aussenkamera-Perspektive    

 

1. Idee einer senkrecht startenden Schwebeplattform

Basierend auf den positiven Erfahrungen mit 3D-Vektorsteuerungen fuehrten verschiedene  Ueberlegungen im Februar 2007 zu weiteren neuen Projektideen:

Laesst sich die '3D-Zugvektorsteuerung' für einen senkrechtstartenden Slowflyer nutzen?

Wie muss die Flugzeugzelle beschaffen und ausgestattet sein, um einen stoerungsfreien, langsamen Senkrechtstart mit Uebergang in den Horizontalflug zu gewaehrleisten? Welche Steuerfunktionen sind für eine flugfaehige Versuchsanordnung erforderlich?

Aufgrund dieser Ueberlegungen ist ein Versuchstraeger entstanden, der eine besondere konstruktive Eigenschaft aufweist:
Das Carbon/Polyamid-Gitterkreuz ist nicht verklebt, alle Carbonstaebe sind klemmend durch die Polyamidkreuze gefuehrt, wodurch die gesamte Konstruktion in ihrer Anordnung variabel gestaltet ist: Der Kreuzmittelpunkt sowie die Motorsteuerungsmodule sind verschiebbar, die beiden Kreuzrahmenelemente koennen nach unten und nach oben  'verbogen' werden, wodurch sich unterschiedliche Winkel der Propellerachsen einstellen lassen. Auf den rechten Steuerknueppel wurde die hoch/tief- Funktion als Vorwaerts-/Rueckwaertsschwenk der ersten Rudermaschinen gelegt, auf einen Schieberegler wurde die synchrone Seitenruderfunktion der zweiten Rudermaschinen gelegt, welches das Austrimmen erleichtert. 

 

 

    
Auf den rechten Steuerknüppel wurde auch als Rechts/Links- Steuerung die Querruderfunktion des Deltamischers für die beiden ersten Rudermaschinen (tief=vor, hoch=zurueck) gelegt. Hierdurch sind ein augenblicklicher Drehungswechsel sowie schnelle Drehungen auf der Stelle moeglich.
Auf dem linken Steuerknueppel (vor/zurueck)  liegt die Gasfunktion für die synchrone Drehzahlverstellung beider Motoren, auf rechts-links liegt die asynchrone rechts-links-Drehzahlverstellung. Hierdurch wird eine Rollsteuerung  bzw. -trimmung moeglich.Als Grundeinstellung für die ersten Erprobungsfluege wurden die Motorzugachsen ca. 5 Grad nach innen gestellt und der Schwerpunkt in Hoehe der Zugachsen in den Mittelpunkt des Rahmenkreuzes gelegt.  Eine ca. 1-stuendige Eprobung in der Halle mit verschiedenen Einstellungen ergab folgende Erkenntnisse:
-problemloses Abheben bis ca. 20cm Hoehe über dem Hallenboden
-erstaunliche Manoevrierfaehigkeiten, wie schnelle Rotation rechts/links auf der Stell ('Pirouetten')
zuegige Vorwaerts-, Rückwaerts- und Seitwaertsbewegung
-problematisches 'Flugverhalten', wenn die Bodennaehe verlassen wird. Durch Wegfall des 'Groundeffektes' verliert das Geraet an Stabilitaet und kann nur bedingt für laengere Zeit in der Schwebe gehalten werden. Hier fehlen noch die Tragfaehigkeit und die Massentraegheit einer entsprechend gestalteten Deprontragflaeche.

Fuer eine weitere Erprobungsphase wird das 'Schwebekreuz' noch mit einer unterseitig angebrachten Tragflaeche in Form eines zu den Spitzen hin gewoelbten Rhombus versehen. Hierdurch sollen Gleitflugeigenschaften im Vorwaerts-/Rueckwaertsflug sowie eine groessere Massentraegheit erreicht und erprobt werden.
 

2. Idee eines vollsymmetrischen Flaechenflugzeuges mit  einem Zugvektorsteuerungsmodul, welches seine Flugrichtung in der Luft beliebig aendern kann, unter  Verzicht auf jegliche Steuerruder

Dieses Flugzeug soll vorwaerts und rückwaerts für beliebige Dauer gleichermaßen kontrolliert geflogen werden koennen,
o h n e  S t e u e r r u d e r .  Ausserdem soll die Flugzelle unbeschadet zu Boden gleiten, wenn sich der Antrieb z. B. infolge einer Stoerung nicht mehr in Aktion befindet.

Die konstruktive Auslegung des Fluggeraetes bedingt einen voellig andersartigen Aufbau der Flugzelle als bei bisher bekannten Konstruktionen, geht es doch hierbei um nicht weniger als die vollstaendige Verlagerung des Schwerpunktes von X nach Y oder umgekehrt, je nachdem, in welche Flugrichtung man in der Luft wechseln moechte. Das bedeutet, das bei einer gewichtsoptimierten Konstruktion alle den Schwerpunkt mitbestimmenden, 'mobilisierbaren' Massen wie Bordelektronik, Akku, Zugvektorsteuerung und Brushlessmotor  innerhalb des Flugzeuges ueber eine nicht unbetraechtliche Strecke in kuerzestmoeglicher Zeit verlagert werden muessen, um gleiche Flugstabilitaet in 2 Flugrichtungen zu erzielen. Um diese Gewichtsverlagerung mit 'Bordmitteln', d. h. ohne zusaetzliche Hilfskonstruktionen wie z. B. durch Zahnriemen- oder Spindelportierung und ohne zusaetzliche Trimmgewichte zu realisieren, muss die 3D-Zugvektorsteuerung um eine vierte Dimension erweitert werden: Die bisherige Propellerfunktion (Zugstufe) muss um eine Druckstufe erweitert werden, realisierbar durch einen verstellbaren Propeller, damit die variablen Massen durch ihren eigenen Antrieb im Flugzeug verschoben werden koennen.
 

