INTEGRIERTER SCHLAGFLÜGEL FÜR FLUGZEUGE



Karl-Heinz Helling

Vortag, gehalten auf der DGLR-NW-Tagung Braunschweig, 08. November 2006


1 DER ANSTOSS ZU DIESER ARBEIT


Als es Paul Mac Cready und seiner Mannschaft 1979 gelang, mit dem Muskelkraftflugzeug Gossamer Condor eine Acht um eine Meile zu fliegen, Bild 1, und mit dem Gossamer Albatros gar den Ärmelkanal zu überqueren, war ich, obwohl ich zu diesem Zeitpunkt keinen Zugang zu Einzelheiten hatte, hell auf begeistert Neben der sportlichen Leistung des Piloten faszinierte mich das Konzept und die Lösung mit hochfesten neuen Werkstoffen. Das Fluggerät wog nur 30 kg bei 30 m Spannweite und hatte, um mit 200 bis 300 Watt Antriebsleistung auszukommen, die nur ein durchtrainierter Radfahrer leisten konnte, einen Propellerdurch-messer von knapp 4 m. An Fliegen bei Wind war nicht zu denken. 1988 flog der am MIT gebaute Daedalus sogar 115 km über die Ägäis, Bild 2.


BILD 1: Der Gossamer Albatros überquert 1979 den Ärmelkanal

Meine Gedanken kreisten danach um das Problem, ob es auch mit weniger Leistung ginge, ohne das Gerät noch größer oder leichter zu bauen.

Größere, untersetzte Propeller steigern den Wirkungsgrad, da die von ihnen erfasste Luftsäule mit größerem Querschnitt nicht so stark beschleunigt werden muss. Der Vergrößerung sind aber durch Masse, Getriebe, Drehmoment und Fahrwerkshöhe Grenzen gesetzt. Die Reibung der beschleunigten Luftsäule an der umgebenden Luft und am Rumpf und die Drallverluste führen bei kleinen Propellern dazu, dass bis zu 50% der zugeführten Leistung als Reibungswärme verloren gehen, obwohl gute Propeller selbst Wirkungsgrade um 80% erreichen.


BILD 2: Der am MIT gebaute Daedalus88 fliegt 1988 muskelkraftgetrieben 115km über die Ägäis


2 DIE ALTERNATIVE ZUM PROPELLER


2.1 Klassische Schlagflügel

Beim Schlagflügel der Vögel ist dieser Querschnitt bedeutend größer, da er die gesamte Spannweite nutzt, Bild 3. Ich sah im Schlagflügel deshalb eine Alternative zum Propeller.


BILD 3: Die Möve als klassisches Vorbild für den Schlagflügel

Wie kommt der Vortrieb beim Flügelschlag der Vögel zustande? Sie verdrehen während des Abschlages um ihre Schultergelenke die Flügel längs der Spannweite so, dass zwar der Auftrieb in der Summe konstant bleibt, aber zur Flügelspitze hin durch die Neigung der Luftkraft in Flugrichtung eine Vortriebskomponente resultiert. Damit beim folgenden, in der Regel langsameren Aufschlag, kein Abtrieb entsteht, wird der Flügel in die Gegenrichtung verdreht, wodurch nur ein kleiner zusätzlicher Widerstand entsteht, der Auftrieb aber konstant bleibt. Vortrieb entsteht also nur beim Abschlag!

Erste eigene Gedanken gingen 1986 zunächst in diese Richtung. Es wurden verschiedene Getriebe und torsionsweiche Flügel konzipiert, Bilder 4 und 5.


BILD 4: Entwurf eines torsionsweichen Flügels




BILD 5: Antrieb für Torsionsflügel

Die Kinematik des Flügelschlages der Vögel mit ihrem torsionsweichen Flügeln lässt sich aber nicht mit der heute üblichen Profiltreue umsetzen.


BILD 6 : Modell von Lippisch mit Triebschwingen

An diesem Umstand sind alle bisherigen Versuche, Schlagflügel zur Vortriebserzeugung einzusetzen, gescheitert. Dazu gehören u. a. die in den 30er Jahren von Lippisch angestellten Versuche mit reinen Triebschwingen, Bilder 6 und 7 sowie die in den 40er Jahren von Arno Vogel im freien Luftstrom durchgeführten Messungen mit einer Komponentenwaage, Bild 8, die 1942 bei Hartenstein im Erzgebirge zum Muskelkraftschwingenflug auf einem modifizierten SG 38 führten, Bild 9. Diese Versuche führte Arno Vogel mit dem VOX-1 1953 in Hartenstein und 1954 in Ballenstedt fort, Bild 10. Sein Projekt VOX-2 mit einem modifizierten Baby IIb wurde nicht mehr realisiert, Bild 11.


