ROTORWINGS

           

* Vertikal und horizontal rotierende Flugkoerper *
23. November 2008: Erstflug eines in allen Ebenen steuerbaren Rotations-Flaechenflugkoerpers (ROTO-VECTOR-WING) mit Vektorsteuerung. 

Was fuer ein komplizierter Anspruch - Bau eines permanent rotierenden Flugkoerpers, der ohne Steuerruder und ohne stabilisierende Elektronik in allen Ebenen steuerbar ist.

Ausgangspunkt waren Ueberlegungen, einen vertikalen Rotationsfluegel mit 2 drehmomentneutralen BL-Antrieben zu versehen und über eine von der Rotationsachse entkoppelte 3D-Zugvektorsteuerung in allen Ebenen zu steuern:

Im Oktober 2007 wurde im Internet solch 'FUN-HOVER' als RC- 'Imperial-UFO' angeboten, welches als senkrechtstartender Rotationsflugkoerper ueber ca. 73cm Spannweite und ein Fluggewicht von ca. 220g verfuegte. Es bestand aus einem Rotor mit 6 Fluegeln aus Hartschaum, an 2 gegenüberliegenden Fluegeln waren insgesamt 2 Buerstenmotore angebracht, in der kegelfoermigen Rotornabe befand sich neben einer Empfaenger/Drehzahlreglerplatine ein 200mA NiMh Akku zur Stromversorgung. 

Nachdem solch ein Teil fuer ca. 30 Euro beschafft war, zeigte es recht bald seine begrenzte Einsatzfaehigkeit: Neben der viel zu kurzen Flugzeit (max. 3 Min.) bestand -wie bereits bekannt- nur die Moeglichkeit, in einer Achsenebene zu steuern (rauf - runter). 

 


Peter Haas aus Berlin zeigte bereits auf der INTER-EX 2007 in Ostrach seinen Spass-Hut 'ASCOT', bei dem er einen 'FUN-HOVER' mit 4 Buerstenmotoren versehen hatte und von seinem Strohut startend aufsteigen liess. Auf die mehrachsige Steuerbarkeit eines solchen Rotationsflugkoerpers angesprochen, laechelte Peter und sagte:'...keine Chance..!'

Aus diesen Einschraenkungen und den bisherigen Erfahrungen entstand die Idee eines in allen Ebenen steuerbaren vektorgesteuerten Rotationsfluegels.

   

Die Flugerprobung dieses 6-Flueglers
zeigte recht bald, das die Komponenten (modifizierte,
 folienkaschierte Schaumfluegel des 'FUN-HOVER' - Flugspielzeugs, Vektorstreuerung mit verblockten 5g Micro-Servos mit Kunststoffgetriebe) den Belastungen nicht standhielten: Harte Landungen sowie nicht ausreichende Belastbarkeit der Servogetrieberaeder fuehrte zu unerwuenschtem 'Aufschaukeln' und zu Bruchrissen. So quittierten die Micro-Servos der 3D-Zugvektorsteuerung recht bald ihren Dienst.

Wegen der mit dem 'Aufschaukeln' verbundenen Unwuchten war ein stabiler und in allen Ebenen steuerbarer Schwebeflug nur ansatzweise und nur fuer kurze Zeit moeglich. Als Hauptdefizit dieser Konstruktion erwies sich jedoch die in der Rotationsmittenachse angebrachte rumpfaehnliche Aufhaengung fuer die 3D-Zugvektorsteuerung. Eine praezise Ausrichtung war fast unmoeglich, da die einwirkenden Prae-zessionskraefte  unerwuenschte Nebensteuerungseffekte hervorriefen, die eine nachhaltige Kontrolle des Fluggeraetes verhinderten.

Die  'Pendelstabilisierte Vektorsteuerung',
entwickelt fuer den Einsatz in horizontal rotierenden Flugkoerpern, ermoeglicht es hingegen, fast beliebig geformte, horizontal rotierende Flugkoerper ohne Steuerruder in die Luft zu befoerdern. 

Aus DEPRON lassen sich z. B. Ringfluegel bauen, die durch aussenliegende Tragflaechen stabilisiert und in ihrer Auftriebswirksamkeit unterstuetzt werden.

Die Anzahl der Tragflaechen, deren Anstellwinkel und deren Formgebung bestimmen massgeblich die Silhoutte des rotierenden Flugobjektes: So sind Anordnungen denkbar, die vorne einen kleineren, hinten einen groesseren Ringfluegeltragen, und so als 'Ringfluegel-Ente' fliegen. Oder zwei gleichgroße Ringfluegel, einmal mit symmetrischer Fluegelform, ein andermal mit asymetrischer Formgebung. 

Der erste gebaute Prototyp aus Depron ist ein rotierender Doppel-Ringfluegel, die durch  4 aussenliegende, asymetrisch geformten Fluegel spiralfoermig verbunden sind: 

 

Video vom Erstflug des 'SPIRAL-ROTOWING' 
 am 25. Januar 2009
Die hellen Depronflaechen des SPIRAL-ROTOWING verlangen geradezu nach einer dynamischen Farbgebung, die das Design des Fliegers aufwertet und sein sprektakulaeres Flugbild optisch verstaerkt. Um herauszufinden, welches Farbdesign dieser Wirkung am naechsten kommt, wurden erste Versuche mit Edding-bemalten Farblaechen gestartet:

Bei weiteren Testfluegen zeigte sich, dass die spiralfoermig verlaufenden Farbfelder (2 x schwarz, 1 x blau, 1 x rot) imstande sind, die rotierende Flugbewegung optisch zu verstaerken.

Video vom Flug des bunten'SPIRAL-ROTOWING' 
 am 18. Februar 2009
Um herauszufinden, inwieweit 2 verschieden grosse Ringfluegel bei erhoehter Rotationsgeschwindigkeit Einfluss auf das Flugverhalten des Rotationsfliegers nehmen, wurde -basierend auf den Erkenntnissen, die mit dem 'SPIRAL-ROTOWING' und der 'FLIEGENDEN KUGEL' gesammelt wurden, eine besonders kleine und feste Flugzelle konzipiert. Mit ihrem eifoermigen Erscheinungsbild erinnert sie an Haartrockenhauben aus einem Damensalon der 50er Jahre.
Die ' HAARTROCKENHAUBE'' verfuegt ueber einen Aussendurchmesser von 60cm und eine Laenge von ebenfalls 65cm. Sie wird mit dergleichen steckbaren Vektoreinheit geflogen, mit der bereits der 'SPIRAL-ROTOWING' in der Luft bewegt wird.

Der Groessenvergleich mit einer kleinen 'V-WING BOX' zeigt, dass es sich bei der 'Fliegenden Haartrockenhaube' um einen kleineren vektorgesteuerten Rotationsfluegelflieger handelt. Da sich die Mattweiße Depronoberflaeche mit herkoemmlichen Acryl-Malerfarben sehr gut vertraegt, stand einer farblichen Gestaltung der 'Haube' nichts mehr im Wege.

Ziel der Farbgestaltung ist - neben der reinen Verschönerung- die Visualisierung der Rotationsbewegung im Fluge.

 

Die grossflaechige Farbgestaltung der Depronoberflaeche mit Acrylfarbe sollte sich jedoch als nachteilig erweisen: Nachdem der nasse Farbauftrag ueber Nacht durchgetrocknet war, zeigte die 'Trockenhaube' am vorderen, vormals kreisrunden Ringfluegel einen markanten, ovalen Verzug. Trotzdem wurde der Erstflug gestartet, in der Hoffnung, dass die stetige Rotation dies auszugleichen vermag. Das Flugverhalten stellte sich jedoch kritisch dar, nach einem fehlerfreien Start sorgte die Ovalitaet des vorderen Ringfluegels fuer eine Unwucht, die das Traegheitspendel der Vektorsteuerung in unerwuenschte Schwingungen versetzte, worunter die Steuerbarkeit des Flugobjektes erkennbar zu leiden hatte: Ein Absturz nach ca. 20m Flugstrecke war leider unvermeidbar.
Die Rissschaeden hielten sich erstaunlicherweise in Grenzen, so dass sich der Flieger mit etwas UHU-Por wiederherstellen laesst. Danach wird der Versuch unternommen, die Ovalitaet des Ringfluegels durch den Einsatz eines Heissluftfoehns zu beseitigen.
VIDEO vom Erstflug der 'HAARTROCKENHAUBE'  am 26. Februar 2009

 

Flugobjekte mit horizontal rotierenden Fluegeln eroeffnen voellig neue Moeglichkeiten der Gestaltung sehr steifer Flugzellen: Die Kombination von Ringfluegeln mit Fluegel-Lamellen in spiralfoermiger Anordnung ermoeglicht diverse Formen der 'Verkastung', wobei stets die Symmetrie aller Ansichten das Erscheinungsbild  praegt.

