Aerodynamik für Depronjets

Tipps für die Konstruktion und den Bau

Aerodynamik - das klingt nach Schule, Hörsaal, Physik und Mathe. Aber anstatt Dich mit Formeln und Herleitungen zu langweilen, erkläre ich Dir, welche Einflussfaktoren es auf Dein Kampfjet gibt. Viel wichtiger ist jedoch, wie diese wirken und wie sie sich beeinflussen lassen - vorzugsweise zu Deinen Gunsten.

Die 4 Einflussfaktoren auf Dein Jet:

Dass es 4 große Einflussfaktoren auf die Flugeigenschaften eines jeden Flugzeuges gibt, hat sich herumgesprochen und ich setzte voraus, dass diese geläufig sind. Die Basics habe ich Dir bereits im Artikel über die Tragflächenprofile beschrieben, hier geht es aber nun um die Praxis.

Für Eilige meine eigene Interpretation:

Ein Gegenstand (hier ein Flugzeug) soll fliegen. Es hat ein Eigengewicht und von Natur aus keine Bestrebungen, die Erdoberfläche zu verlassen. Die nach vorne gerichtete Kraft ist der Schlüssel. Durch den Schub wird die Tragfläche durch die Luft bewegt und erzeugt Auftrieb. Durch den Auftrieb wird das Gewicht überwunden und das Modell fliegt. Der zeitgleich erzeugte induzierte Luftwiderstand und der konstruktive Luftwiderstand bremsen das Modell wieder ab und der Schub muss diesen Faktor nun ebenfalls noch kompensieren.
Jede Veränderung eines der Werte (Flugzeugzuladung, größerer Motor, strömungsgünstiges Tragflächenprofil) führt zu einer Kette von Effekten und darf niemals isoliert betrachtet werden.

In diesem Beitrag möchte ich Dir konkrete Tipps und Tricks geben, die die Konstruktion Deines Modells betreffen. Angefangen von der Erstellung oder Modifikation der Baupläne über den Bau mit Kleber und Lack bis hin zum Einstellen des Schwerpunktes. Genügend Themenfelder mit denen Du „spielen“ kannst, um die Flugeigenschaften und die Stabilität zu Deinen Gunsten und Vorlieben zu beeinflussen.

Was ist dies hier nicht:
Eine physikalisch korrekte Aufarbeitung anhand wissenschaftlicher Regeln und mathematischer Modelle. Und auch kein Copy Paste aus Wikipedia.

Was ist es denn dann?
Eine Sammlung von Tipps und Daumenregeln, welche physikalischen Auswirkungen Dein Depronjet betreffen und wie Du diese zu Deinem Vorteil nutzt. Alle Regeln sind von mir erprobt und aus der Erfahrung niedergeschrieben und gelten vermutlich nur für meine Modelle und meinen Flugstil. Wenn diese von wissenschaftlichen Erkenntnissen abweichen, lag es an mir :-)

Diese Übersicht ist nicht abschließend und wird regelmäßig ergänzt, denn auch ich lerne ständig dazu.

1. Der Auftrieb

1.1. Begrifflichkeit:
Auftrieb zu erzeugen ist das Ziel aller Bemühungen. Solange das Flugzeug nicht leichter als Luft ist, müssen die Tragflächen (und Hilfsflächen, z.T. auch nahezu das gesamte Flugzeug, s. F-22) den Auftrieb erst noch produzieren.
Das Gewicht ist dabei der Gegenspieler des Auftrieb. Es muss durch diesen überwunden werden, damit das Flugzeug überhaupt fliegt.

1.2. Daumenregeln:

• Je schneller ein Modell fliegt, desto größer wird der Auftrieb.

• Gegenwind bremst zwar das Modell ab, addiert sich aber zum Auftrieb. Im extremsten Fall kann das Depronjet „auf der Stelle" oder sogar rückwärts fliegen.

• Je größer der Anstellwinkel der Tragflächen im Flug im Verhältnis zur Rumpfmittelline (Längsachse), desto mehr Auftrieb wird produziert.

• Landeklappen, LEF (leading edge flaps), slats oder nach unten ausschlagende Querruder erhöhen den Auftrieb durch Profilveränderung (Hilfsauftrieb).