4-D-Zugvektorsteuerung
Entwicklung von Antrieb und Steuerung
Kurz gesagt:
Man nehme einen kleinen Flyware-Rex 220, einen 9" - Flyware Verstellproeller, einen CFK-Motortraeger und 4 robuste und trotzdem nur 7,5g leichte Rudermaschinen, ordne das ganze in neuer Form an und - fertig ist der Schwenkpropeller, der alle Steuerachsen im Vorwaerts- wie im Rueckwaertsflug bedient:

Funktionsanordnung: Die quer unterhalb des Motors waagerecht eingebaute Rudermaschine -1- ist mit dem davor liegenden CFK-Motortraeger fest verbunden und dient der Propellerverstellung. Diese Rudermaschine ist mit der Steuerscheibe der direkt darunterliegenden, senkrecht verbauten Rudermaschinene -2- verbunden. Diese Rudermaschine uebernimmt die Rechts-/Links- Steuerfunktion. Die beiden aeusseren Rudermaschinen sind mit ihren Steuerscheiben beide mit der in der Mitte befindlichen Rechts/Links- Rudermaschine verbunden und uebernehmen -synchron gemischt - die Hoch-/Tief Steuerfunktion (3 und 4). Da eine Zug-/Schubvektorsteuerung, die 2 Steuerachsen bedient, als dreidimensional bezeichnet wird (3D-Zug-/ Schub- vektorsteuerung), kann diese Steuerung, welche ausserdem die Schubumkehr um 180Grad integriert, als 4-D Zug/Schubvektorsteuerung bezeichnet werden.
In Verbindung mit einem YGE-12 Drehzahlsteller, einem SPITZ-TSR 5-Kanalempfaenger und einem LEMON 3 x 460mA LIPO wiegt die ganze Einheit einbaufertig 134 g.
 

     

  Video von der Funktonsweise der 4D-Zugvektorsteuerung:

 

Flugzellenentwicklung
 
Um herauszufinden, wie sich symmetrische Flugkoerper mit Langsamflugeigenschaften im Vorwaerts- und Rueckwaertsflug verhalten, und wie eine dynamische Schwerpunktverschiebung realisiert werden koennte, wurden 2 Prototypen-Gleitflugzeuge entwickelt:

1. Test-Gleitflieger mit 2 gleichgroßen, symmetrischen Einzelflaechen und horizontal drehbarer Trimmgewicht-Verstellwippe, Spannweite ca. 80cm, keine Flaechenprofilierung, kein Anstellwinkel:

 

 

 Die Flugerprobung ergab, dass das Flugzeug in beiden Richtungen stabil geradeaus flog, jedoch  nach der geraden Flugstrecke gegen Ende der Gleitstrecke zu einem leichten aufbaeumen und abbremsen neigte. Dieses Flugverhalten resultiert vermutlich aus der geringer werdenenden Anströmung des hinteren Flügels mit nachlassendem Flugtempo sowie aus der offensichtlich ungünstigen Massenverteilung. Aus diesem Grund wurde dem 2-Flaechen-Konzept ein 1-Flaechen-Konzept gegenübergestellt:
 

2. Gleitflieger mit einer symmetrischen Tragflaeche ('MANTA") mit doppelter V-Form und  verschiebbarem Trimmgewicht-Linearschlitten in einem Flächenausschnitt in der Flächenmitte.

Die Flugerprobung ergab, dass das Flugzeug in beiden Richtungen stabile, gerade Gleitfluege absolvieren konnte, ohne sich am Ende aufzustellen.

Es zeigte sich, dass die zurueckgelegten Flugstrecken wesentlich laenger gewesen waeren, wenn der Linearschlitten mit den Trimmgewichten ueber die volle Flugzeuglaenge haette verschoben werden koennen. Aus Gruenden der Flaechenstabilitaet (Flaechen aus 3mm Depron, mit duennen Streifen zur Verstaerkung vorne und hinten aufgedoppelt, keine Flaechenholme oder sonstige Verstaerkungen) wurde die Schlittenstrecke (zu) kurz gehalten.
Bei voller Ausnutzung der Flaechenlaenge als Verschiebestrecke für die Trimmgewichte waere man mit wesentlich weniger Trimmgewicht ausgekommen. So betrug nach Ermittlung des Schwerpunktes bei ca. 80cm Spannweite das Abfluggewicht immerhin 175g (!), um den gleichen Schwerpunkt in beide Flugrichtungen durch Verschiebung des Schlittens mit den Trimmgewichten zu gewaehrleisten. Bei Weiterentwicklung des Zellenkonzeptes soll der Tragschlitten ueber die volle Flaechentiefe beweglich sein.