BILD 7 : Schwingen-Antrieb mit Benzinmotor


BILD 8 : 3m-Schwinge in der großen Komponentenwaage


BILD 9: Erstes Muskelkraft-Schwingenflugzeug 1942 im Fluge bei Hartenstein im Erzgebirge: ein modifizierter SG38


BILD 10: Versuchsflugzeug Vox-1 vor dem Start in Ballenstedt


BILD 11: Vox-2

Nach Ende des 2. Weltkrieges rüstete Flugzeugbau-meister A.Schmid für französische Militärangehörige Grunau-Babys mit Triebschwingen aus. Diese wurden von einem 3,6 PS Sachsmotor mit 60 – 100 Schlägen pro Minute angetrieben, Bild 12. Eine andere Variante im Flug zeigt Bild 13.


BILD 12: Adelbert Schmid vor seinem erfolgreichen Flugzeug


BILD 13: Baby mit Triebschwingen im Flug

2.2 Integrierter Schlagflügel
Von der Fluke eines Wales inspiriert, kam ich auf die Idee, den Flügel am Rumpf nicht mehr direkt zu befestigen, sondern an einem Lenker oder einer Geradführung auf und ab zu schlagen. Damit war es möglich, mit einem durchgehenden starren Flügel ohne Schultergelenke auszukommen. Dieses Prinzip des Integrierten Schlagflügels ließ ich mir 1990 patentieren [1], Bild 14, nachdem eine Förderung durch die Patentstelle für die Deutsche Forschung abgelehnt wurde. Die Flugzeugindustrie zeigte kein Interesse an diesem Antriebskonzept, da es nur im unteren Geschwindigkeitsbereich sinnvoll einsetzbar ist. Lediglich Herr Köhler, damals Technischer Leiter der HOFFMANN AIRCRAFT, fand das Prinzip bestechend und machte mir Mut zur Weiterentwicklung.


BILD 14: Prinzip des Integrierten Schlagflügels [1]

Der Integrierte Schlagflügel erfasst einen gegenüber dem Vogelflügel nochmals verdoppelten Strömungsquerschnitt, Bild 15. Weiterhin kommt der große Vorteil hinzu, dass die elliptische Auftriebsverteilung und damit der geringst mögliche induzierte Widerstand in allen Schlagphasen erhalten bleibt. Beim Schlag der Vogelflügel ist die Auftriebsverteilung in der Mitte eingesattelt, was einen erhöhten induzierten Widerstand verursacht. Außerdem sind im Gegensatz zum Verstellpropeller,


BILD 15: Die Strömungsquerschnitte von Propeller, Vogelflügel und integriertem Schlagflügel

bei welchem nur ein Flügelschnitt mit optimaler Steigung arbeitet, alle Flügelschnitte exakt an das Flugregime angepasst. Da die instationäre Strömung höhere Auftriebsbeiwerte erlaubt, ist eine große Streckung sinnvoll.



3 ERPROBUNG IM MODELL



3.1 Erster erfolgreicher Flug

Bei meinem ersten Modell SF1 von 1988, Bild 16, das heute im Besitz des Lilienthalmuseums in Anklam ist, habe ich versucht, alle bis dahin gewonnenen Erkenntnisse umzusetzen.