• Vorflügel, Canards, LEX erhöhen den Auftrieb durch Oberflächenvergrößerung (Zusatzauftrieb).

• LEX (Strakes, z.B. F-18) erhöhen den Aufrieb, wichtiger noch, sie ermöglichen bessere Gleitzahlen bei nur moderaten Anstellwinkeln. Fast wie Segelflugzeuge.

• Die Form des Rumpfes hat entscheidenen Einfluss und kann lt. Literatur den Auftrieb enorm steigern (z.B. Mig-29 "Fulcrum" +40%, F-14 "Tomcat +25%).
  

1.3. Maßnahmen:

Planungsphase

• Integriere möglichst viele Hilfsflächen in die Auslegung des Modells und skaliere diese bei Bedarf etwas hoch, also z.B. breitere LEX, wie bei der "F-18" oder Canards beim "Eurofighter". Die Tragflächen lassen sich sowohl in der Länge als auch in der Tiefe vergrößern, was aber nicht heißt, dass Du ein Segel-Jet baust.
  

• Der Einstellwinkel der Tragflächen wird bei der klassischen Depronjet-Bauweise nicht verändert und beträgt immer 0 Grad. Die Auftriebshilfflächen wie z.B. Canard lassen sich aber sehr wohl anstellen oder sogar anlenken. Ist zuwenig Auftriebsfläche vorhanden, rechne damit, mit höherem Anstellwinkel fliegen zu müssen.
  

• Das Tragflächenprofil ist entscheidend. Bei Depronmodellen funktioniert seltsamerweise auch das Profil „Ebene Platte“, besser ist jedoch ein KF-Profil. Die F-18 mag hier als Beispiel dienen, dass ein Modell mit diesem "Profil" sehr gut fliegen kann (zum Baubericht der F-18) und konstruktionsbedingt verfügen die Jets "F-14D" und "Tornado" über eben dies Brettprofile.
  

Bauphase

• Achte auf jedes Gramm Gewicht. Ein leichtes Modell kann langsamer fliegen oder kleinere Bauformen ermöglichen.

• Stabilisiere die Tragflächen ausreichend, damit sie sich nicht im Flug verbiegen und den Auftriebswert verändern. Alternativ: Plane dies bewusst ein, um während des Fluges eine stabilisierende V-Form der Tragflächen zu erreichen.
  

2. Das Gewicht

2.1. Begrifflichkeit:

Gewicht ist das eigentliche Problem aller Überlegungen, denn um zu fliegen, muss es durch den Auftrieb überwunden werden.

Das Gesamtgewicht (Brutto- oder Abfluggewicht) eines Depronjets setzt sich zusammen aus:

• dem Gewicht der Menge an verwendetem Depron
  
• den Verstärkungen
  
• der Menge an Kleber und Klebeband
  
• der Oberflächenbehandlung
  
• der Lackierung
  
• dem Dekor und den Decals (Aufklebern)
  
• den elektronischen Komponenten und
  
• dem Akku.
  
• zusätzlicher Ballast, sprich: Blei, um den Schwerpunkt einzustellen.
  

Genügend Spielraum also, hier Einsparungen vorzunehmen. Während der Auftrieb und der Luftwiderstand maßgeblich durch die Form des Flugzeuges vorgegeben sind, kannst Du hier am meisten Faktoren beeinflussen - jedes Gramm zählt.


2.2. Daumenregeln:

• Der relevante Wert der Flächenbelastung errechnet sich aus allen Flächen, die Auftrieb produzieren im Verhältnis zum Gewicht. Dieser Wert sollte so niedrig wie möglich sein.

• Je leichter das Modell ist, desto besser ist das generelle Flugverhalten.
  Ziel ist ein Abfluggewicht von <1 kg, weniger ist mehr.

• Schwere Modelle müssen generell schneller geflogen werden.

• Schwere Flugzeuge haben eine höhere kinetische Landeenergie, also eine größere Gefahr für Schäden bei der Landung.

• Schwere Flugzeuge erfordern mehr Aufmerksamkeit und Kraft beim Handstart.