Da die 'Leichtversion' des NTK-Rotationsdrachens mit pendelstabilisierter 3D-Zugvektorsteuerung bereits die Entwicklung des 'Spiralfluegelfliegers' (--> Microkites) initiiert hat, sollten die Rotordrachen mit der 'groesseren' Pendel - Vektorsteuerung ebenfalls ein Pendant aus Depron erhalten. Gedacht war hierbei an ein rotierendes Flugobjekt mit dem
Erscheinungsbild einer 'Fliegenden Kugel', mit ca. 1qm. Flächeninhalt bei ca. 500g Fluggewicht. 
Um dieses Erscheinungsbild durch die Rotation zu erzeugen, wurden 3 Ringfluegel mit 6 spiralfoermig angeordneten, halbkreisfoermigen Fluegeln verbunden:

 


Der Erstflug dieses Flugobjektes fand am 18. Februar 2009 statt. Es flog auf Anhieb, jedoch mit leichten Pumpbewegungen, da der Schwerpunkt sich vorher nur annaeherungweise bestimmen liess und -wie beim Erstflug erkennbar- etwas zu weit hinten lag. 

Das Flugbild zeigte in unvergleichlicher Weise aus einiger Entfernung das, was beabsichtigt war: eine fliegende Kugel. Wie bereits bei den vorhergehenden Rotationsfluegelfliegern war auch hier die vollstaendige Beherrschbarkeit in allen Fluglagen ueber alle 3 Steuerachsen gegeben. 

Verblueffend fielen einige 'Areobatics' aus: Der 'Wendekreis' betraegt nur ca. 1,50m, ebenso der Loopingdurchmesser. Am eindrucksvollsten weiss die 'Fliegende Kugel' zu gefallen, wenn sie -etwas langsamer als ihre DEPRON-Ringfluegel-Vorgaenger- ihre Bahnen am Abendhimmel zieht und von der untergehenden Sonne beschienen wird ...

VIDEO vom Erstflug der 'Fliegenden Kugel' am 19. Februar 2009

Auch der 'Fliegende Kugel' wurde eine farblichen Verschoenerungskur verabreicht, wobei diesmal nicht mit Acrylfarben, sondern mit Edding - Markierungsstiften gearbeitet wurde. Spasseshalber wurde das Flugobjekt vor und nach der Farbdekoration gewogen, wobei nachher ein Mehrgewicht von 2,3g ermittelt wurde.


Nach entsprechender Farbgestaltung zeigt die rotierende Kugel ein aussergewoehnliches Flugbild: einmal in Rotation befindlich, wechseln sich die Farben blau, blauviolett, rotviolett, rot, orange und gelb ständig ab, da jedes der 6 Fluegelsegmente mit entsprechenden Farbfeldern versehen wurde.

Seit ihrem Erstflug in 2009 hat die 'Fliegende Kugel' etliche Starts und Landungen absolviert. Solange die Windverhaeltnisse als 'ruhig' bezeichnet werden konnten - kein Problem. Bei Windstaerken ueber 1bft. wird das Flugverhalten der Kugel kritisch: Die Pendelstabilisierte Vektorsteuerung wird - angeregt durch boeigen Wind - kurzzeitig unkontrollierbar, wenn sich die Kugel 'aufstellt', die Schwerkraft des Pendels somit aufgehoben wird, und das Drehmoment des Motors die gesamte Pendel-Vektoreinheit in Rotation versetzt. Fuer kurze Zeit glaubt man dann, einen Hubschrauber vor sich zu haben. Wenn die Fluegelrotation in senkrechter Stellung abnimmt, verliert die Kugel ihre Stabilitaet, 'Kippt' ab - und faengt weiter an zu rotieren, wodurch das Flugverhalten stabilisiert wird und 'normal' weitergeflogen werden kann.

Um die Reagibilitaet der pendelstabilisierten Vektorsteuerung in kritischen Fluglagen zu erhoehen, wurden das Pendel, die Pendellagerung (Kugellager) und die Motorisierung (mehr Schub) verbessert. 
Wie im Video zu sehen ist, laesst sich die Kugel bei Windstille in jeder Fluglage zuverlaessig kontrollieren. 

 



VIDEO vom Flug des modifizierten 'ROTATING BALL II' im Mai 2011 bei Windstille
TRANSITION 1 - 
Entwicklung eines rotationsfaehigen Nurfluegel-Modells
, welches zwischen 2 Flugzustaenden wechseln kann
Nach Bau und Flugerprobung der 'ROTATOREN' entstand die Idee, ein zweimotoriges Nurfluegel-Flugmodell zu bauen, welches zwischen 2 Flugzustaenden wechseln koennen sollte: 

In der ersten Flugphase sollte es mit propellerartig verschraenkten Flaechen rotierend starten und so Hoehe gewinnen koennen. Nach Erreichen einer gewissen 'Sicherheitshoehe'  sollte die 90Grad-Schraenkung auf 0 Grad zurueckgenommen werden - und das Modell wie ein 'normales' Nurfluegelflugzeug im Geradeausflug weiterfliegen koennen. Genauso sollte die Transition vom Normalflug zurueck in den Rotationsflug moeglich sein. 

Als 'Versteller' fuer die Flaechenschraenkung sollte ein 180-Grad-Segelwindenservo dienen, welches fuer den Kraftbedarf einer Flaechenschraenkung von 90 Grad durch ein Getriebe 2:1 untersetzt werden sollte.  Das Flugmodell sollte so leicht wie möglich gebaut werden, allerdings auch so stabil wie noetig, da mit einem Fluggewicht von ca. 220 - 240g zu rechnen war. 
Fuer den Vortrieb sollten 2 WES-Technik 5g BL-Motore mit YGE-4 Reglern zum Einsatz kommen, als Empfaenger war ein 6-Kanal Spektrum-Empfaenger eingeplant. 
Als erstes wurde das 'Skelett' des formal an Ahornsamen angelehnten, 70cm langen Fluegelblattes auf Montagekarton aufgezeichnet und als Fachwerkstruktur mit 0,5x3mm CFK-Flachprofilen und 3mm Rundstaeben aufgebaut. Als 'Wendeachse' kam hierbei 7,6mm CFK Skyshark Rohr aussen und 6mm cfk-Stabmaterial innen zum Einsatz. Die Flaechenzwischenraeume wurden mit 3mm DEPRON ausgefuellt. Der fertige Flieger brachte ein Gewicht von 370g auf die Waage, wobei mit einem 3S-450mAh-LiPo (zusaetzliche 40g) geflogen werden sollte. Das zweite Fluegelblatt wurde auf demselben Baukarton aufgebaut wie das erste.
Und so sah der Rohbau dann aus:

 

Die Flugerprobung des TRANSITION 1 fand im Sommer 2011 bei warmem Sonnenscheinwetter und Windstille auf einer Wiese mit hohem Gras statt:
Nachdem der verschraenkte Fluegel in einer dafuer bereitgehaltenen Startgabel bei voller Leistung der beiden Motore in Rotation versetzt war, hob er langsam ab und stieg auf ca. 10m Hoehe.

Leider quittierte ein Regler unter Vollast seinen Dienst, sodass der Start mit einer unsanften Landung, jedoch ohne weitere Schaeden, im hohen Gras endete. Bei einem Testlauf der beiden Motore stellte sich heraus, das immer dergleiche (rechte) Motor nach einigen Sekunden unter Vollast aussetzte, jedoch mit 3/4 Last konstant lief. Da diese Schubleistung fuer einen senkrechten Rotationsstart jedoch nicht ausreichte, fand der zweite Flugversuch als 'normaler' Nurfluegel statt, um die Flugeigenschaften im Geradeausflug und die Transition aus dem Geradeausflug in die Rotation zu testen.

Hierbei zeigte sich der  TRANSITION 1 fast wie ein 'normaler' Nurfluegel im Geradeausflug, war jedoch aufgrund fehlender Winglets nicht besonders richtungsstabil und neigte im engeren Kurvenflug zum 'Wegkippen', so dass nur groessere Kurvenradien geflogen werden konnten.

