Geodätische Flügelbauweise für ein leichtes Segelflugmodell

Ziel war ein rucksacktauglicher Segler in Leichtbauweise und entsprechend kleiner Flächenbelastung. Das Augenmerk lag also primär auf einer niedrigen Sinkgeschwindigkeit, die Gleitzahl stand hier nicht im Vordergrund. Leichtbau sieht man verbreitet in den zurzeit sehr populären Klassen F3K, F3-RES, F3J und F5J, wo Modelle gefragt sind, die auch schwache oder enge Thermik noch nutzen können.

Folgende Eckwerte hatte ich mir vorgestellt:

Flugmasse: < 500 g

Spannweite: ca. 1,5 m

Steuerung: Höhen-, Seitenruder, Bremsklappe

3-teiliger Flügel mit doppeltem V-Knick; V-Leitwerk

Rumpfvorderteil in GFK, Heckrohr CFK

Meine ersten Überlegungen galten der Bauweise von Flügel und Leitwerk. Die klassische, balsabeplankte Rippenbauweise schien mir nicht leicht genug, und ohne Beplankung hätte man erfahrungsgemäss Mühe mit der Verwindungssteifigkeit. Weit verbreitet sind aktuell die Carbon-Rohrholm-Flügel, jedoch schien es mir nicht wirklich interessant, nach einer Baumethode zu konstru-

ieren, wofür es bereits Dutzende Bausätze und Fertigmodelle zu kaufen gibt. So besann ich mich auf ein Bauprinzip, das zwar nicht neu, aber in den letzten Jahrzehnten etwas in Vergessenheit geraten ist, nämlich die geodätische Rippenbau-

weise. Die Rippen bilden also ein rechtwinkliges Gitter, das im 45°-Winkel zum Holm angeordnet ist, denn Torsionskräfte erzeugen gegen die Flügelaussenhaut hin Zug- und Druckspannungen, die in 45°-Richtung zur Flügelmittellinie verlaufen (Bild 1). Erkennbar ist dies gut beim Verwinden eines torsionsweichen, bespannten Flügels an den entstehenden Rümpfen in der Bespannung. Eine Übersichtsskizze (Bild 2) zeigt, wie ich mir das Modell vorstellte.

Eigentlich wäre die geodätische Rippenbauweise prädestiniert für die immer öfter angewandte CNC-Herstellung der Einzelteile. Leider stand mir aber diese Methodik nicht zur Verfügung, und so entstanden Flügel und Leitwerk auf klassischem Weg, was im Folgenden auch beschrieben wird.

Zuerst wird ein Rippengitter erstellt, welches gross genug sein soll, um daraus die Gitterstücke für die einzelnen Flügel

resp. Leitwerksteile aussägen zu können; am besten erstellt man vorher eine Skizze! Dazu wird eine genügende Anzahl rechteckiger Balsabrettchen geschnitten, deren Breite etwas grösser als die Profildicke ist und deren Länge genügt, um das skizzierte Gitter zusammenstecken zu können. Für den Flügel hiess das im hier beschriebenen Fall 20 mm breit und 0,5 m lang. Verwendet wurde leichtes 1,5-mm-Balsa. Diese Brettchen wurden genau aufeinandergelegt und in einen z.B. aus Kiefernleisten hergestellten «Kamm» eingespannt. Dieser «Kamm» dient als Sägenschablone für die Einschnitte in die Rippenbrettchen. Der Abstand der Einschnitte entspricht der Gitterweite des zu erstellenden Gitters, in meinem Fall: 40 mm hinter und 20 mm vor dem Holm. Dies deshalb, um das Einfallen der Bespannung im vorderen Profildrittel zu minimieren. Am so erstellten Rippenblock können nun die Einschnitte bis zur Mitte des

Rippenbrettchens gesägt werden. Am besten geht das mittels Gehrungssäge mit Tiefenanschlag (Bild 3).

Die Tiefe der Einschnitte entspricht der halben Brettchenbreite, der Abstand also je nach Gitterweite 20 resp. 40 mm. Das Leitwerk wurde aus Festigkeitsgründen, da das Profil dort doch recht dünn ist, durchgehend mit einem 20-mm-Gitter aufgebaut.

Die so eingesägten Balsabrettchen können nun zu einem Gitter zusammengesteckt und die Kreuzungsstellen mittels dünnflüssigem Sekundenkleber verleimt werden, am besten auf dem Baubrett und dazwischengelegter PE-Folie (Bild 4). Bereits nach dem Lösen des Gitters vom Baubrett zeigt sich eine überraschend hohe Torsionsfestigkeit.

Nun können die für die einzelnen Flügelsegmente resp. für das Leitwerk benötigten Gitterstücke ausgesägt werden, wobei auf senkrechte Schnitte (am besten mit einer Mikrosäge) geachtet werden soll (Bild 5).

Anschliessend werden die Profilendrippen aus Birkensperrholz (diese dienen auch als Schleifschablone für das Verschleifen des Profils) seitlich am entsprechenden Gitterstück angeleimt (Bild 6).

Als Nächstes sind die Balsanasenleiste (konisch gesägt resp. gehobelt, jedoch noch nicht verschliffen) und die Endkante (CFK-Profil, 6×0,8 mm mit angeleimtem 8×1 mm Balsa, Maserung senkrecht zur CFK-Leiste) anzuleimen. Für die Endleiste ist vorher ein 1-mm-Absatz unten in das Gitter zu schleifen.