• Mehr Gewicht erfordert einen größeren Motor, um damit wiederum genügend Auftrieb über die Tragflächen zu produzieren. Der Motor erfordert seinerseits einen größeren Regler und vermutlich auch belastbarere Akkus, also beginnt hier der Teufelskreislauf.
  

• 2200mAh 3S Standard-Akkus wiegen etwa das Doppelte der kleineren 1000Ah, 3S Lipo, also so um 200g, bieten aber nicht die doppelte Flugzeit.
  

• Wähle Verstärkungen sinnvoll und übertreibe nicht. Crashresistent wird das Modell eh nicht.
  

• Je tiefer das Gewicht unten angebracht ist (tiefer Schwerpunkt), desto stabiler fliegt das Modell, verliert aber Manövrierfähigkeit.
  

• Je schwerer,  desto stabiler fliegt das Modell bei Wind. (um mal etwas positives zu erwähnen)
  

2.3. Massnahmen:

Planungsphase

• Reduziere die Flächenbelastung, in dem Du Gewichte einsparst oder aber die Proportionen der Auftriebsflächen vergrößerst (s. Auftrieb). Eine Skalierung von +10% senkt die Flächenbelastung bereits deutlich, sofern Du die Komponenten nicht gleich mit "vergrößerst".
  

• Wähle Komponenten nach Bedarf. Die Seitenruder benötigen keine leistungsstarken Servos oder können je nach Deinem Flugstil oftmals ganz eingespart werden.
  
  
• Komponenten müssen zueinander passen. Du benötigst an einem Parkjet keinen 80A Regler oder Servos der Normalgröße.
  
  
• Verwende Lipos abhängig vom Gesamtgewicht. Im Zweifel lege die Modelle auf 1000-1300mAh Lipos aus. Das entspricht etwa 100 Gramm Gewicht und sorgt für 3:00-3:30 Minuten Flugzeit.
  

Bauphase:

• Hinterfrage konsequent jeden Bauschritt, also ob Du nicht hier oder dort noch Gewicht einsparen kannst.
  
  
• Wähle den Kleber entsprechend der Anwendung: Epoxy ist am schwersten, Verdünner wiegt 0 Gramm.
  

• Carbon ist leichter als Holz und oftmals wiederverwendbar, dafür wesentlich teurer.
  

• CarbonFlachstäbe (5x1 oder 6x1mm) sind die erste Wahl zur Verstärkung. Nimm alternativ Carbonvierkantstäbe 6x6mm, wenn es richtig stabil werden soll.
  

• Benutze Holzleisten (6x6mm) nur für Jets, wo konstruktionsbedingt ein niedriges Gewicht zu erwarten oder es nicht auf jedes Gramm ankommt. Ideal für Sparfüchse…
  

• Platziere Servos und Komponenten soweit wie möglich vorne - immer -
  

• Baue insbesondere am Heck so leicht wie möglich, ansonsten benötigst Du garantiert Blei zum Ausgleich und erhöhst unnötig das Gesamtgewicht.
  

• Verwende lieber größere Akkus anstatt Blei zugeben.
  

• Bleizugaben erfolgen in maximaler Entfernung zum Schwerpunkt um die Menge klein zu halten (Hebeleffekt). Dabei gilt: Entfernung zum Schwerpunkt x Gewicht. Beispiel: 1g am Heck (20cm von Schwerpunkt) benötigt zum Ausgleich 1g am Bug (ebenfalls 20cm) oder aber 2g (in 10cm Entfernung) oder 4g (in 5cm Entfernung) usw.
  

• Schwere Flugzeugemusst Du für die Landung an den Triebwerksgondeln oder dem Bug verstärken, aber Achtung: Teufelskreislauf.
  

• Farbe und Dekor bringt zusätzliches Gewicht, vor allem im hinteren Bereich. Berücksichtige dies von Anfang an.
  

• Dekor-Klebefolie ist für Puristen vernachlässigbar. Setzte sie mit Bedacht ein und foliere nicht gleich das gesamte Flugzeug.
  

3. Der Schub

3.1. Begrifflichkeit:

Schub ist notwendig um den Auftrieb zu produzieren. Er muss dabei zusätzlich den Luftwiderstand überwinden.