 

3. Flugfaehiges (?) Baumuster im Maßstab 1:1

Da bisher kein Flaechenflugzeug bekannt ist, welches ausschliesslich mit Hilfe einer 4D-Zug/Schubvektorsteuerung, ohne jedes Steuerruder, mit Erfolg vorwaerts und rueckwaerts geflogen ist und den Richtungswechsel in der Luft vollzogen hat, darf das ganze Projekt als absolutes Neuland bezeichnet werden. Es gibt keine vergleichbaren Konstruktionen fuer den gleichen Einsatzzweck.


Mit der Entwicklung eines funktionsfaehigen, kompakt bauenden 4D-Antriebs- und Steuerungsmoduls steht eine wesentliche Teilloesung des Problems zur Verfuegung,  mit einem Flaechenflugzeug im Fluge die Flugrichtung von vorwaerts auf rueckwarts zu wechseln und in beiden Flugrichtungen beliebig lange und mit gleicher Stabilitaet fliegen zu koennen.
Das Zellenkonzept eines MANTA-foermigen, symmetrisch geformten Nurfluegels mit zentralem Linearschlitten fuer eine dynamische Schwerpunktverschiebung stellt einen weiteren Loeseungsansatz dar. Er beinhaltet einige schwierige Anforderungen, die beim Bau des flugfaehigen Modells zu beruecksichtigen sind und in erster Linie das Hauptprobelm loesen sollen: Die dynamische Schwerpunktverschiebung im Fluge.

Hierfuer soll die Flugzelle folgende Eigenschaften aufweisen:

-Spannweite ca. 120 - 130 cm
-Flaechenwurzeltiefe ca. 80cm
-symmetrische Flaechenwoelbung zur Stroemungsverbesserung und Flaechenstabilisierung
-selbststabilisierende Flaechenauslegung mit 'Ohren' fuer stabilen Gleitflug, auch ohne laufenden Motor
-minimales Abfluggewicht
-Bodenstartfaehigkeit ohne Fremdhilfe
-optimale Schwerpunktlage. Fuer den Vorwaertsflug: Ende 1. Drittel der Wurzeltiefe, fuer den Rueckwaertsflug: Anfang 3. Drittel der Wurzeltiefe
-fuer eine schnellstmoegliche Schwerpunktverlagerung durch eigenen Antrieb Konzentration aller mobilisierbaren Massen (Fahrwerk, Motor, Verstellpropeller, Servos, Akku, Empfaenger, Drehzahlsteller und Halterungen) auf einem Linearschlitten
 
Das Hauptproblem der Stabilisierung eines Nurfluegels, der in der Mitte ueber fast seine gesamte Wurzeltiefe keinerlei Verbindung zwischen den beiden Flaechenhaelften zulaesst, weil sich dort die  4D-Motorschlittenbahn befindet, wurde mit Hilfe einer rechteckigen Carbonrohrkonstruktion und 4 T-Rohrwinkeln, durch die Carbonflachstaebe bogenfoermig gefuehrt und verklebt werden konnten, geloest.
Das Bild zeigt, dass sich die Kraefte auf diese 'Nasen' - und 'Endleisten' aus Carbonflachmaterial optimal verteilen lassen und in Verbindung mit einer Woelbung der Flaechenwurzel durch 2 profilierte Laengsspanten(doppeltes 6mm-DEPRON) einen soliden Verbund der Schlittenfuehrung mit der Tragflaeche ermoeglichen:

 

Erste Versuche mit Aluminium-Gleithuelsen fuer den Motorschlitten verliefen weniger Erfolgreich, die Reibungskraefte waren fuer einen schnellen Richtungswechsel zu hoch, der Schlitten benoetigte mehr als 1,5 Sekunden fuer einen Richtungswechsel.
Mit Bauteilen aus dem Heli-Bereich konnten die Carbonrohrverbindungen und ein 'schnelles' Schlitten-Gleitsystem realisiert werden:

Bei ersten Versuchen, schnellstmoegliche Richtungswechselmit diesem verbesserten System durchfuehren zu koennen, wurden Zeiten von 0,3 - 0,5 Sekunden erzielt. Da die Aufprallenergie mit (zu kurzen) Spiralfedern gedaempft wurde, erwies sich dieser Test mit ca. 20 'harten' Richtungswechseln als Servokiller. Die preiswerten Koaxheliservos aus Fernost wurden gegen gleichgrosse HiTec-Servos mit Carbonite-Getrieben ausgetauscht, wodurch eine laengere Haltbarkeit erwartet werden kann.  

Ein Gleitsystem mit (nochmals geleichterten) Leichtbau-Kunststoffschienen aus dem Wohnwagenausruesterbereich wurde ebenfalls zu Vergleichszwecken gebaut, kam aber wegen seines Gewichtsnachteils (+ 45g Mehrgewicht) nicht zum Einsatz.

 

Der flugfertige Rohbau hatte ein Abfluggewicht von 475g und stand urspruenglich auf 4 wellenfoermigen DEPRON-Gleitkufen, womit in der Halle erste Mobilisierungsversuche (Beschleunigung, Richtungswechsel, leichtes Abheben) unternommen wurden. Als Konsequenz dieser Versuche wurden die Depronkufen und grosse Teile der Laengsspanten entfernt und stattdessen ein 2-Rad-Fahrwerk aus 1,5mm Carbonstabboegen unter dem Motorschlitten angebracht. Hierdurch ergaben sich verschiedene Vorteile:
-fuer die Startphase guenstigeFlaechenanstellung
-Verlagerung von unbewegten Massen auf bewegte Massen (4 Depron-Gleitkufen -> 2-Rad-Fahrwerk)
-Gewichtsreduzierung um 45g

Fuer ein auffaelliges und formgerechtes Farbdesign wurden verschiedene, kleinere Entwurfsskizzen angefertigt:

Basierend auf den Entwurfsskizzen wurden Zeichenkartonschablonen geschnitten, mit deren Hilfe das Farbdesign auf die Flaechenoberseite uebertragen und mit EDDING-Permanentstiften ausgemalt werden konnte.