Die Transition vom Geradeausflug in die Rotation gelang zwar, aber anders, als geplant: Statt sich -wie beim Start- mit nach oben ziehenden Motoren auszurichten, zeigten die Motore nach unten und beschleunigten so die Abwaertsrotation, die ja eigentlich eine Aufwaertsrotation sein sollte. Da dieses Manoever in ca. 20m Hoehe stattfand, blieb keine Zeit fuer Flugkorrekturen.
Die Beschaedigungen hielten sich Dank des hohen Grases und des geringen Selbstzerstoerungspotentials des Fliegers in Grenzen: Lediglich die Mittelachse und eine Hoehenruder-Abschirmung weren gebrochen. Mittlerweile ist der TRANSITION1 wieder flugfaehig und wartet auf warmes Wetter mit hohem Gras...
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ROTORWING -
Entwicklung eines Flugobjektes mit Flettner/Thom-Rotor

FLETTNERROTOREN mit MAGNUS-Effekt
begeistern jeden experimentierfreudigen RC-Modellflieger, steckt doch ein grosses Potential hinter der Idee, rotierenden 'Flettner'-Walzen nicht nur auf Segelschiffen als Segelersatz für den Vortrieb zu nutzen, sondern auch einmal auszuprobieren, ob ein zylindrischer Rotationsflugkoerper mit waagerecht und quer zur Flugrichtung angeordnetem Walzen-Rotationsfluegel genuegend Auftrieb liefert, um das gesamte Fluggerät - wie auch immer es aussehen mag - in der Luft zu halten und zufriedenstellende Flugleistungen zu generieren. 

Ueber die aerodynamischen Grundlagen solcher Rotierenden Walzen laesst sich einiges im Internet recherchieren. So gab es bereits mehrere Versuche, Modellflugzeuge mit Flettner-Rotationsfluegeln zu bauen und fliegen zu lassen. 
Der aelteste dokumentierte Versuch duerfte der von Otto Klank sein, ueber den er 1936 in der Zeitschrift 'Luftwacht' berichtete und sein Gummimotor betriebenes Rotationsflügel-Flugmodell vorstellte:
Klank schreibt, dass 3 Personen gleichzeitig mit dem Aufziehen der Gummis beschäftigt waren und Flugzeiten zwischen 8 und 12 Sekunden erzielt wurden, wobei das Modell eine Neigung zum Ueberschlag zeigte.



















Die erste Darstellung eines flugfaehigen RC-Modells mit Flettnerrotationsfluegeln zeigte Dr. Jost Seifert auf seiner Webseite    
www.rotorflugzeug.de 

Er schreibt hierzu: '.
.als erster Schritt ... wurde ein kleines Rotorflugmodell gebaut. Dazu wurde ein kommerzieller Slowflyer (EMBER von Parkzone) modifiziert...’ - in aehnlicher Weise, wie z. B. bei dem historischen Rotorfluegelflugzeug von Plymouth aus dem Jahre 1928.

’... Neben kleineren Modifikationen am Fahrwerk und dem Propellerantrieb wurde ein Thom-Rotor, also ein Zylinder mit mehreren Scheiben aus leichtem Papier (30g/m²) integriert. Dieser Thom-Rotor verspricht noch höhere Auftriebsbeiwerte als der Flettner-Rotor, und eine größere aerodynamische Effizienz (Ca/Cw). Dieses Modell wiegt lediglich 50g und ist mit einer 4-Kanal-Fernsteuerung ausgestattet. Bei den Testflügen, die in einer Halle stattfanden, konnte der Effekt der Kreiselkräfte im Flug erfahren werden. Es zeigte sich, dass die Kreiselkräfte durchaus die Flugdynamik beeinflussten. Größere Vibrationen wurden nicht festgestellt. Dies liegt vermutlich an der biegeweichen Cantilever-Lagerung der Rotoren. Im Flug wurden bei einer Fluggeschwindigkeit von etwa 2 m/s und bei einer Rotor-Drehzahl von etwa 2500 1/min Auftriebsbeiwerte von Ca ≈ 6 erreicht...'

Der Modellbauer Roland M. M. beschreibt ebenfalls im Internet auf seiner Webseite http://loudspeaker.klack.org/seite1.html# den Bau eines Flettner - RC - Modellflugzeuges, bei welchem er sich an der Modellkonstruktion von Dr. Seifert orientiert hat.  Leider berichtet M. nicht darueber, ob- und wenn ja - wie das Modell geflogen hat.

Eine anschauliche Darstellung zur Theorie und Wirkungsweise der Rotorfluegel von Flettner und Thom findet sich auf der Webseite www.sunny-www.sunny-boxwing.de/Flettner-Wig-wings.htm  wing.de von Dieter Schulz-Hoos:
 
  '...Flettner Rotoren - rotierende Zylinder - sind die mechanische Darstellung der Traglinientheorie zum Flügel.
Diese Theorie sagt vereinfacht:
Hat man einen sich drehenden Rotor aus Luft und strömt diesen an, bildet sich aus der Überlagerung eine Druck- und Geschwindigkeitsdifferenz ähnlich wie um einen profilierten Flügel. 
Es entstehen Auftrieb und Widerstand...'
'.. Flettner ersetzte den mathematischen Luftwirbel durch eine rotierende Walze, die Luft auf der Oberfläche mitbewegt. Eine kluge Idee, denn seine Rotoren konnte man zum Beispiel vertikal auf ein Schiff setzen und dann lieferten sie im Wind Auf- und Vortrieb wie ein Segel. Und das hat wirklich gut funktioniert, solange die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 3 mal höher war als die Anströmgeschwindigkeit - der scheinbare Wind beim Segeln. Doch gut war nicht gut genug, um gegen die aufkommenden 2-Takt-Diesel als Rotorsegelschiff eine Chance zu haben...'
'.. Als Flugzeugflügel sind solche Flettner-Rotoren leider nicht zu gebrauchen. Das Flugzeug würde gleiten "wie ein Stein". Auch Versuche, die Flettner-Walze in einen Flügel zu integrieren waren wenig erfolgreich. Sogar der auf frühere Überlegungen von Flettner rückgreifende Versuch eines "Transportbandes" im Flügel hatte keinen Erfolg.
Trotz vieler Patente dazu. (Links ein Flügelprofil mit Nasenrotor und Flettnerband schematisch dargestellt.)..'
'.. Das Problem liegt hier darin, dass diese Lösungen mit "Flettner im Profil" die Zirkulation um den Rotor herum unterbrechen, sozusagen durch den Flügel abscheren. Es entsteht gar kein rotierendes Feld, nicht einmal ansatzweise. Und das bisschen rotierende Metalloberflaeche im Flügel bewirkt für sich allein so gut wie nichts. Auch nicht als als Transportband, denn schon Flettner selbst, der zunaechst solch ein Band als Segel auf einem Schiff installieren wollte, erkannte, daß zwei freistehende Rotoren in einem bestimmten Abstand zueinander viel wirksamer waren...'
'..Doch es gibt noch eine andere Loesung: 
Wie die Graphik links zeigt, konnte Alexander Thom, ein schottischer Ingenieur, vor 60 Jahren nach 10 Jahren Arbeit zeigen, daß viele große Scheiben an einem Flettner-Rotor dessen Leistung beträchtlich anheben. Aus einem maximalen Auftriebsbeiwert des Flettner-Rotors von ca. 12 wird mit Thom-Scheiben ein Auftriebsbeiwert von 20 -  bei einem
Sechstel des Widerstands! Das entspricht einer Verzehnfachung der Gesamtleistung.

Ein Flugzeug könnte also statt Fluegel solche Thom Rotoren haben. Doch halte ich das nur im Bodeneffekt für sinnvoll und machbar. Und dann mit einem Tandem-Rotor-Flugzeug...'

 

'.. Hier noch einmal meine Skizze von der
Seite mit Bodeneffektüberlegungen. Das
Projekt halte ich tatsächlich auch
heute noch für möglich und sinnvoll,
vor allem da die Rotoren oder auch
nur deren Oberflächen mit heutiger
E-Technik exakt in der Umdrehung
angesteuert werden können...'