Der Schub ergibt sich aus:

• dem verwendeten Motor
  
• dem Regler
  
• der Luftschraube (Propeller, oder kurz Prop)
  
• dem Akku
  

Mehr Schub bedeutet in erster Linie mehr Luft, die über die Tragflächen fließt. Weiterhin ermöglicht er dem Flugzeug schnellere Fluggeschwindigkeiten, die jedoch ein Maximum haben. Ab dieser Geschwindigkeit hat auch ein größerer Motor keinen messbaren Effekt mehr (s. Widerstand). Das sogenannte  "Schub zu Gewicht Verhältnis" sollte bei mindestens 0,8, besser aber über 1,0 liegen, also sollte der Antrieb das Jet senkrecht nach oben ziehen - aus dem Stand. Du kannst dies bei den Herstellern der Motoren nachlesen, mit dem DriveCalc Programm berechnen oder einfach testen. Halte das Modell senkrecht nach unten hängend, an der Nase fest und gib Gas.

3.2. Daumeregeln:

• mehr Schub ist notwendig um das gleiche Flugverhalten bei höherem Gewicht zu erzielen.
  
  
• Motoren mit mehr KV (Umdrehungen pro Volt) erzeugen mehr Schub, aber auch mehr Belastung des Motors u. Reglers.

• Motoren mit mehr KV benötigen kleinere Propeller.
  

• Größere Motoren ermöglichen größere Propeller und somit mehr Leistung, erhöhen aber das Abfluggewicht.

• Je größer der Durchmesser des Propeller (erster Wert der Typisierung) je mehr Schub (Kraft), je größer der zweite Wert (Steigung), je größer die Endgeschwindigkeit.
  

• 4S Lipos bringen mehr Leistung am selben Motor wie 3S, sofern die Grenzwerte nicht überschritten werden und Motor und Regler dies aushalten (sonst gibt es Rauch).
  

• Die doppelte Akkukapazität (mAh) bringt nicht automatisch die doppelte Flugzeit.
  

• Größere Antriebe oder Akkus erhöhen das Gewicht und stehen meist in keinem Verhältnis zur erhofften Leistungssteigerung. Das Gewicht erhöht sich dafür aber in den kritischen Bereich, die Leistung liegt dann im Grenzbereich des Materials.
  

3.3. Maßnahmen:

Planungsphase

• Da Du aufgrund der Größe des Modells auf bestimmte Motortypen und Propellerdurchmesser begrenzt bist, besteht hier nur begrenzt Optimierungspotential. Sofern Du zunächst nur und ausschließlich Schrauben der Größe 6x4 oder 7x4 verwendest, ist dies erstmal vernachlässigbar. Dennoch bieten gerade Propeller aus dem Drohnenbereich interessante Erkenntnisse (3 Blatt Prop oder Zwischenwerte, z.B. 6x4,2), sind jedoch nichr für jedes Modell und jeden Flugstil geeignet.
  

• Der Akku ist ebenfalls limitiert und sollte irgendwo zwischen 1000mAh und 2200mAh liegen, alles auf 3 Zellen basierend. Selbstverständlich kannst Du auch einmal 4S testen, aber achte auf die Temperatur von Motor und Regler. Rauchfahnen sehen in der Luft zwar klasse aus, lassen sich fürs Puklikum aber nicht wiederholen.
  
  
• Das Timing des Regler ist das, was beim Auto Chip-Tuning heißt. Zusätzliche PS - aber in homöopatischen Dosen zum Preis von Flugzeit. Dazu gibt es ein eigenen Artikel im Premiumbereich).
  
  
• Reicht der Schub nicht, kannst Du den Anstellwinkel in der Luft erhöhen. Entweder nimmst du die Nase hoch oder setzt Klappen. Diese erzeugt aber Luftwiderstand und bremst das Modell weiter ab.

Bauphase:

• Verschwende keine Energie durch Luftverwirbelungen, die das Modell bremsen. Beachte den Abschnitt über konstruktionsbedingten Luftwiderstand.
   
• Der Bereich hinter dem Propeller, also in der Regel zwischen den Seitenleitwerken und den äußeren Triebwerksschächten auf der Unterseite sollte frei von Hindernissen sein (keine Servos, Gestänge, Stabilisierungselemente).