Das (flugfertige) Modell:

Erste Erfahrungen nach einigen Roll- und Abhebeversuchen auf einem Sportplatz zeigten, dass das Flugzeug in beiden Richtungen starten und abheben kann und zwischen 30 und 50m fliegt. Weitere Fluege wurden vorerst nicht unternommen, da noch keine stabile Fluglage erreicht wurde. Die Ursache fuer die nur schwer kontrollierbare Rollneigung im Flug in ca. 2m Hoehe liegt in zu starkem Auftrieb in der Flaechenmitte: Das Flugzeug neigt hierdurch zum Unterschneiden, was wiederrum nur durch 'Hochziehen' des Motors korrigiert werden kann, wodurch die Fluggeschwindigkeit wiederum abnimmt und die Rollneigung verstaerkt wird.

Besonders deutlich wurde das 'Auftriebsphaenomen' in der Startphase, wenn zu stark beschleunigt wurde und sich das Flugzeughinterteil  noch im Rollen ueber das Niveau der vorderen Flaechenkante hochhebt. Starts und kurze Fluege waren nur moeglich, wenn nach kurzem Anheben des hinteren Flugzeugbereiches bereits die Motorsteuerung 'hochgezogen' wurde, wodurch dann auch das Vorderteil abheben konnte. Diese Eigenschaften wies das Flugzeug im Schub- wie im Zugbetrieb der 4D-Motorsteuerung auf.
Der bisher erreichte Flugzustand zeigt, dass verschiedene Modifikationen erforderlich sind, um in beiden Richtungen ein stabiles fliegen zu ermoeglichen. Hierzu werden folgende bauliche Veraenderungen vorgenommen:
-Anbau von 4 ca. 3-5 cm breiten und jeweils 45cm langen 'Vorfluegeln', um den Auftrieb in der Flaechenmitte teilweise auszugleichen und die Auftriebseigenschaften der Flaeche insgesamt zu erhoehen
-Vergroesserung der 'Ohren' um jeweils 8cm, um das Flugzeug um die Querachse weiter zu stabilisieren
-Anbau von 2 senkrechten symetrischen Flaps zur Richtungsstabilisierung
-Verwendung eines 20g schwereren und leistungsstaerkeren Akkus mit 800mA (statt 640mA), um die schwerpunktbestimmenden Massen zu erhoehen und den Schwerpunkt weiter (in jeweiliger Flugrichtung) nach vorne zu verlagern.

Modifizierte Version:

 

 Das Abfluggewicht betraegt nach der Modifikation mit schwererem Akku jetzt 520g.

Erste Flugerprobung: Start mit 'Zugvektorsteuerung' (Vorwaerts), nach ersten Trimmkorrekturen Flug von ca. 1Min. mit sicherer Landung. Danach Start mit 'Schubvektorsteuerung' (Rueckwaerts), nach leichten  Trimmkorrekturen und 1 Flugminute in ca. 5m Hoehe Ausfall des Verstellpropellers, Motor wirkungslos , Flugzeug steuerlos, Pilot einen Moment ratlos.

Guecklicherweise keine zu harte Landung nach kurzer, wenn auch steiler Gleitflugstrecke. Es sind keine groeßeren Reparaturarbeiten erforderlich. Der Flyware-Rex 220 ist mit einem so großen Modell deutlich an seiner Grenze angelangt. Ein etwas schubstaerkerer Motor mit einem etwas groesseren Propeller waere angemessen, laesst sich jedoch aufgrund der vorgegebenen Schlittenspurbreite nicht realisieren, die fuer einen 8" Verstellpropeller  ausgelegt wurde.

 

 

 4. Verfolgung eines weiteren, alternativen Ansatzes zum Bau eines sehr leichten Vorwaerts-Rueckwearts-Fliegers

Wie die Erfahrung zeigt, lassen sich neue Konzepte um so schneller und kostenguenstiger erproben, je leichter und unkomplizierter das Erprobungsbaumuster ist. Aus den Erfahrungen mit den 3D- und 4D-Zugvektorsteuerungsflieger entstand die Idee, ein vollsymmetrisches Depron- Nurfluegelflugzeug ohne Steuerruder mit maximaler Spannweite fuer einen WES-Technik Gold-Line 7,5g Motor zu bauen, der sich mit Hilfe eines 180Grad-Servos von der Vorderseite des Nurfluegels zur Hinterseite des Nurfluegels in 1,5 Sek. mitsamt Akku, Drehzahlsteller und Empfänger schwenken laesst: Die Schwerpunktbestimmenden Massen 'wandern' also nicht mit Hilfe eines Linearschlittens auf Gleitschienen, sie werden einfach geschwenkt. Um der seitlichen Schwerpunktverlagerung waehrend des 180Grad-Schwenks im Halbkreis entgegenzuwirken, sollte das Flugzeug ueber eine ausgepraegt selbststabilisierende Flaechenkonstruktion verfuegen, die eine ausreichende 'Traegheit' ueber die Rollachse aufweist, so dass die Antriebsverlagerung und die damit erwuenschte Flugrichtungsaenderung (in Sicherheitshoehe) beherrschbar bleiben.
Als erstes wurde zur Erprobung einer geeigneten Flaechenform ein Nurfluegel mit doppelter V-Form und 1,36m Spannweite aus 3mm Depron gebaut, Abfluggewicht 135g, hier bezeichnet als 3D-SICHEL.

