Bestimung der Drehmomente:

Neben der Bestimmung des Auftriebs, des Luftwiderstandes und einer Querkraft werden die Positionen der Längs-, Quer- und Hochachse bestimmt, bei denen sich die jeweiligen Drehmomente sich in Summe zu 0 ergeben. Die Position der Querachse liefert letztendlich die zentrale Information, wohin der Schwerpunkt gelegt werden muss. Die Position der Längsachse dient bei symmetrischer Anströmung, also ohne Querkomponente des Windes, zumindest als Indiz für die Quälität der numerischen Umsetzung. Die Position der Hochachse liefert ein Gefühl dafür, wie stabil das Modell sich um die Hochachse verhalten wird. Denn die Position der Hochachse, bei der die Drehmomente sich zu 0 ergeben, muss deutlich hinter dem Schwerpunkt sitzen. Bei einer Flug-Ente ist das aber schon deshalb nicht selbstverständlich, weil der Schwerpunkt konstruktionsbedigt ohnehin weit hinten liegt.

Mit Hilfe der errechneten Position des Druckpunktes werden zusätzlich noch die Drehmomente für die Längs-, Quer- und Hochachse errechnet. Diese so errechneten Drehmomente sind dann Basis für die Experimente, bei denen die Stabilität um die Hochachse bei Seitenwind untersucht werden soll oder mit Hilfe von Ruderausschlägen die Drehmomente ausgeglichen werden.

Am Beispiel des Auftriebs und Luftwiderstandes zeige ich für das Experiment 10VOhneProp die horizontale Verteilung des Auftriebs auf der xy-Ebene und den vertikale Verteilung des Luftwiderstandes auf der yz-Ebene. Die Verteilung des Auftriebs liefert zuerst das erwartete Ergebnis, dass Vorflügel und Tragfläche den wesentlichen Anteil haben, der Rumpf einen geringen Anteil hat und das Seitenleitwerk sogar einen Beitrag zum Abtrieb liefert. Wie schon mehrfach angesprochen, liefert die Tragfläche hinter dem Vorflügel trotz größerer Flügeltiefe und Profildicke weniger Auftrieb als das mittlere Drittel der jeweiligen Tragflächenhälfte. Interessant ist auch, dass der Druckabfall vor der größten Profildicke sogar einen Beitrag zum Vortrieb liefert. Dieser Effekt ist aber an den Tragflügelenden nicht so ausgeprägt, sodass hier der Beitrag zum Gesamtwiderstand höher ausfällt. Ein passender Randbogen könnte diesen Effekt reduzieren.

Wenn man jetzt den Windkanal mit einer seitlichen Strömung von 5 Grad mit dem Experiment 10V5GOhneProp betreibt, so zeigt sich das Desaster für das untersuchte Modellflugzeug. Die Seitenkräfte auf der xz-Ebene zeigen zwar, dass das Seitenleitwerk das Beste tut, um mit einem positiven Druck hinter dem Schwerpunkt die Flug-Ente in den Wind zu drehen. Aber, die ebenfalls positiven Seitenkräfte insbesondere nahe der Rumpfspitze mit ihren großen Hebelkräften zum Schwerpunkt versuchen, die Flug-Ente mit dem Wind wegzudrehen. Um ins Detail zu gehen, werden jetzt die konkreten Zahlenwerte aus den 3 Simulationen, 20VOhneProp, 10VOhneProp und 10V5GOhneProp gezeigt. 20VOhneProp liefert bei dem Anstellwinkel alpha=2,47 Grad einen Auftrieb von buoyancy=1198 g (g=Gramm) bei einem Gewicht von weight=1200 g als Ergebnis für die Suche nach dem Anstellwinkel, bei dem der Auftrieb gleich dem Gewicht ist. 10VOhneProp liefert einen Anstellwinkel von alpha=10,70 Grad und 10V5GOhneProp liefert ebenfalls 10,70 Grad. Als nächstes werden mit den Variablen X-Axis Y-Pos bis Z-Axis Y-Pos die Positionen der Längs- Quer- und Hochachse (Z-Axis, Y-Axis und Z-Axis) bestimmt, um die die Drehmomente sich zu 0 ergeben. Bei symmetrischer Anströmung sind die Werte für X-Axis Y-Pos und Z-Axis Y-Pos sinnvollerweise gleich 0 mm (mm=Millimeter). Die Variablen Y-Axis X-Pos und Y-Axis Z-Pos zeigen, dass der Druckpunkt, um den sich alle Drehmomente um die Querachse zu 0 aufsummieren, 148 mm in x-Richtung hinter der Vorderkante des Wurzelprofils und 44 mm über der um 10 mm tiefer gelegten Profilsehne an der Wurzel liegt. Dies ist der Druckpunkt, in den dann der Schwerpunkt gelegt werden sollte. Entsprechend sind alle Drehmomente X-Torque, Y-Torque und Z-Torque gleich 0. Das Modell würde so bei 20 m/s Fluggeschwindigeit ausgetrimmt geradlinig und horizontal fliegen. Das Experiment 10VOhneProp zeigt aber jetzt, dass bei Reduktion der Geschwindigkeit auf 10 m/s sich der Druckpunkt von 148 auf 117 mm verlagert, also 31 mm nach vorne. Entsprechend entsteht jetzt ein Drehmoment Y-Torque gleich 28 g*m (Gramm*Meter), d.h. ein Drehmoment, das versucht, die Schnauze anzuheben. Das Experiment 10V5GOhneProp, also mit einem Seitenwind von 5 Grad, liefert für das Drehmoment um die Längsachse ein X-Torque gleich -15 g*m, also ein Drehmoment, das spürbar versucht, das Modell mit dem Wind wegzudrehen. Diese Reaktion ist bekannt und der V-Form der Tragfläche und der hohen Position des Seitenleitwerks geschuldet. Wie beim Experiment 10VOhneProp, also ohne Seitenwind, liefert das Drehmoment um die Querachse Y-Torque gleich 28 g*m. Interessant ist jetzt die Reaktion der Hochachse bei Seitenwind. Die Position der Hochachse Z-Axis X-Pos liegt leicht vor dem Druckpunkt, aber deutlich vor dem einmal festgelegten Schwerpunkt (x=148 mm; z=34 mm). Trotzdem liegt das Drehmoment um die Hochachse, bei der die x-Position des Schwerpunktes liegt, nur bei 2 g*m uzw. weil der Rumpf im Vergleich zur Tragfläche eine deutlich geringere Fäche besitzt. Dies bedeutet, dass die Stabilität um die Hochachse als schwach instabil einzuordnen ist. Das ist nicht fatal schlimm, aber man dürfte häufig das Gefühl haben, dass das Modell gerne schiebt und es bedeutet auch, dass man die Instabilität um die Hochachse durch konstruktive Maßnahmen in den Griff bekommen sollte, z.B. durch eine stärkere Pfeilung der Tragfläche.