Mit einer langen Schleiflatte, etwas länger als das längste zu verschleifende Segment (ein Alu-Winkelprofil mit aufgeklebtem Schleifpapier eignet sich gut dafür), kann nun das Flügelprofil anhand der Segment-Abschlussrippen geschliffen werden (Bild 7). Diese sollten an den Schnittkanten mit einem Filzstift eingefärbt werden, damit sofort sichtbar wird, wenn die Schleiflatte eine Rippenschablone touchiert und das Gitter auf die Profilform heruntergeschliffen worden ist. Die Schablonen dürfen natürlich nicht angeschliffen werden. Die Schleiflatte soll nur seitwärts in Spannweitenrichtung bewegt werden, im Bereich der Nasen- und Endkanten möglichst parallel zu diesen.

Der Schleifaufwand kann in Grenzen gehalten werden, wenn leichtes Balsaholz verwendet wird und wenn zuerst mit einem Schwingschleifer (vorsichtig!) ein Teil des überschüssigen Rippenholzes entfernt wird. Wer wie ich den Balsastaub schlecht verträgt, sollte mit Absaugung arbeiten und zusätzlich eine Staubmaske

tragen; FFP2-Masken haben sich gut bewährt dafür!

Als Nächstes werden die Vertiefungen für die Holmgurten eingeschliffen. Ein Holm ist obligatorisch, da das geodätische Gitter nur für die Torsionssteifigkeit, jedoch nicht für die Biegesteifigkeit des Flügels «zuständig» ist. Das Einschleifen geschieht am besten mit einem einfachen Schleifwerkzeug, das Breite und Dicke der Holmgurte aufweist, gut greifbar ist und so entlang einer an der entsprechenden Profiltiefe festgeklemmten Aluschiene (die Schleiflatte ist gut geeignet dafür) geführt werden kann (Bild 8).

Natürlich stehen für die Fertigstellung des Flügels und des Leitwerks noch weitere Schritte an, auf die aber in diesem Artikel nicht weiter eingegangen wird, da sie nicht spezifisch sind für die geodätische Bauweise. Dazu gehören der Einbau der unteren Holmgurte, des Holmstegs (bestehend aus Balsaeinzelstücken, Maserung senkrecht und seitlich entsprechend des Rippenverlaufs 45° abgeschrägt), die Steckungsröhrchen (Alu, mit belastbarer

Die Herstellung des Rumpfs aus GFK/CFK ist nicht Thema dieses Beitrags, daher verzichte ich hier auf eine Beschreibung.

Um diesen Bericht abzurunden, möchte ich aber trotzdem ein paar Angaben zum fertigen Modell machen. Der flugfertige Flügel wiegt inkl. 8-g-Servo 166 g. Das entsprach ungefähr

meiner Einschätzung bei der Planung und war also o.k., zumal er sich in der Handhabung doch recht robust anfühlte. Das Leitwerk wiegt 30 g; das könnte man mit einer Brettchenbauweise sicher leichter machen, wäre aber halt ästhetisch ein Stilbruch. Das gesamte flugfertige Modell wiegt 460 g, was eine Flächenbelastung von 17 g/dm² ergibt. Natürlich sind heutige DLG-Segler in Carbonbauweise nochmals deutlich leichter. Jedoch spie-

len die in einer anderen Liga, und ich war mit diesen Werten sehr zufrieden, hatte ich damit meine anfänglich gesetzten Ziele doch vollständig erreicht. Auch zeigte sich in der Flugerprobung, dass man rein mit der Akkupositionierung den für mein Empfinden optimalen Schwerpunkt (54 mm, entspricht einem Stabilitätsmass von 16%¹) einstellen konnte. Als Flügelprofil hatte ich das AG 36n von Mark Drela gewählt, welches den baulichen Vorteil hat, dass die Unterseite zu einem grossen Teil gerade verläuft. Leider ist diese Annehmlichkeit nicht ganz gratis. D.h. der erreichbare maximale

Auftriebsbeiwert ist etwas geringer als bei ähnlichen Profilen mit etwas stärkerer Wölbung, wie ein Vergleich mit dem fast gleich dicken AG 24 bei einer für dieses Modell realistischen Re-Zahl zeigt (Bild 10)².

Eine FLZ-Vortex-Rechnung) mit dem genannten Schwerpunkt und der gebauten EWD von 2,5° ergab das in Bild 11 dargestellte Resultat.

Der Antriebsstrang umfasst einen Aussenläufer mit 980 U/min*V und 28 mm Durchmesser, einen Aeronaut CamCar-

bonZ 9x5'-Propeller, einen Li-Po-Akku 3S 500 mAh und einen leichten Drehzahlsteller mit BEC.

Die ersten Flüge verliefen unspektakulär mit kaum nötigen Trimmkorrekturen. Das Modell steuert sich angenehm und zeigt ein gutes Kreisflugverhalten beim engen Kurbeln in der Thermik. Das oft beobachtete «Hereinfallen» in den Kreis ist hier kaum feststellbar. Natürlich fliegt sich so ein Modell bei wenig Wind viel angenehmer als bei turbulenter Luft. Bei windstillen, thermikfreien Bedingungen liegen Flüge bis zu 30 Min. Flugzeit drin.

Die Excel-Daten aus zwei Messflügen mit je sieben Steig- und Gleitflugphasen (Bild 12) bei Windstille und bei noch thermikfreier Luft an einem frühen Morgen im Frühling, erflogen

und gemessen mit Vario/Höhenmeter, ergaben folgende Durchschnittswerte: Steiggeschwindigkeit 7,4 m/s, Sinkgeschwindigkeit 0,49 m/s. Die FLZ-Vortex-Rechnung ergab ein minimales Sinken von 0,37

m/s. Wenn man berücksichtigt, dass ich ja nicht immer nur geradeaus fliegen konnte, sind die Messwerte durchaus plausibel.

Insgesamt kann ich sagen, dass die Konstruktion meine

Erwartungen (und Hoffnungen) erfüllt hat und ich sehr zufrieden bin damit.