Die halbkreisfoermigen Carbonstabbuegel dienen ausschliesslich dem Schutz der Motorsteuerung und sind wahre Servoretter, wenn die 3D-SICHEL einmal 'hart' herunterkommt, was bei der Flugerprobung ja vorkommt.
Die Erfahrungen der Flugerprobungen zeigen, das die Flaechenauslegung alle gestellten Erfordernisse erfuellt:
Die Flaechenbelastung liegt bei nur ca. 5g/qdzm, es zeigt sich ein ausgepraegtes Langsamfluegverhalten mit entsprechender Traegheit um die Rollachse. Aufgrund des Schwenkbereichs der Zugvektorsteuerung von 90Grad sind Kurvendurchmesser von nur 3m moeglich. Bei schwachem Gegenwind auf ebener Flaeche (Sportplatz) kann das Flugzeug minutenlang auf der Stelle verweilen.

Flugvideo der 3D-SICHEL



Fuer die Erprobung als Vorwaerts-Rueckwearts-Flieger wurden in einem neuerstellten Baumuster einige Aenderungen durchgefuehrt:
-Symmetrische Ergaenzung der Flaechenvorderkante durch 'Vorfluegel', entsprechend den Flaps an der Hinterkante
-Anbau eines  rechtwinkligen Carbonrohr-Schwenkarmes, der in der Flaechenwurzelmitte drehbar gelagert befestigt und von der Rumpfunterseite mit einem 180Grad-Servo angesteuert wird. Der Ausleger des Schwenkarmes nimmt den Motor, die 3D-Zugvektorsteuerungund alle anderen RC-Komponenten an seiner Unterseite auf, um die Schwerpunktbedingungen wie im Erprobungsmuster zu sichern.
Die Laenge des Auslegers wird so bemessen, dass sich der im Erprobungsmuster ermittelte Schwerpunkt in beiden Flugrichtungen im gleichen Abstand von der Flaechenvorderkante befindet:
 

 

Die Drehung des 3D-Motor-Steuerungs-Galgens erfolgt mit Hilfe eines 180-Grad-Servos mit Metallgetriebe:

 Das Fahrwerk soll einen Start mit erforderlichem Anstellwinkel der Tragflaeche in beide Richtungen ermoeglichen.

Das  Farbdesign mit aufsteigende Luftblasen soll den '4D-Effekt' visualisieren.....
Es handelt sich hierbei nicht um Airbrushtechnik - nach mehreren Versuchen (und beherzt schnellem Vorgehen) gelang es, die 3D-Bubbles mit Hilfe von EDDING-Stiften in Wischtechnik unter Einsatz aller Fingerspitzen darzustellen. Mehrgewicht des Farbdesigns: 0,6g

 

Die 4 seitlich angebrachten CRAZYPLANES-Aufkleber wurden mit Hilfe hauchduenner Wasserschiebebild-Seidenpapierfolie realisiert.
Das Abfluggewicht betraegt jetzt 185g, wobei das (sehr stabil bauende) Schwenkservo alleine 40g fuer sich beansprucht.

 Flugerprobung: Das Flugzeug ist in seiner bisherigen Auslegung aufgrund seiner symmetrischen, positiven Flaechenwoelbung nur sehr schwer steuerbar, es hat starke Kippneigung um die Querachse. Bei vorliegender Flaechenwoelbung erfuellen die vorderen und hinteren Flaps nicht die Funktion, die sie im vorangehenden Versuchsmuster mit geraden Flächen erfuellen konnten. Eine weitere Modifikation wird diese Maengel beseitigen helfen: Es wird ein 50cm breiter und 10cm tiefer 'Spoiler' am Motorschwenkarm befestigt, der seine Position beim Flugrichtungswechsel ebenfalls um 180 Grad verändern kann. Die Flaps fallen weg und werden entfernt. Das Fahrwerk hat sich als untauglich erwiesen, die Flaeche erhaelt im Bodenstart nicht den erforderlichen Anstellwinkel. Es wird deshalb (und aus Gruenden einer weiteren Gewichtsreduzierung) auf jegliches Fahrwerk verzichtet, das Flugzeug landet auf Gleitkufen und wird von Hand gestartet.  Die Nasen- und Endleistenprofile (0,5x3mm CFK) werden mit je 2 0,5x3mm CFK-Profilen verstaerkt, so dass die Biegeneigung des Flügels reduziert wird und ein stabileres Flugverhalten erreicht werden kann.

Der Erste Flug des 4D-Vorwaerts-Rückwaertsfliegers fand am 14. Maerz 2007 um 9:20 Uhr in Solingen auf dem Gelaende des MFC-SOLINGEN erfolgreich statt. Damit konnte ein kleines Stueck Modellfluggeschichte geschrieben werden, handelt es sich doch um den ersten Flug eines Flaechenflugzeuges ohne Steuerruder mit Vektorsteuerung, welches nachhaltig seine Flugrichtung aendern kann und in beiden Flugrichtungen beliebig lange kontrolliert zu fliegen imstande ist.