• Die Form des Antriebsauschnitts ist entscheidend. Je mehr „Luft zum Atmen“ ein Propeller hat, desto effektiver arbeitet er. (Optische Gründe blende ich hier einmal aus- es läuft also auf einen Kompromiss heraus).
  

4. Der (Luft-)Widerstand

4.1. Begrifflichkeit:

Widerstand bremst die Fluggeschwindigkeit und somit zumindest mittelbar den Auftrieb. Jedes Modell hat eine Maximalgeschwindigkeit, die von der Bauform abhängt. Irgendwann ist der Widerstand so groß, dass auch ein etwas größerer Motor keine Steigerung mehr bringt.

Es gibt 2 Arten Widerstand:

a) Konstruktionsbedingter Widerstand (Bauform)

Wird produziert und beeinflusst durch:

• Tragflächenprofil
  
• Leitwerksgeometrie
  
• Anbauteile (Raketen, Attrappen)
  
• Kanten oder Rundungen
• Oberflächenbeschaffenheit
  

Folge: Insbesondere bei Gegenwind wird das Jet stark abgebremst und zwar, je höher der konstruierte Widerstand ist. Also benötigst Du gegen den Wind wesentlich mehr Schub (Folge: kürzere Flugzeit).

b) Induzierter Widerstand

Dieser entsteht erst durch die Bewegung in der Luft (analog zur Reibung). Induzierter Widerstand ist extrem dramatisch, denn er steigt überproportional (im Quadrat) mit dem Auftrieb, der wesentlich von der Geschwindigkeit abhängt. Somit ist die Höchstgeschwindigkeit limitiert, denn irgendwann wird der induzierte Widerstand so hoch, dass es keinen geeigneten Antrieb gibt, diesen zu überwinden oder die Stabilität der Flugzeugzelle an seine Grenzen kommt.


4.2. Daumenregeln:

• Je dicker die Tragfläche, desto mehr Luftwiderstand.
  

• Je größer das Modell, desto größer der Luftwiderstand.
  

• Pendelleitwerke haben mehr Widerstand als geteilte (fester und beweglicher Teil).
  

• Je größer die Ruderflächen, desto mehr Widerstand bei Ausschlägen.
  

• Je größer die Ausschläge der Ruder, desto mehr Widerstand.
  

• Jede Kante sorgt für Luftverwirbelungen, welche den Widerstand erhöhen.
  

• Jedes Anbauteil (z.B. Raketenpylone) erzeugen zusätzlichen Widerstand.
  

• Ungünstiger Schwerpunkt erfordert angestellte Ruder. Diese erzeugen zusätzlich Widerstand.

• Horizontale Seitenruder (z.B. F-15) sind strömungsgünstiger als schräge (z.B. F-22).
  

• Ein größerer Propeller (Durchmesser und Steigung) wirkt, während er sich dreht, wie eine Scheibe und bremst das Flugzeug ab. 
  

• Innenliegende Komponenten beeinflussen den Luftwiderstand nicht.
  
  
• Je schwerer ein Modell ist, desto mehr Luftwiderstand produziert es in der Regel auch, da das Gewicht, zumeist aus der Größe (Spannweite) resultiert (99% Regel) oder Du hast beim Bau oder der Dimensionierung der Komponenten übertrieben.
  

4.3. Maßnahmen:

Planungsphase

• Willst Du schneller fliegen, optimiere die Bauform und die Profilkanten, anstatt über größere Motoren nachzudenken. Schnelle Jets benötigen wenig Luftwiderstand. Baue also klein, sonst wird es nicht mit dem Geschwindigkeitsrekord.

• Es gibt einen Idealwert für die Größe der Ruderflächen und der Ausschläge. Querruder verlaufen 60% der Spannweite und unterstützen nur die Tailerons (also kleine Ausschläge). Alternativ verwenden wir sie als Landeklappen.
• Aktiviere im Regler die Motorbremse. Ein stehender Propeller produziert weniger Widerstand als ein sich im Wind drehender.
  
  
• Akzeptiere, dass die Physik hier nicht überlistet werden kann.
  