Das erste im Video dokumentierte, flugfaehige RC - Modell mit  Flettner-Rotationsfluegel 
(mit Drehrichtung der Fluegelunterseite g e g e n die Flugrichtung, Oberseite m i t der Flugrichtung) wurde bei Youtube 2011 von Roman F. und Serafin M. vorgestellt. Man erkennt sehr deutlich, wie sich das sehr leicht gebaute Flugobjekt bei Steuerruderoperationen verwindet, um die Praezessionskraft der rotierenden Flettnerwalze fuer den Kurvenflug zu ueberwinden:

(Quelle: YOUTUBE 2011)

Im Starterfeld der Inter-Ex 2012 ueberzeugte Roman F. mit einer Weiterentwicklung, einem Tandem-Rotor Flugobjekt - bestehend aus 4 Flettner - Rotorfluegeln mit elektronischer Drehzahlregelung,  wofuer dem Entwickler und Piloten grosse Anerkennung -auch in der Fachpresse (siehe auch FMT 11/2012)- entgegengebracht wurde. 

So etwas Aussergewoehnliches hatte es bis dato in der RC-Modellflugwelt und auch bei der Inter-Ex nur selten gegeben. 

Lutz Naekel schreibt hierzu in der FMT, Ausgabe 11/2012, in seinem Artikel 'Anders fliegen - 27 Jahre Inter-Ex':

 '...am meisten beeindruckt hat mich das Experiment eines jungen Mannes...' und weiter: '.. der Apparat kann sensationell langsam, fast bis zum voelligen Stillstand, geflogen werden. Die Flugvorfuehrungen verfolgten auch die alten Hasen mit unglaeubigem Staunen. Leider zerlegte sich das fragil gebaute Geraet bei seinem letzten Flug auf spektakulaere Weise in der Luft...'
Mittlerweile berichtet Roman F. auf seiner Webseite ueber den Werdegang des Flettner-Modellflugzeugprojektes, wobei er die darueber geschriebene Diplomarbeit zum Download bereitgestellt wird:

http://fischair.wordpress.com/projects/flettner-rotorflugzeug/ 

Bleibt zu hoffen, dass Roman F. das aufwendig gebaute und fuer die Experimentalfliegergemeinde wertvolle Fluggeraet noch einmal wiederherstellen und weiterfliegen kann.

 
(Quelle: FMT 11/2012)

(Quelle: YOUTUBE 2012)

Beide Videos zeigen, das Rotationsfluegel genuegend Auftrieb erzeugen, um selbst ein Modellflugzeug mit 4000g Abfluggewicht in der Luft zu halten (Fluggewicht des Flugobjektes mit 4 Flettnerwalzen). 

Durch die im Internet gesammelten vielfaeltigen Infos und Erkenntnisse ueber Flettner-Rotoren und Flugzeugkonzepte sowie eigene Erfahrungen mit diversen durch Pendel stabilisierten, vektorgesteuerten Rotationsdrachen bzw. DEPRON-Rotationsflugkoerpern entstand die Idee, einen Flettner-Walzenfluegel als Auftriebskoerper in ein vektorgesteuertes Flugobjekt zu integrieren, und ein RC - Modell zu bauen, welches im 'Lastenheft' eine ganze Reihe Anforderungen stehen hat, die das Experimentalflugzeug erbringen soll:

1. Es soll nicht groesser sein als 90cm x 90cm, so dass es in einen SMART - Kofferraum passt :-))
2. Es soll weitgehend zerlegbar sein, da eine auswechselbare 3D-Vektorsteuerung eingesetzt werden soll)
3. Es soll maximale Manoevrierfaehigkeit aufweisen und in jeder Fluglage sicher beherrschbar bleiben.
4. Es soll ohne Tragflaechen und Steuerruder und ohne elektronische Stabilisierungshilfen flugfaehig sein.
5. Es soll flugfertig moeglichst nicht mehr als 500g wiegen.
6. Es soll preiswert herzustellen sein.


Um die Praezessionskraft des rotierenden Walzenfluegels zugunsten maximaler Wendigkeit im Fluge zu ueberwinden, galt es, ein Konzept zu finden, womit dies moeglich sein konnte.
Hierbei liess ich mich am staerksten vom Erscheinungsbild eines motorisierten Paragleiters beeinflussen, dessen Schwerpunkt bestimmende Massen (Pilot mit Rucksackmotor) sich so weit als nur moeglich unterhalb der Auftriebsebene (Schirm) befinden.

Als Auftriebsspender und 'Schirmersatz' sollte ein querliegenden Flettner-Walzenfluegel dienen, und als Ersatz fuer die Tragleinen ein starres, filigranes, Y - foermiges Tragrahmengebilde aus CFK-Rohr, welches oben die Walze, darunter die Vektorsteuerung und den Walzenantrieb, und darunter wiederum die Stromversorgung aufnehmen sollte. Die 3D - Vektorsteuerung sollte die Funktion des Rucksackmotors und der Steuerleinen uebernehmen. Im Einzelnen wurden hierfuer folgende Zielgroessen festgelegt:

WALZENFLUEGEL: Walzenbreite ca. 80cm, Walzendurchmesser ca. 15 cm, Rundspanten der Walze aus 6mm DEPRON, einseitig mit 0,6mm Flugsperrholzringen mittig verstaerkt.

WALZENANTRIEB: 25g BL-Motor 9N 12P mit 1600kV in Verbindung mit einem 1:4 Metall/Kunststoff- Zahnradsatz und 2g leichtem Zahnriem'chen' aus einem 'geschlachteten' PC-Drucker. Antriebssteuerung über 4g leichten 6-CH DSM2 Empfaenger und 10A Regler.

TRAGRAHMEN: Skyshark-300 CFK-Rohrstuecke fuer den Tragrahmen,  CF-Rovings/Harz/Sekundenkleber fuer Klebung und Verstaerkung.

VORTRIEB: Als Antrieb fuer diverse Vector Kites lag eine bereits gebaute,  130g leichte und auswechselbare  3D - Zugvektorsteuerung mit einem 25g leichten 9N-12P 1850kV BL-Motor und  7035 Prop/650g Schub vor, deren Schwenkmechanik auf einem RC-Car Achskreuzgelenk aufbaut. Die Vektorsteuerung verfuegt ebenfalls ueber einen eigenen 6-CH DSM2 Empfaenger, 20A ESC und zwei zugstarke 13g Metallgetriebeservos.

Der eigentliche Bau des Flugobjektes erfolgte mit ca. 25 Stunden Bauzeit relativ schnell.
Plaene wurden nicht gezeichnet, lediglich ein Montagekarton als Bauhilfe wurde mit dem Schema des  Y-Tragrahmens versehen.

Um Unwuchten zu vermeiden, wurden alle rotierenden Teile des Flettner-Fluegels wie Ringspanten und Thom-Ringe  auf 1/10mm genau 'im Block' bearbeitet, die Rotorfluegelachse wurde an ihren Enden mit CFK verfuellt und hierin die Lagerstiftpassungen fuer die 3mm Kugellager auf einer Drehbank eingebracht.
Als schwierig stellte sich die Beplankung des Walzen'gerippes' mit 3mm SELITRON heraus. Nach einigen unbefriedigenden Versuchen wurde der vorgebogene Selitron-Mantel 1,3cm ueberlappend ausgeschnitten und die Ueberlappungen angeschraegt, so dass eine ca. 1,2cm breite Klebenaht ausreichende Stabilitaet gewaehrleisten konnte. Die fertiggestellte Walze wurde in provisorische Aufhaengungen in Kugellagern drehbar befestigt, statisch mit Papierklebeband ausgewuchtet und mit bis zu 2000 U/Min. auf Unwucht ueberprueft. 

Nach Fertigstellung des Walzenfluegels wurden die Rohrsegmente des Y-Tragrahmens mit Sekundenkleber zusammengeheftet und mit Rovings vestaerkt. Der im Y-Rahmen verschiebbare Walzenantriebsmotor erhielt eine verlaengerte Motorachse mit einem zusaetzlichen Stuetzlager hinter dem Zahnriemen-Antriebsrad und ist womit 3-fach kugelgelagert. 
Der unterste Teil des Y-Rahmens wurde mit einem 5mm Balsabrett ausgefuellt und mit Klettfilzband zur (variablen) LiPo-Befestigung  versehen. 
Die folgenden Bilder und ein kleines Video verdeutlichen den Bauvorgang des ersten Prototypen ROTORWING I:

Video vom Bau des ROTORWING I
 
Die Erstflugerprobung fand unter widrigen Windverhaeltnissen auf einer Wiese in  Tallage statt. Um abheben zu koennen, musste mit voller Walzen- und Vektormotordrehzahl (beides war zunaechst separat regelbar) gestartet werden. 
Nach kurzer Eingewoehnung stand fest: Das Geraet fliegt - wider Erwarten - sogar voellig unproblematisch. Es folgt gutwillig allen Steuerbefehlen des Piloten und haelt Hoehe mit 3/4 Gas. Mit Vollgas steigt es bestaendig und gewinnt konstant an Hoehe. Im Geradeausflug liegt eine Fluggeschwindigkeit zwischen 10 und 15 Km/h an, bei Gegenwind kann der ROTORWING auf der Stelle schweben, bei starkem Gegenwind fliegt er sogar bestaendig rueckwaerts.