Mehrere Flugrichtungsaenderungen konnten durch dynamische Schwerpunktverlagerung geflogen werden, wobei jeweils ein Looping mit halber Drehung vorwaerts und Weiterflug rueckwaerts absolviert wird. Die 'instabile Phase' ohne Steuerung dauert ca. 1,5 Sekunden. In beiden Flugrichtungen fliegt der Flieger in gleicher Weise stabil. Gesamtflugdauer ca. 4-5 Minuten mit einem 3S 460mA Lipo-Akku bei ueberwiegendem Vollastbetrieb.
Waehrend der Schwerpunktverlagerung bleibt der Motor ca. 2 Sek.  ausgeschaltet.  
Wie der Bildvergleich zeigt, wurden fuer den Erstflug weitgehende Modifikationen vorgenommen:
-Entfernung der vorderen und hinteren Flaps
-Neutralisierung der symetrischen Profilwoelbung
-Anbau eines mitschwenkenden Heckspoilers

 

 
In den ersten Reaktionen in verschiedenen Internetforen (RC-Network, RCLineforum) auf die veroeffentlichten Videos wurde unterschwellig deutlich, dass es sich -nach Auffassung einiger Betrachter- doch garnicht um 'echten Rueckwaertsflug' handele, weil sich 'da doch nur was dreht'...
Da es bisher noch kein Flaechenflugzeug ohne Steueruder gegeben hat, welches -nur durch Zugvektorsteuerung betrieben- seine Flugrichtung im Fluge nachhaltig und nach Belieben aendern konnte und dabei in beiden Flugrichtungen einen stabilen Flug zeigte, existiert in der Phantasie der Betrachter eine Vorstellung von Rueckwaertsflug, welche nicht mit der hier gezeigten Realitaet in Einklang gebracht werden kann:
Erst durch die torquenden 4D-Slowflyer kam bei mir die Idee auf, ob es ueberhaupt moeglich ist, mit einem Flaechen-Modellflugzeug nachhaltig (minutenlang, wenn's sein muss) rueckwaerts zu fliegen. Flugakrobatischen Kabinettstueckchen wie * auf dem Ruecken landen, schwuppdiwupp V-Prop-Pitch rein, rueckwaerts auf die Beine stellen oder in der Luft mal 3 - 4Sekunden rueckwaerts ein Looping oder eine Rolle reißen * begeistern sicherlich jeden Modellflieger. Sie vermitteln jedoch einen Eindruck vom 'Rueckwaertsflug', bei dem die Rueckwaertsflugphase nur wenige Sekunden dauert.
Ein nachhaltig stabiles, manuell gesteuertes Rueckwaertsfliegen bedingt eine dynamische Schwerpunktverlagerung beim Flugrichtungswechsel im Flug , und dazu sind die Shockys in ihrer jetzigen Auslegung mit Rudern, die in einer definierten Flugrichtung (Vorwaertsflugrichtung) angestroemt werden, und einem festen Schwerpunkt, der nur eine stabile Flugrichtung ermoeglicht,
eindeutig nicht in der Lage .

Die starren Massen, die beim Vorwaerts-Rueckwaerts-Flieger in seiner letzten Entwicklungsstufe ihre Flugrichtung nachhaltig aendern, wie Fluegel, Fahrwerk mit Scheibenraedern und das 40g schwere 180Grad-Motorgalgen-Schwenkservo, bringen zusammen 135g auf die Waage, die verlagerten schwerpunktbestimmenden Massen wie Motor, RC-Komponenten und Schwenkgalgen nur 60g.

Wenn es also an einer griffigen Definition mangeln sollte, wann man von stabilem und nachhaltigem Rueckwaertsflug bei Slowflyern sprechen sollte, hier ist sie:

Wenn ein Slowflyer imstande ist, mit mehr als 2/3 seines Fluggewichtes im Fluge seine Flugrichtung beliebig oft zu aendern und nach jeder Flugrichtungsaenderung stabil und kontrolliert fuer laengere Zeit (mindestens 1 Minute) in der anderen Flugrichtung fliegen kann, dann muss es sich um stabilen, nachhaltigen Rueckwaertsflug handeln.

Um die Erkennbarkeit des Richtungswechsels staerker zu verdeutlichen und um einen sicheren Bodenstart (in Vorwaertsflugrichtung) zu ermoeglichen, wurden weitere Verbesserungen vorgenommen:
Ein weit nach vorne ausladenes Fahrwerk aus duennen Carbonstaeben mit duennen Scheibenraedern wurde montiert, die Flaechenunterseite wurde im ersten Drittel rot (Vorwaertsflugfarbe) und im letzten Drittel blau (Rueckwaertsflugfarbe) koloriert:

 

    

Ein Onboard-Video zeigt mehrfach den Flugrichtungswechsel des Vorwaerts-Rueckwaerts-Fliegers. Hierzu wurde die FlycamOne direkt hinter dem Motor unterhalb des Schwenkgalgens befestigt. Um das Mehrgewicht (Camera mit Halterungen ca. 35g) besser zu bewaeltigen, wurde der WES-Goldline 12N-Brushless mit 7,5g Leergewicht und ca. 210g Spitzen-Standschub gegen einen 'KISSKATZ Eigenbau 9N (BASIS: HP-Colorado Stator) mit  9,5g Leergewicht und 306g Spitzen-Standschub ausgewechselt ...
 