Bauphase

• Profiliere die Tragflächen. Nicht um die Vorteile eines Vollprofils zu simulieren, sondern um stromlinienförmiger zu werden. Hierzu findest Du alle Informationen im Artikel über die Tragflächenprofile.

• Kanten immer anschleifen und abrunden, so stromlinienförmig und glatt wie möglich.
  

• Auf Anbauteile verzichten, da sie neben dem Widerstand auch noch das Gewicht erhöhen.
  

• Schwerpunkt exakt einstellen, sonst fliegt man mit angestellten Rudern (Trimmung). Dies erzeugt permanenten Widerstand.
  

• Tailrons benötigen zur Steuerung etwas größere Ausschläge. Größere Ausschläge bremsen das Flugzeug. Sind die Ausschläge aber wiederum zu klein, verfehlen sie ihre Wirkung

• Ruderausschläge nur so groß, wie erforderlich. Je kleiner, je besser, so dass es zum Flugstil passt.
  

• Komponenten innen verbauen, Servos in den Tragflächen versenken oder verkleiden, Kanten oder Spalte verkleiden.
  
  

5. Zusammenfassung:

Irgendwie ist es seltsam: Du drehst eine Schraube und veränderst gleichzeitig eine Andere. Manches hebt sich gegenseitig auf, manches verstärkt sich. Dazu 3 Beispiele:

• Um die Flugeigenschaften zu verbessern, optimierst Du den Antriebsstrang (größer, kräftiger, stärker, schneller). Damit erhöhst Du das Gewicht. Du musst nun schneller fliegen, um den notwendigen Auftrieb zu erzeugen oder alternativ mit höherem Anstellwinkel oder Rudertrimmung, was merkwürdig aussieht und Energie kostet. Bei der Landung benötigst Du ebenfalls mehr Geschwindigkeit und dies kombiniert mit dem Gewicht in Form von Bewegungsenergie, kann Dein Flugzeug beschädigen. Also benötigst Du mehr Verstärkungselemente - wieder mehr Gewicht. Der Teufelskreislauf beginnt.

• Du willst den Auftrieb erhöhen und das zusätzliche Gewicht kompensieren. Indem Du das Modell oder die Tragflächen vergrößerst, sinkt jedoch Deine Manövrierfähigkeit. Gleichzeitig steigt der Luftwiderstand und der Motor muss härter arbeiten, um die Fluggeschwindigkeit zu halten. Sofern er dies überhaupt schafft, sinkt die Flugzeit durch den höheren Stromverbrauch.
  

• Du willst schneller fliegen. Ein größer Motor in Kombination mit einer größeren Steigung des Propellers bedeutet mehr Leistung. Zusätzlich reduzierst Du die Größe des Modells und stauchst die Tragflächen etwas. Du reduzierst den Luftwiderstand weiter mit dünneren Profilen (Brettprofil anstatt KF4 und kleineren Ruderflächen). Im extremsten Fall entspricht das Modell dann dem „F104 Starfighter“, also einer Turbine mit kleine Tragflächen daran. Damit bist Du zwar sauschnell, aber 3D Kunstflug ist so nicht mehr möglich. Die Landungen werden auch abenteuerlich, denn Langsamflug beherrscht diese Konstruktion auch nicht mehr. Scheinbar also ganz so wie das Original.
  

Experimentiere etwas herum und finde den optimalen Punkt für Dich. Vieles kannst Du während der Bauphase bereits optional planen. Etwas zu groß dimensionierte Tragflächen lassen sich mit dem Skalpell am Platz schnell einkürzen. Für den Antrieb hast Du eine kleine Sammlung unterschiedlicher Propeller, wenn nicht gar Motoren, immer dabei und das Gewicht lässt sich durch den LiPo und/oder Bleigewichten schnell anpassen. Und selbst größere Modifikationen lassen sich nach dem Erstflug im noch umlackierten Zustand vornehmen. So kannst Du ganze Leitwerke oder Ruderflächen austauschen oder die Tragflächen noch aerodynamischer schleifen.
Wenn es nur nicht so komplex wäre, an die Folgen der getroffenen Entscheidungen zu denken.