Das unproblematische Kurvenflugverhalten wird hierbei durch die langen 'Hebelarme' der den Schwerpunkt bestimmenden Massen (Antrieb, Vektorsteuerung, LiPo-Akku) beguenstigt. Kurven leitet man durch leichten Propellerschwenk mit der 3D-Vektorsteuerung ein, zieht hierbei ein wenig 'hoch' , den Rest besorgen die Fliehkraefte der Schwerpunkt bestimmenden Massen. 
Erstaunlich auch, das der ROTORWING selbst bei engen Kurven kaum an Hoehe verliert. Durch leichtes Gegensteuern schwingt man aus der Kurve heraus und der ROTORWING braucht keine weiteren Steueroperationen, geradeaus fliegt er von alleine weiter. Auch hiervon gibt es ein Video:
Video vom Jungfernflug des ROTORWING I

Am Spaetnachmittag des 11. November 2012 besserte sich das Wetter, es herrschte Windstille und Sonnenschein. Beim Jungfernflug wurde der Vektorsteuerungsantrieb über den Gasknueppel und der Walzenantrieb ueber ein Drehpoti angesteuert. Hierdurch gestalteten sich die Landungen im Gras nicht ganz unproblematisch, da die Walze ja bis zuletzt drehen musste, um auch fuer die Landung noch genuegend 'Restauftrieb' zu generieren, bevor ihre Drehzahl heruntergefahren werden konnte. Gleichzeitig musste die Vektorsteuerung gestoppt werden, damit auch dort kein Bodenkontakt mit laufendem Motor stattfinden konnte. Die Flugerprobung zeigte, dass das beste Flugverhalten bei annaehernder Synchronitaet der Drehzahlen von Rotorfluegel  und Vektorsteuerung gegeben war.
Um die Steuerung und insbesondere die Landevorgaenge komfortabler zu gestalten, wurden fuer die Schoenwetterfluege beide Drehzahlsteller (Walzenantriebsmotor und Vektorsteuerungsmotor) über den gleichen Senderkanal (Gas) angesteuert, was sich dann auch als echter Komfortgewinn herausstellte. 
Mit diesen Einstellungen konnte der ROTORWING sehr angenehm und ruhig in der Luft bewegt werden, Walzenantrieb und Vektorsteuerungsantrieb harmonierten besser als bei getrennter Drehzahlsteuerung. 

Auf etwa 20m Sicherheitshoehe geflogen, konnte der ROTORWING zeigen, was in ihm steckt: Mehrere aufeinander folgende Loopings  und Turns, maximaler Steigflug und durchfallendes Sinken mit stehender Rolle konnten getestet werden. Mit jeder Flugminute verfestigte sich ein Sicherheitsgefuehl, was dazu fuerte, das der Rotorwing wie ein zahmer Vogel 'auf dem Arm' gelandet werden konnte bzw. einfach im Landeanflug an seinem Y-Tragrahmen aus der Luft gegriffen wurde. 

Die angenehmste Ueberraschung bei allen Fluegen war vielleicht der Tatbestand, das keinerlei bauliche Anpassungen oder gar Veraenderungen, erforderlich waren. Am ehesten erinnert das Flugbild und Flugverhalten des ROTORWING an das eines motorisierten Paragleiters. 


Hier noch eine Bilderstrecke eines geflogenen Loopings:
Video vom Schoenwetterflug des ROTORWING I


Aus den Erfahrungen der Flugerprobung des ersten Prototypen
des vektorgesteuerten ROTORWING konnte geschlossen werden, dass das Flugobjekt bei einem Abfluggewicht von 520g einen Auftrieb von  550g - 650g entwickelt. Hierbei verfuegte der mittig fuer den Riemenantrieb unterbrochene Rotationsfluegel nur ueber 4 Endscheiben mit einem Durchmesser von 22 cm.

Im Forum Yachtrevue berichtet Reinhold Kellermann unter  http://www.yachtrevue.at/forum/viewtopic.php?t=5852  im April 2010 ueber die  Optimierung des Flettner-Rotors durch den Schottischen Ingenieur Alexander Thom:

'...Thom berichtet schon 1934 in dem Aeronautical Research Committee Report and Memoranda No. 1623 der Cranfield University, daß viele große Scheiben an einem Flettner-Rotor dessen Leistung beträchtlich anheben. Aus einem maximalen Auftriebsbeiwert des Flettner-Rotors von ca. 12 wird mit Thom-Scheiben ein Auftriebsbeiwert von 20 errechnet - bei einem Sechstel des Widerstands. Dies entspricht einer Verzehnfachung der Gesamtleistung...'

Was also lag naeher, als einen zweiten ROTORWING - Prototypen zu bauen, um mit einer Vielzahl von grossen Thom-Ringen auf der Flettnerwalze Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte zu verbessern? 
Um unter ansonsten gleichen Bedingungen den Effekt der Thomringe in der praktischen Flugerprobung ermitteln zu koennen, und auch, um den Bauaufwand so gering wie moeglich zu halten, wurde der ROTORWING I seiner vier  22cm/6mm Depron - Endscheiben 'beraubt' und mit  10 Thomringen versehen, deren Außendurchmesser nunmehr 28cm betrug.

Optimal waere als Scheibendurchmesser das 2.1/2 - fache des Walzendurchmessers gewesen (= ca. 37,5cm), dies liess sich jedoch aufgrund der zu knappen Abmessungen des wiederverwendeteten Y - Rahmens des Rotorwing I im Bereich der Walzenlagerung nicht realisieren. Hinzu kam, dass die Zahnriemenlaenge ebenfalls den Thom-Scheibendurchmesser limitierte.

Schon bei den 4 Walzenringen des 1. Prototypen konnte musste aeusserst genau gearbeitet werden musste, um Unwuchten zu vermeiden. Das gleiche galt nun fuer die 4 wesentlich groesseren und doppelt so schweren 6mm Endscheiben (9,5g statt 4,8g) und fuer die insgesamt weiteren sechs 3mm Depronscheiben. Die Scheiben wurden dafuer alle 'schwimmend' auf dem Zylinder ausgerichtet und die Walze in den auf der Arbeitsplatte befestigten, antriebsbereiten Y-Rahmen eingebaut.

Alle Ringe wurden' im Block' provisorisch befestigt und bei rotierender Walze im Y-Rahmen formgeschliffen. Danach wurde Ring fuer Ring durch Rotation zuerst an seinem Platz ausgerichtet, durch UHU-Por Kleberaupen rechts und links fixiert, dann nochmals ausgerichtet, wobei die Kleberaupen mit einem rechtwinkligen Stueck Depron 'abgestrichen' wurden. Der Trocknungsvorgang wurde ebenfalls durch die Walzenrotation beschleunigt, wobei immer wieder Ausrichtungskorrekturen an den Thom Ringen erforderlich wurden. Kantenbrechung und Farbdekoration erfolgten erst nach Trocknung der Ringverklebungen. Das untenstehende Bild zeigt im Flaechenvergleich die alten Flettner-Endscheiben und die neuen Thom-Ringe:

Groessenvergleich zwischen den Endscheiben des Rotorwing I und den Thom-Scheiben des Rotorwing II:

Links der Thom-Rotorfluegel, auf Rundlauf und Passung im Y-Rahmen mit 1/4 Drehzahl auf Form geschliffen, rechts mit Farbdekoration

Um das erweiterte Stroemungsfeld des Thom-Rotorfluegels nicht zu beeintraechtigen, wurde eine variable  Vektorsteuerungsaufnahme eingebaut, die den Einbau verschiedener Vektorsteuerungen mit unterschiedlicher Leistung fuer die noch ausstehende Flugerprobung  ermoeglicht.
Die Flugerprobung fand am 19.11.2012 bei leichtem Wind und zeitweiliger Windstille statt.