BILD 16: SF1 im Flug

Die Strömungsquerschnitte

Neben dem konstruktiven Problem, den Einstellwinkel während des Schlages zu ändern, was ich mit einem Parallelogrammlenker gelöst habe und dem Problem, einen Kraftspeicher für den Flügelaufschlag einsetzen zu müssen, gibt es die bis heute nur unvollständig geklärte Frage, wie die Bewegungsabläufe von Schlag- und Drehamplitude verlaufen müssen, um immer einen konstanten Auftrieb zu erzeugen. Der Kraftspeicher für den Flügelaufschlag verhindert ein negatives Antriebsmoment in dieser Schlagphase und damit auch einen gegenüber dem Abschlag schnelleren Aufschlag. Um einen großen Vortrieb beim Abschlag und nur einen geringen zusätzlichen Widerstand beim Aufschlag zu erhalten, muss der Abschlag vermutlich schneller erfolgen als der Aufschlag. Beim Modell SF1 habe ich das mittels überdimensioniertem Kraftspeicher gelöst. Vom ersten erfolgreichen Flug 1992, dem mehrere Umbauten und Änderungen vorausgingen, existiert ein Video. Ich habe mich mit dem Konzept des Integrierten Schlagflügels um den „Berblinger-Preis 1992“ des Kulturamtes der Stadt Ulm beworben. Die Bilder 17 - 20 zeigen Entwürfe für den Ulmer Wettbewerb. Die Teilnahme war jedoch erfolglos, da der Preis zugunsten des für 1996 ausgeschriebenen ersten eigenstartfähigem Solarflugzeug ausgesetzt worden war.


BILD 17: Muskelkraftflugzeug mit Federspeicher




BILD 18: Elektro-Motorsegler




BILD 19: Zubringerflugzeug




BILD 20: Hybrid-Luftschiff


3.2 Weitere Modelle
Nach dem SF1 habe ich 1993 das Modell SF2 konzipiert und zusammen mit Karl-Heinz Wagler und Hans Langenhagen im Rohbau fertig gestellt. SF2 war ein Entenmodell mit 2 Schlagflügeln an einem gemeinsamen Lenker, Bild 21.


BILD 21: Enten-Kurzstreckenflugzeug SF2

Dieses Konzept erfordert keinen Kraftspeicher, hat aber den Nachteil, dass der hintere Schlagflügel sich in der Nachlaufströmung des ersteren befindet. Aus dem gleichen Grunde erscheinen auch Konzepte mit 2 paarigen Schlagflügeln, die 90 Grad phasenverschoben arbeiten, problematisch. Der Vorteil eines solchen Konzeptes wäre ein nahezu konstanter Schub. SF6 und SF7 sind 2 Demonstrationsmodelle, die einem Schulprojekt zum Thema: “Warum die Vögel fliegen“ dienten, aber wegen der vereinfachten Antriebskinematik nur als Flugspiel geeignet erscheinen.


BILD 22: Flugspiel SF7




BILD 23: SF7 im Flug


3.3 Konstantauftriebsregelung

Dafür habe ich das Modell SF8 unter Mitwirkung von Claus Thiele als leichten und langsamen Erprobungsträger ( geringes Bruchrisiko) gebaut, Bild 24. An diesem flügelgesteuerten Entenmodell soll mit Hilfe eines Kreisels, der die Drehbewegung des Rumpfes um die Querachse erfasst und auf die Höhenrudermaschine wirkt, die


BILD 24: Autor mit SF8

Konstantauftriebsregelung realisiert werden. Eines der Vorgängermodelle, SF5, mit 3,2 m Spannweite bei 4kp Abfluggewicht, Bilder 26, 27, 28 soll erst wieder fliegen, wenn der Bewegungszusammenhang zwischen Schlag- und Drehamplitude


BILD 25: SF8

ermittelt ist. Zuvor will ich durch einen leichteren Flügel und Lithiumpolymerakkus die Flächenbelastung von 50 auf 30gr/dm² reduzieren. ( Das Modell hat schon 3 Abstürze hinter sich, deren Ursachen aber nicht der Schlagflügelantrieb, sondern zunächst fehlende Querruder, die Entenbauweise und eine nicht erkannte Einstellwinkelveränderung nach dem 2. Absturz waren).


BILD 26: Startvorbereitung SF5




BILD 27: SF5 im Fluge




BILD 28: SF5-Getriebe


3.4 Neues Projekt

Nach den grundlegenden Versuchen von Hertel [2] und Clauss [3] setzen sich die Schlagflügelbewegungen aus einer harmonischen Bewegung senkrecht zur Flugrichtung und einer phasenverschobenen harmonischen Drehbewegung zusammen. Diese Kinematik wird als gekoppelter Parallel-Drehschlag bezeichnet. Neef und Hummel haben dazu Versuche und Modellrechnungen durchgeführt [4]. Danach liegt der erwartende Wirkungsgrad schon mit einem symmetrischen Profil bei etwa 90%, Bild 29.


BILD 29: Wirkungsgrad h sowie mittlerer Auftriebs- und Schubbeiwert cL , cT abhängig von ao .