Video vom ersten 4D-Vorwaerts-Rueckwaerts-Flug mit dynamischer Schwerpunktverschiebung
Video vom 4D-Vorwaerts-Rueckwaerts-Flieger im Kampf gegen den Wind

 

Onboard-Video des Vorwaerts-Rueckwaerts-Fliegers mit mehreren Flugrichtungswechseln
Unerwartet zeigte sich, dass der Rueckwaertsflug nach Anbringung des weit ausladenden Fahrwerks mit den Depron-Scheibenraedern richtungsstabiler als der Vorwaertsflug ablaeuft: die 'geschleppten' Radscheiben wirken wie Stabilisierungsfinnen. Hierdurch entstand mein Internetforen-Signaturmotto 
       'Rueckwaerts fliegen geht besser als Vorwaerts'..  :-))

Bis Ende August 2007 hat der 4D-Vorwaerts-Rueckwaertsflieger ca. 50 Starts ohne Beschaedigungen der Flugzelle und Mechanik absolviert. Er fliegt nur in der Startphase mit voller Motorleistung etwas wackelig, bei normaler Flughoehen zwischen 10-30m  und bei Windstille ist sein Verhalten geradezu als gutmuetig zu bezeichnen. Durch den markanten Leistungsüberschuss des KissKatz-Eigenbaus sind erstaunliche Steigleistungen realsierbar. Wenn vor einem beabsichtigten Flugrichtungswechsel das Flugzeug mit dem Wind fliegt, der Motor ausgestellt wird und der 180Grad-Schwenk vollzogen wird, hebt der Flieger nur kurz seine 'Nase' (Flaechenvorderseite in Flugrichtung) an, um nach einem ca. 1 Sek. waehrenden Abschwung seinen Flug in umgekehrter Richtung fortzusetzen. Bei Flugrichtungswechseln in Flugrichtung gegen den Wind macht das Flugzeug einen Looping infolge der staerkeren Auftriebskraefte und setzt dann in umgekehrter Richtung seinen Flug fort.
Dies konnte auch auf der InterEx im September 2007 eindrucksvoll vorgefuehrt werden, was mit der 'Querdenker'-Trophy gewuerdigt wurde:

HDTV-Video vom Vorwärts-Rückwärtsflug 
auf der INTER-EX 2007 in Ostrach  ***40MB***
(Camera: Jean Yves Martin
Video: Stephan Brehm)

Die Pokalgewinner (v.l.n.r): Ralf Bendel ('Bester Flug' - Horten 229), Christian Huber ('Jugendlicher Erfindergeist' - 2,40m Shocky), Kurt Saupe ('Besondere Antriebe' - Ornithopter Escalibri), ich ('Querdenker-Trophy' - 4D-Vorwärts- / Rückwärts - Flieger, Peter Haas ('Publikumsliebling', Glücksdrache, 'Goldene Schaufel', Ufo-Hut), Allistair Foot ('Modellvielfalt' -  Gyrocopterflotte), Eric Langlois , Peter Aringer (Ersatzpilot für Jean-Louis Augros, der krank geworden war), Jean-Claude Boeuf, Jean-Pierre Guezennec ('Beste Idee' - Polyclub International). Nicht auf dem Bild: Lutz Näkel ('Bester Bau' - Monocoupé, Manfred Weßbecher ('Bestes Modell' - Weißkopf-Flugmaschine Nr. 21), Martin Orth ('Extreme Leistung' - Hughes 500)

 

APRIL 2007: TRICOPTER mit 3D-Schubvektorsteuerung

Die mittlerweile sehr vielfaeltigen und durchweg positiven Erfahrungen mit der 3D-Zugvektorsteuerung waren (und sind) Grundlage fuer eine ganze Reihe neuer Modellbauideen, die einfach nur umgesetzt werden wollen.

Neben gleitflugfaehigen Schwebeplattformen mit Tragflaeche , Nurfluegelflugzeugen fuer den Vorwaerts- und Rueckwaertsflug sowie konventionell ausgelegten Flugzellen mit Hauptfluegel und Leitwerk befasste sich eine neue Idee mit dem 'Rotationsfluegler', der als Tragschrauber mit 3D-Schubvektorsteuerung entstehen sollte und der statt eines Leitwerkes ebenfalls über einen kleinen Rotationsfluegel am Rumpfheck verfuegt und vorne von 2 grossen Rotationsfluegeln getragen wird.
Die Steuerung soll in bekannter  Manier von zwei um 90 Grad versetzt gekoppelten Low-Cost 7,5g-Servos uebernommen werden (z. B. Koax-Heli-Servos von Eflite), wobei auf dem Ruderhorn des letzten Servos der Motortraeger eines speziell hierfuer gebauten 9,5g - 9N- KissKatz-Brushlessmotors mit 340g Spitzen-Standschub an einem 6"-Prop (GWS 6030) Platz finden soll.

In Anlehnung an bereits bekannte und beliebte Konstuktionen wie 'WHOPPER' und 'TWIRL' entstand der TRICOPTER, der jedoch in seiner vergleichsweise kleineren Auslegung mit 3 Rotoren als ruderloser Gyrocopter mit 3D-Zugvektorsteuerung eine absolute Novitaet darstellt. 