Flug 1 + 2:  Die ersten beiden Starts fanden zunaechst mit dergleichen wie im ROTORWING I verwendeten 3D - Vektorsteuerung statt - 7035er Propeller und 650g Schub bei ca. 14A Stromaufnahme. Der unveraenderte Walzenantrieb nahm im Standlauf statt 2,4A nunmehr 3,5A auf. Ein leichtes Absinken der Rotordrehzahl nach dem Start liefert einen Hinweis darauf, dass die Stromaufnahme des Walzenantriebs im Fluge unter anderen Stroemungsverhaeltnissen als beim Standlauf zunimmt. 

Der ROTORWING II konnte im Fluge mit 650g Schub so gerade eben im langsamen Schritttempo in der Luft gehalten werden. Bei etwas Gegenwind blieb das Geraet in der Luft stehen. 
Wie vermutet, liefert der vom Flettner- zum Thom-Rotationsfluegel modifizierte Walzenfluegel einen deutlich hoeheren Luftwiderstand, fuer dessen Ueberwindung  650g Schubleistung nicht ausreichend sind. 
Um das vermutete hoehere Auftriebspotential des Tom-Rotorfluegels erfliegen zu koennen, wurde fuer die weiteren Testfluege eine andere Vektorsteuerung eingebaut, die mit 8040er Prop und einem anderen Motor 800g Schub erzeugt.

Fluege 2, 3 + 4:  Bereits bei den Starts zeigte sich durch den erhoehten Schub der Vektorsteuerung eine gewisse 'Ueberschlagsneigung': Bei zuviel 'Gas' zog die Vektorsteuerung den Y-Rahmen mit dem untenliegenden 850mAh - Lipo zu weit nach oben, um noch fuer genuegend waagerechten Vortrieb zu sorgen. Erst nach Erhoehung des 'Pendelgewichtes' durch Austausch des 80g leichten 3S - 850mAh - LiPos gegen einen 115g wiegenden 3S - 1350mAh LiPo  und einer Erhoehung des Motorsturzes um 5 Grad liess die Ueberschlagsneigung nach, sodass mehr Auftrieb durch gesteigerten Vortrieb erzielt werden konnte. 

Im Flugvergleich zwischen ROTORWING I (Flettner) und ROTORWING II (Thom)  zeigte sich, dass der Thom-Rotorfluegel bei 75g Mehrgewicht ein hoeheres Auftriebspotential aufweist, welches sich jedoch nur in Verbindung mit einer hoeheren Antriebs- und Vortriebsleistung ausschoepfen laesst. 
Durch die baulichen Veraenderungen (+75g)  und durch die Verwendung eines schwereren und leistungsstaerkeren Lipos (+35g) stieg das Abfluggewicht von 520g (ROTORWING I) auf 630g (ROTORWINGII). Die Langsamflugeigenschaften des Rotorwing II sind hierbei ausgepraegter und gutmuetiger als beim ROTORWING I. 

Die erzielbare Fluggeschwindigkeit war niedriger, koennte aber bei Verlaengerung des Y-Rahmens (Hebelarm fuer das Akku-Pendelgewicht) und durch Einsatz einer noch schubstaerkeren Vektoreinheit (1000g) erhoeht werden, womit auch eine Auftriebssteigerung des Thom-Rotors verbunden waere. 
In den Erprobungsfluegen der vorliegenden Antriebskonfiguration zeigte sich jedenfalls, dass damit das Auftriebspotential des Thom-Rotorfluegels des Rotorwing II noch nicht voll ausgeschoepft werden konnte.


Video vom Erprobungsflug des ROTORWING II

Welchen praktischen Einfluss die Anzahl der THOM-Ringe
auf die Flugeigenschaften der Flettnerwalze hat, sollte mit einer Reihe von Erprobungsfluegen getestet werden:

Hierzu wurden bei gleichem Flugwetter (fast Windstille, hohe Luftfeuchtigkeit, 6Grad) 4 verschiedene Rollenflügel-Konfigurationen mit 10, 6, 4 und 2 THOM-Ringen geflogen, um herauszufinden, welche Unterschiede hinsichtlich Flugtempo, Steigverhalten, Wendigkeit, Flugstabilität und Flugdauer sich zeigen. Hier die Videolinks von den Erprobungsflügen:

VIDEO: Flettner-Thom-Rotor mit 10 Ringen, 800g Schub, 1350mAh LiP-Akku, 600g Gewicht

VIDEO: Flettner-Thom-Rotor mit 6 Ringen, 800g Schub, 1350mAh LiP-Akku, 560g Gewicht)
VIDEO: Flettner-Thom-Rotor mit 4 Ringen, 650g Schub, 850mAh LiP-Akku, 520g Gewicht)

 

VIDEO: Flettner-Rotor mit 2 Mittelringen, keine Endscheiben, 650g Schub, 850mAh, 500g

 

Es zeigte sich, das der Thom-Rotor mit 10 Ringen die besten Langsamflugeigenschaften aufwies und mit dieser ROTORWING-Variante die engsten Kurvenradien geflogen werden konnten (<2m). Das Steigverhalten war jedoch deutlich schwaecher als bei den 3 anderen Varianten.
Außerdem musste permanent mit voller Leistung geflogen werden, wodurch nur eine Flugzeit von ca. 3 Minuten moeglich war. 

Mit etwas hoeherem Flugtempo, guter Wendigkeit und besserem Steigverhalten konnte die 6-Ring-Variante geflogen werden, die auch kurze Flugphasen im Teillastbetrieb zuliess. Hiermit konnte eine halbe Minute laenger geflogen werden.

Noch schneller waren die 4- und 2-Ring-Varianten. Die deutlich leichtere 4-Ring-Variante wies von allen das beste Steigverhalten auf und konnte im Teillastbereich geflogen und auf Hoehe gehalten werden. Die Wendigkeit war aufgrund des geringeren Gesamtgewichtes (kleinere und leichtere Vektorsteuerung und LiPo-Bestueckung) wieder etwas staerker ausgepraegt, ohne Muehe liessen sich bis zu 7 Loopings hintereinander fliegen. Die Flugzeit betrueg zwischen 3.1/2 und 4 Minuten.

Der 2-Ring ROTORWING wies im Vergleich die schlechtesten Flugeigenschaften aus: Mangelnde Richtungsstabilitaet durch die fehlenden Aussenscheiben erforderten permanente Steuerkaktionen. Allerdings konnte man feststellen, dass die leichteste aller Varianten auch das zweitbeste Steigverhalten zeigte. Dafuer war das Kurvenflugverhalten sehr instabil, wofuer die fehlenden 2 Aussenscheiben die wahrscheinliche Ursache darstellen.  


Da das Konzept des Y-Rahmens verschiedene Para-Flugobjekte zulaesst, entstand ebenfalls die Idee, einen 'Flachfluegel' mit 0,4qm Grundfläche und Clark-Y-Profilierung zu bauen. Dieser Fluegel entspricht mit seinen Abmessungen der abgewickelten Mantelflaeche der Flettnerwalze des ROTORWING. 

An Stelle der Flettnerwalze (ca. 150g mit 4 Ringen) laesst sich dieser ca. 170g schwere Fluegel in den Y-Rahmen des ROTORWING einhaengen, wodurch das Erscheinungs- und Flugbild an einen Paraglider erinnert. 

Der so entstandene ruderlose PARA-MONOWING stellt mit seiner 3D-Vektorsteuerung -genau wie der ROTORWING- ebenfalls ein in seiner Art neues Modellflugzeug dar, das es in dieser Konfiguration besher noch nicht gegeben hat.

Nach einigen zunaechst provisorischen Korrekturen der EWD mit Hilfe eines angeklebten 'S-Schlages' aus Papierklebeband fand ein erster Rundflug statt. Hierbei konnte beobachtet werden, dass der PARA-MONOWING stabil in der Luft lag und sich mit nur 1/2 Gas (ROTORWING: alle Varianten meist nur Vollgas) fliegen liess.

Der PARA-MONOWING flog hierbei (wegen seines viel geringeren Luftwiderstandes) ca. dreimal so schnell wie der ROTORWING I. Da einer weiteren (durchaus moeglichen) Beschleunigung des Flugtempos der angeklebte S-Schlag nicht standhielt und es zu starken Eigensteuerungsmomenten kam, wurden die weiteren Erprobungsfluege abgebrochen. 
Um den Monowing zu stabilisieren, wurde die Hinterkante des 6mm Depron-Fluegels des Fluggeraetes durch thermische Verformung mit einem 25Grad steilen und 5cm tiefen S-Schlag ueber die gesamte Fluegelbreite versehen. Ausserdem sollten 2 Winglets fuer mehr Richtungsstabilitaet sorgen.