Beim Schlagflügel ist der Einfluss des induzierten Widerstandes dominant (höherer Auftriebsbeiwert infolge instationärer Strömung möglich). Anfahr- und Stoppwirbel sind im Reiseflug großer Vögel nahezu vernachlässigbar. Im Einklang mit diesen Erkenntnissen habe ich inzwischen ein neues Modell SF9 konzipiert.


BILD 30: SF9 in Start/Landekonfiguration mit aufgeklapptem Faltpropeller

Entgegen älteren Konzepten mit 2 und 4 Schlagflügeln, die alle hintereinander lagen, hat es 2 übereinander angeordnete Flügel, die gegensinnig und gegenphasig in ungestörter Strömung arbeiten. Die Grundlage dafür geht aus 2 Diagrammen über den Auftriebsbeiwert und den Schubbeiwert der genannten Veröffentlichungen hervor, Bild 31, deren Bewegungsabläufe in den Bild 32 und 33 dargestellt sind.


BILD 31: Auftriebs- und Schubbeiwert über einen Schlagzyklus in Abhängigkeit vom Einstellwinkel ao .


BILD 32: Zeitverlauf für gekoppelten Parallel- Drehschlag bei 900 Phasenverschiebung und ao = 00


BILD 33: Darstellung des gekoppelten Parallel Drehschlages um die c/4-Linie. Der große Anstellwinkel g wird durch die nach unten gerichtete Schlagbewegung hervorgerufen

Überlagert man die Auftriebsbeiwerte dieser Flügel für eine Einstellwinkel von 6 Grad, erhält man konstanten Auftrieb. Der Mittelwert des Schubbeiwertes verdoppelt sich. Diese Lösung ermöglicht einen perfekten Massenausgleich aller bewegten Bauteile, benötigt keinen Kraftspeicher für den Flügelaufschlag und führt durch eine Verdoppelung der Antriebspulsfrequenz zu einem geringeren Ungleichförmigkeitsgrad der Momentangeschwindigkeit. SF9 erhält einen Faltpropeller, der in Mittelstellung der Flügellenker aktiviert werden kann und problemloses Starten und Landen ermöglicht.


4 ZUSAMMENFASSUNG



Die vorstehende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Antriebes, der mit höherem Wirkungsgrad arbeitet als der Propeller. Ursprünglich gedacht für Muskelkraftflugzeuge, könnte er aber auch der Weiterentwicklung von MAV`s, UL’s und Solar-Flugzeugen dienen.

Zur Theorie des Schlagflügels haben HERTEL (1) und CLAUSS (2) 1967 grundlegende Erkenntnisse gewonnen. NEEF und HUMMEL führten dazu Rechnungen und Messungen durch. Sie ermittelten Wirkungsgrade für das Reiseflugregime um 90%.

Der Kerngedanke des vom Autor 1990 vorgeschlagenen Integrierten Schlagflügels besteht in der Nutzung des starren, Auftrieb erzeugendenTragflügels als Schlagflügel. Gegenüber dem Rumpf ist er in der Vertikalen beweglich geführt. Bewegungsablauf und Anstellwinkel werden so gesteuert oder geregelt, dass in allen Schlagphasen ein konstanter Auftrieb und beim Abschlag Vortrieb entsteht. Nachteilig ist die Schwankung der Momentangeschwindigkeit. Eine Reduzierung des Ungleichförmigkeitsgrades ist durch zwei gegensinnig schlagende Flügel möglich. Die Vorteile des vorgeschlagenen Antriebs sind:

-höchster Wirkungsgrad im Vergleich mit bekannten Antrieben,
-optimale Anpassung an alle Flugregime: im Gegensatz zum Verstellpropeller gilt dies für alle Flügelschnitte,
- hohe Umweltverträglichkeit durch niedrigen Fluglärm.


5 LITERATUR


[1] Helling, K-H.
Schlagflügelflugzeug, Patent DD292186 A5
[2] Hertel, H.
Biologisch-technische Forschungen über Strukturen, VDI-Z.(1967), 1133ff., 1215ff.
(2) Clauss, G.
Schlagflügel und Wirbelstraße Dissertation VDI-Fortschr. Bericht Reihe 7,Nr. 7 (1968)
(3) Neef, M. and Hummel, D.
Euler Solutions for a Finite-Span Flapping Wing Technical University of Braunschweig