Bei einer Spannweite von 950mm und einem Rohbaugewicht von 90g sollte nach Einbau der RC-Komponenten (Steller YGE-8, Empfänger GWS-4, 3d Servoeinheit 2 x E-Sky 7,5g und 2S-460mA-LiPo), des Motors und des Akkus ein Fluggewicht von ca. 170g moeglich sein. Da die Schubvektorsteuerung mit einem Steuerwinkel von 45 Grad (in alle Richtungen) arbeitet, darf mit spektakulaeren Flugeigenschaften gerechnet werden.
Erste Bilder des Rohbaus:

 Die drei 2,8g leichten Rotorblattaufnahmen sind aus Alu gedreht und mit Doppelkugellager versehen. Die Rotoren werden mit 3mm Polyamidschrauben in ebenfalls aus Alu gedrehten 2g leichten zylindrischen Rotorhaltern verschraubt. Diese feinmechanische Loesung ermoeglicht einen nahezu spielfreien Blattlauf.

 

 

 Das obige Bild zeigt die durch Photomontage eingefuegte 3D-Schubvektoreinheit , die sich z. Zt. noch in Arbeit befindet, in der geplanten Einbauposition.

 

 Nach Fertigstellung der 3D-Schubvektoreinheit stellte sich heraus, dass bei einer 45Grad - Auslenkung der Steuerservos die 6" Luftschraube Kontakt mit den Rotorblaetern bekam. Da das Fluggewicht mit einem 3S Lipo mittlerweile auf 190 Gramm gestiegen war (4mm Aludraht - Motorhalterung, diverse Carbon-Verstaerkungen usw.), waere der Einbau einer passenden 5" Luftschraube nicht sinnvoll gewesen, da hiermit nicht genügend Schubreserven mobilisiert werden koennen. Deswegen wurde die 3D Einheit an der Rumpfspitze zu platziert:

 

Der Erstflug fand am 16. April 2007 statt. Auch der 'Tricopter'  der erste ruderlose RC-Modellgyrocopter mit 3 Rotoren, der ausschliesslich ueber eine 3D - Zugvektorsteuerung gesteuert wird, ohne sonstige Steuerruder. 

Er fliegt gutmuetig und stabil, ist sehr agil, bei Vollast sind Loopings und allerlei 'aerobatics' moeglich.

Um eine hoehere Stabilitaet um die Querachse zu erreichen, wurden die Rotorblaetter des Heckrotors um jeweils 2cm verlaengert, der Effekt eines stabileren Flugverhaltens stellte sich umgehend ein.

 

Video vom Erstflug des Tricopters mit 3D-Zugvektorsteuerung

 

Im Rahmen der 'Modellpflege' wurden weitere Verbesserungen vorgenommen:


Der kleine KissKatz-Eigenbau brachte zwar genuegend Spitzenschub, war aber der Dauerbelastung durch das auf mittlerweile 210g angewachsene Abfluggewicht nicht gewachsen und wurde gegen einen 10g schwereren PowerSchnurzz - Eigenbau mit über 450g Spitzenschub ersetzt. Der Motor laeuft an einem 7030er GWS-Prop meistens im Teillastbereich (1/2 Gas) und verfuegt ueber genuegend Leistungsreserven fuer alle moeglichen Aerobatics (gerissene Rollen, kurzzeitige Rueckenlagen, Rueckwaertsloops, enge, sehr schnelle und flache Horizontalspins).
Um die Flugeigenschaften bei  Wind zu verbessern, wurde der Heckrotor umgestaltet (Flaechenvergroesserung im Zentrum), wodurch ein eigenstabileres Geradeausflug- und Langsamflugverhalten erzielt werden konnte.

 

Um die Fluglagenerkennung bei Entfernungen von mehr als 50m zu verbessern, wurde der Tricopter  komplett in schwarz eingefaerbt. 
   
   
Februar 2008: Fertigstellung des SEXTACOPTERS

Ein seit laengerer Zeit in Arbeit befindliches Jux-Projekt konnte Mitte Februar 2008 fertiggestellt werden, nachdem bei EBAY genuegend Rotoren von defekten  RC-Ufos erstanden worden waren.

Der SEXTACOPTER ist ein Gyrocopter mit 3D-Zugvektorsteuerung und 6 gleichdrehenden, doppelt kugelgelagerten EPP-Leichtrotoren (je 12g). Die Rotoren entstammen diversen VECTRON - Ultralite RC-UFOS. Das Abfluggewicht liegt bei kritischen 270g, es muss sich erst noch zeigen, ob der ganz aus gebogenen Carbonstreben gebaute Flieger in dieser Form ueberhaupt vom Boden abhebt. Falls nicht, erhaelt jeder Rotor einen die Rotorflaeche vergroessernden 'Venusring' von 3,5cm Durchmesser. 

Um die Fluglagenstabilitaet zu staerken, wurden  die vorderen und hinteren Rotoren mit unterschiedlichen Anstellwinkeln verbaut, ebenso erhielt die hintere Rotortraegertraverse eine negative V-Form.

 


Erste Roll- und Startversuche zeigten bei der Inter-Ex 2010 in Needervert, dass sich der Sextacopter mit 6 gleichdrehenden Rotoren, unterstützt durch das Motordrehmoment, sofort nach dem Abheben links um seine Längsachse auf den Ruecken dreht und unkontrolliert abstuerzt. So kann's gehen... Vielleicht wuerde er fliegen, wenn 3 links- und 3 rechtsdrehende Rotoren verfuegbar waeren.