Y-Rahmen mit 0,4qm großem Rechteck-Flachfluegel  Rechteck-Flachfluegel mit S-Schlag und Winglets
Video: Erstflug des PARA-MONOWING Video: Vergleichsflug ROTORWING I - PARA-MONOWING

Nachdem die Monowing-Hinterkante auf voller Breite  mit einem 5cm S-Schlag versehen wurde und der Fluegel rechts und links je 1 oberseitiges und ein unterseitiges Winglet bekommen hatte, konnte man beim folgenden Erprobungsflug eine deutliche Verbesserung der Richtungs- und Kurvenstabilitaet feststellen. Das luftakrobatische Potential kam hierbei ebenfalls zur vollen Entfaltung, wobei noch laengst nicht alle Figuren geflogen worden sind. Mit Quer- und Hoehenruder versehen, waere sogar Thermiksegeln moeglich.

VIDEO: PARA-MONOWING mit Winglets

Nachdem der vektorgesteuerte Y-Rahmen des ROTORWING
bereits mit elektrisch angetriebenen Rotoren (Flettnerrotor und  Thomrotor) sowie mit einem Flachfluegel seine Tauglichkeit als Versuchstraeger zur Erprobung verschiedenster 'Auftriebsspender' unter Beweis gestellt hatte, entstand die Idee, es einmal mit einem Rotor zu versuchen, der sich selbst antreibt und ebenfalls Auftrieb mittels des Magnus-Effektes generiert.

Die Wahl fiel hierbei auf den SAVONIUS - Rotor, eine Entwicklung des Finnen Sigurd Savonius, ein Zeitgenosse Anton Flettners. Inspiriert von Flettners Walzenrotor, teilte er den Zylindermantel in 2 gleiche Haelften und setzte diese mittig (mit Spalte) ueberlappend wieder zusammen. Genau wie Flettner fuehrte er an einem umgebauten Boot Versuche mit seinem Rotor durch, wobei er die Vorzuege  seines Rotors eher in der Verrichtung von Arbeit an einer Welle sah. An eine Fluegelkonstruktionen fuer Flugzeuge hatte er dabei noch nicht gedacht.

Nach einigen Internetrecherchen entstand die Idee eines Rotors, der aus 4 Kammern bestehen sollte: 2 parallele aeussere Kammern, und - im Winkel von 90 Grad dazu versetzt - 2 parallele innere Kammern. Um den bautechnischen Aufwand gering zu halten, wurden fuer die Abtrennung der 4 Kammern 5 Ringe aus 6mm Depron mit 25cm Durchmesser gewaehlt, die aeusseren Fluegelsegmente  wurden im Winkel von 40 Grad mit den inneren Fluegelsegmenten verklebt und die Winkelkanten abgerundet. Im Gegensatz zum Savonius Original wurden die inneren  Fluegelsegmente nicht mit einer Spalte versehen ueberlappend, sondern geschlossen auf Stoss mit der Rotorachse aus 7,2mm CFK-Rohr (80cm) verklebt. 
Der fertige, 80cm lange  'BICONVEX' - Rotor wiegt 150g, etwa genauso viel wie der Flettner-Rotor des Rotorwing I.
Fuer den Erstflug wurde aus Gewichtsgruenden die 'kleine' Vektorsteuerung mit 650g Schub und ein 3S-850mAh - LiPo gewählt, wodurch ein Startgewicht 540g anlag. Bei 'Trockentests' (Rotorbeschleunigung durch ruckartiges, kreisfoermiges Bewegen des Y-Rahmens) ueberwog die Skepsis, ob dieses Geraet ueberhaupt flugfaehig sein koennte, da die erreichbare Rotordrehzahl weit unter der des angetriebenen Flettner-Walzenfluegels lag.

Der Erstflug des 'ROTORWING III' oder auch 'PARA-BICONVEX' lieferte dafuer um so mehr eine faustdicke Ueberraschung:

Das Fluggeraet flog im ersten Flug bei 2-3 Bft. Windstaerke voellig unproblematisch und richtungsstabil und zeigte bei beschleunigtem Vortrieb ein so nicht erwartetes, sehr starkes Auftriebsverhalten.

Der nur 25 x 80cm große BICONVEX-Rotor erwiess hierbei sich augenscheinlich im Vergleich zum angetriebenen 4-Scheiben Flettner- oder 10-Scheiben Thomrotor (beide mit einer Mantelfläche von 45 x 80 cm, Durchmesser 15cm) als leistungsfaehiger hinsichtlich Luftwiderstand, Fluggeschwindigkeit, Auftriebsverhalten und Kurvenwendigkeit.

Nachdem der BICONVEX - ROTORWING III in der 540g - Konfiguration (850er LiPo, Vektorsteuerung mit 650g Schub, Flug 1) erkennen liess, dass er durchaus mehr Gewicht tragen kann, wurde fuer die Fluege 2 und 3 die 600g - Konfiguration (1350g LiPo, Vektorsteuerung mit 800g Schub) gewaehlt, wobei das Fluggeraet mit der etwas tieferen Schwerpunktlage bei Flug 2 und 3 - bedingt durch den 1350er LiPo - ruhiger flog und erkennbar besser gegen den Wind ankam.

Musste bei den Flettner- und Thom-Rotorwings fast ausschliesslich mit Vollgas geflogen werden, so reichte 1/2 - 3/4 der verfuegbaren Leistung beim Biconvexrotor trotz des starken Windes voellig aus. Hierbei lag deutlich mehr 'Aufstiegsreserve' an, die jedoch nicht beansprucht wurde, da der Wind ab 20m Hoehe noch staerker war als in Bodennaehe.

Die erprobte Rotorkonfiguration zeichnet sich durch ausgewogenes Laufverhalten und - im Vergleich zu den Walzenrotoren - durch geringere Praezessionskraft aus, was der Wendigkeit zugute kommt.

Der groesste Vorteil ist jedoch die Eigenschaft, das die fuer den Auftrieb erforderliche Energie aus der Vortriebsgeschwindigkeit generiert wird, wobei Gewicht und Antriebsmechanik für den Rotor entfallen, und der
ca.  400-500 U./min drehende Rotor mit zunehmendem Vortrieb mehr Auftrieb entwickelt, ohne merklich langsamer zu werden. Hierbei macht sich auch der geringere Luftwiderstand im Vergleich zur  15cm dicken Walze des Flettner-/Thomrotors bemerkbar.



VIDEO: ROTOTWING III mit BICONVEX-ROTOR

Bei weiteren Erprobungsfluegen  -jahreszeitlich bedingt im Nebel bei Windstille - konnte der Biconvex-Rotor sein gutmuetiges
 Flugverhalten u. a. auch bei abgeschaltetem Vektor-Vortrieb in der Autorotation unter Beweis stellen. 
Es zeigte sich, dass der Rotor - im Gegensatz zu den schnell 'durchsackenden' angetriebenen Flettner- und Thom-Rotoren - waehrend der Autorotation in einen langsamen Sinkflug mit steilem Gleitwinkel uebergeht. 

Erstaunlich, wie ausgewogen sich die Flugeigenschaften des leicht konfigurierten Biconvex-Rotors im Y-Rahmen in allen anderen Fluglagen zeigen. Besonderen Spass bereitet hierbei das 'pilotennahe Fliegen', wofuer eine Flaeche von 10 x 10m ausreicht. Bei naechster Gelegenheit wird der Biconvex-Rotor auch einmal in der Halle geflogen werden. 
Als optimale Konfiguration stellte sich der Biconvex-Rotor zusammen mit der 650g Schub leistenden Vektorsteuerung und dem 3S-850mAh-LiPo heraus. Bei Windstaerken ab 2bft. empfiehlt sich der schwerere 1350mAh-3S-LiPo in Verbindung mit der 800g Schub leistenden Vektorsteuerung. In dieser Konfiguration kann das Geraet bis 4 bft. stabil geflogen werden.

VIDEO: ROTOTWING III- BICONVEX-ROTOR-Autorotation

Bisherige Starts
des ROTORWING III erfolgten stets als Handstart
. Um bei Landungen die Ueberschlagsneigung zu reduzieren, wurde unterhalb des LiPos ein 'Bugrad' verbaut, wodurch auf flachem Untergrund 'touch and go' - Beruehrungen moeglich wurden. Bei Landungen liess sich der ROTORWING III sanft nach hinten fallen, nachdem er mit dem Bugrad aufgesetzt hatte und der Schub bei der Vektorsteuerung herausgenommen worden war. Bei Beobachtung dieses Landevorganges kam die Idee auf, ob dieser Vorgang nicht auch umgekehrt als Startvorgang moeglich sein koennte, wenn ein etwas hoeher bauendes Fahrwerk rechts und links den Rotor nur weit genug vom Boden abhebt, damit er beim Startvorgang frei drehen kann. Also wurden 2 leichte Fahrwerksausleger an den Y-Frame angebaut und mit 60mm grossen Slowflyerraedern versehen. Das Mehrgewicht von 40 g einschliesslich Bugrad sollte hierbei keine Probleme bereiten. Das untenstehende Foto zeigt die baulichen Veraenderungen:
 

Der Rotor befindet sich ca. 8cm ueber der Grasnarbe, wodurch bei frontaler Anstroemung Bodengrundeffekte vermieden werden. 
Die Startphase gestaltet sich voellig gegensaetzlich zu herkoemmlichen bodenstartfaehigen Fluggeraeten: 
Nach kurzer Anlaufstrecke (ca. 2m) hebt sich der ROTORWING hinten zuerst hoch (!), richtet sich fast senkrecht auf - und fliegt.
Die nachfolgenden Bilder zeigen die Phasen einer solchen Startsequenz:

VIDEO: ROTORWING III Bodenstart 


Der Frage folgend, wie sich das Biconvex-Rotorkonzept optimieren laesst (angestrebt: hoeherer Auftrieb, langsamerer Flug, groessere Rotorflaeche, geringeres Gewicht), entstand ein weiterer Rotor mit 92cm Breite und 35cm Scheibendurchmesser.
Dessen Fluegelsegmente bestehen nun aus 6 Elementen (statt 4), und die nunmehr aus 8mm CFK-Rohr bestehende, vereinfachte  T-foermige Rahmenkonstruktion erfordert weniger Material als der doppelte Y-Rahmen,  wodurch Gewicht eingespart werden konnte:


Der flugfertige ROTORWING IV
wiegt nur 570g und weist gegenueber dem ROTORWING III eine ca. 30% groessere Rotorflaeche auf. Mit einer 650g Schub leistenden Vektorsteuerung und einem 3S-1000mAh LiPo zeigt das Fluggeraet ausgepraegte Langsamflugeigenschaften. 
VIDEO: Erstflug ROTORWING V 

Die Erprobung des ersten THOM-Rotors
mit einer Walzenbreite von 81cm, einem Walzendurchmesser von 15cm, und einem Scheibendurchmesser von 28cm zeigte ansatzweise das vergleichsweise hoechste Auftriebspotential unter den getesteten Rotorvarianten. Allerdings zeigen die Aufzeichnungen von Thom, dass erst bei einem Verhaeltnis von 1 : 3 zwischen Walzendurchmesser (d) und Scheibendurchmesser und bei einem Scheibenabstand von 0,75 d ein Auftriebsmaximum erreicht wird. 

Um sich diesem Maximum zu naehern, wurde ein verkleinerter, 60cm hoher Y-Rahmen mit einem 60cm breiten THOM-Rotor gebaut, bestueckt mit 10 Scheiben im Abstand von 1,5 d.
Hierbei wurde jedoch das Verhaeltnis von Walzendurchmesser zu Scheibendurchmesser mit 1 : 3 eingehalten: Die 2 Walzensegmente bestehen aus 4cm dicken, gewickelten, duennen Papprohren, wie sie im Kern von Haushalts-Papierrollen Verwendung finden, die Scheiben aus 3mm DEPRON mir 12cm Durchmesser. Die beiden Rotorsegmente laufen aussen mit 2mm Wellen in Kugellagern, innen sind sie direkt auf die Wellenstuempfe eines 12g leichten BL-Motors aufgesteckt und verschraubt. Die Vektorsteuerung besteht aus einem 15g leichten BL-Motor mit 7035er GWS-Prop. Als LiPo kommt ein 850mAh-2S 7,6V Lipo zum Einsatz, die Drehzahlsteuerung des Rotorantriebs erfolgt separat regalbar ueber Senderpoti. Das Fluggewicht betraegt 275g, die Walzendrehzahl liegt im Standlauf zwischen 2500 und 7500 U/min. Beide Antriebe zusammen haben eine Stromaufnahme von ca. 7,5A unter Vollast. 
Sobald es das Wetter zuliess, fand die Flugerprobung statt - leider ohne Erfolg: Nach voller Beschleunigung der Thomwalze und des Vektorantirebs im Handstart in die Luft gebracht, fiel das Fluggeraet sofort in unkontrollierte Pendelbewegungen und stuerzte ab. Offensichtlich entwickelt der kleine Thomrotor um die Rotationsachse zu geringe Fliehkraefte, um eine ausreichende Traegheit gegen Querpendeln zu garantieren. Ausserdem beguenstigt anscheinend der Hebelarm der Propellerebene zum Schwerpunkt hin in der vorliegenden Konstellation das 'Aufschwingen', welches zur Unkontrollierbarkeit des Flugzustandes fuehrt. Auch zeigt sich, dass die Auftriebsleistung des vorliegenden Thomrotors ungenuegend ist.
Facit: Die Verkleinerung eines flugfaehigen Rotorwings (Thom-Rotorwing II) und Optimierung der Rotorabmessungen und des Rotorantriebes fuehren nicht zwsangslaeufig zu besseren Flugergebnissen eines RC-Rotorfluegelfliegers mit Y-Frame-Konzept..

Das Y-Frame Konzept benoetigt offensichtlich Mindestmassen, Mindestdurchmesser von Walze und Scheibe und Mindestumlaufgeschwindigkeit sowie Mindestschub, um mittels Magnus-Effekt einen Rotorwing in die Luft zu befoerdern.
Denkbar waere der verkleinerte Y-Frame mit 52cm Breite auch mit einem selbstantreibenden 16cm Bi-Convex-Rotor, um ihn doch noch flugfaehig in die Luft zu bekommen.


Video:
Erfolglose Startversuche des MINI-THOM



Ein 6-Kammer-Bi-Convexrotor wurde mit 52cm Spannweite und 15cm Scheibendurchmesser aus 6mm DEPRON (2 Endscheiben) und 3mm DEPRON (5 mittlere Scheiben und 6 Rotorlamellen) um eine Skyshark 90 Mittelachse gebaut. Die Mittelachse hat 2 konzentrische Endstifte aus 2,5mm Stahldraht, der Rotor läuft in 2,5mm Kugellagern, die sich in den aeusseren Aufnahmen des Dreiecksrahmens (ebenfalls aus Skyshark 90) befinden. Der Rotor hat ein Gewicht von 50g, der Dreiecksrahmen wiegt 60g, die Mini-Vektorsteuerung mit einem 7,5g Mighty Midget 12N-16P BL-Motor und 2 Mini-Metallgetriebeservos (je 6g) sowie einem YGE-4A Regler und einem 'erleichterten' 6- CH 2,4 GHZ - Empfänger wiegt 40g. Zusammen mit einem 30g leichten 360mAh - 3S-LiPo bringt der Mini-Biconvex gerade einmal 180g Startgewicht auf die Waage. Bei einer Schubleistung von ca. 160-180g sollte das Geraet flugfaehig sein.

Am 18. Maerz 2013 fand der Erstflug statt. Die Flugeigenschaften sind mit denen des groesseren BI-Convexrotorwing vergleichbar. Allerdings wird bei zukünftigen Starts eine etwas schubstaerkere Vektorsteuerung (300 g Schub) mit einem 15g BL-Motor und 75g Gewicht zum Einsatz kommen, da in der jetzigen Konfiguration keine Steigfluege moeglich sind.

VIDEO vom Erstflug des Mini-Biconvexrotorwing

Wie bereits vermutet, zeigte der Mini-Biconvex Rotorwing V mit einer schubstaerkeren Vektoreinheit (300g Schub) erheblich bessere und ausgewogenere Flugeigenschaften, wozu auch ein etwas schwerer 3S-450mAh Lipo als Pendelgewicht beitrug. Mit einem Fluggewicht von 230g ist das kleine Fluggeraet flott unterwegs, schnelle Kurven- und Steigfluege konnten nunmehr problemlos realisiert werden:
VIDEO des Mini-Biconvex Rotorwing V mit 300g Schub