Tragflächenprofile
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Profitip gleich Vorweg:
Spare Dir das Lesen und setzte ausschließlich auf KF4 Profile, für spezielle Projekte notfalls auf das einfache Brettprofil. Du hast jetzt mehr Zeit in der Werkstatt oder am Flugplatz.
Für diejenigen, die neugierig sind, hier
meine
ausführliche Theorie und Erklärung.
1. Einleitung
Dein Modell soll fliegen, folglich benötigt es Auftrieb. Da es, anders als ein Ballon oder Zeppelin, nicht leichter als Luft ist, muss dieser Auftrieb erst noch produziert werden und hängt wesentlich von der Geschwindigkeit und den Tragflächen ab. Das von mir vermittelte theoretische Wissen wird Dir helfen, die Zusammenhänge zu erkennen und wichtiger noch: Diese zu Deinem Vorteil zu beeinflussen. Dafür benötigst Du keinen Doktor in Physik oder Luft- und Raumfahrttechnik.
Vorbemerkung:
Ich bin keiner dieser Theoretiker und in abstrakter Mathematik auch nicht besonders gut. Im Beitrag über "Aerodynamik" habe ich das Wissen noch einmal komprimiert, den Schwerpunkt jedoch auf die Praxis gelegt. Das dort vermittelte Wissen hilft Dir bei der Planung, Konzeption und beim Bau Deiner Jets. (Direkt zum Fachbeitrag: Aerodynamik für Depronjets)
Eine ebenfalls gute (und kurze) Abhandlung zu dem Thema als Einstieg habe ich bei meiner Lieblingsseite: www.phyx.at unter folgender Seite im Internet gefunden und verlinke sie Dir hier. Videos sind ebenfalls dort einsehbar, so dass Du eine gute Grundlage für folgenden Beitrag hast.
Aber:
Bewerte das dort Gesagte nicht zu hoch.
Irgendwie scheint der ganze Physik-Kram das Depronjet nicht zu interessieren, denn es fliegt auch ohne gewölbtes Profil (s. Brettprofil). Also wie eine Hummel, die physikalische aufgrund ihres Eigengewichts und der kleinen Flügel theoretisch gar nicht fliegen dürfte - sie weiss das aber nicht und tut es trotzdem.
Insgesamt habe ich festgestellt, dass die Physik überbewertet wird und halte mich an den einfachen Grundsatz und folgenden Test: Öffne während einer Autofahrt das Fenster (natürlich nicht als Fahrer) und strecke Deinen Arm mit flacher, wagerecht liegender Hand heraus. Du solltest keinen Effekt, außer einem starken Windzug, dem Luftwiderstand, spüren. Kippe die Hand nun nach oben oder unten. Dies vergrößert den Anstellwinkel und Du bemerkst eine entsprechende Kraft, die Deine Hand in die jeweilige Richtung drückt. Je schneller Du fährst, je stärker ist dieser Effekt. Gleichzeitig bemerkst Du wie die Hand nach hinten gedrückt wird, da sich parallel der Luftwiderstand erhöht.
Sicherlich reicht diese Erklärung nicht für einen Doktortitel, aber mit diesem „Bild im Kopf“ kannst Du Dir später viel herleiten, wenn es um Anstellwinkel, Einstellwinkel, Wölbungen und Landeklappen geht.
Physik kann so einfach sein.
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![F-18 mit LERX Vorflügel zur Erhöhung des Auftriebs]()
F-18 mit LERX
Button(Quelle: John Torcasio auf www.pixabay.com)
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![F22 Raptor mit Tragfläche aerodynamisch]()
2. Grundlagen
Tragflächen sind die Baugruppe am Flugzeug, Modell wie Original gleichermaßen, die erheblich zum Auftrieb beitragen und somit zur Frage: „Und - fliegt das Ding?“.
Durch physikalische Effekte (Stichwort: Bernoulli, Venturi usw.“) entsteht ein Effekt, der das Flugzeug je nach Sichtweise nach oben saugt oder aber drückt - genau das, was wir wollen. Den Effekt kannst Du durch Vorflügel, Strakes oder LEX (engl. leading edge extension) erhöhen, also verlängerte Tragflügel im Bugbereich. Die F/A-18 dient hier einmal exemplarisch als Beispiel. (Und auch die F-22 sei hier als Beispiel erwähnt, bei der konstruktionsbedingt der gesamte Rumpfbereich Auftrieb produziert. Für die F-18 habe ich dies in der Planung und Konzeption (zum Baubericht) bereits berücksichtigt, eine F-22 befindet sich in der Erstellung.
Für Dich als Depron-Modell-Jet-Konstrukteur sind folgende fünf Profiltypen und Abwandlungen relevant.
- Brettprofil (und Doppelbrettprofil)
- Gewölbtes Brettprofil
- Slats am Brettprofil
- Clark-Y
- KF Profile
Brettprofil
Beschreibung:
Die Tragfläche besteht hierbei aus einer Lage Depron und ist für einfache Profilkonstruktionen geeignet ((s. Baubericht der F/A-18). Eigentlich dürften diese Profile nicht fliegen, aber das wissen sie ja nicht. Sie tun es einfach. Und für Leitwerke (Höhe, Taileron, Seite) ist es die Bauform der Wahl.
Erklärung:
Zunächst einmal bleibt festzustellen, dass, wie bei meinem „Autofenster-Hand Modell“ kein nennenswerter Auftrieb produziert wird, wenn das Profil gerade, von vorne angeströmt wird. Erst durch Veränderung des Anstellwinkels wird Luft nach unten abgelenkt und drückt das Modell hoch. Dies erklärt auch, warum mit diesem „Profil“ gebaute Modelle unabhängig vom Schwerpunkt im Normal- und Langsamflug immer etwas „durchhängen“. Für die Leitwerkskonstruktion sind die Profile ideal, da die Hauptaufgabe genau die Ablenkung der Luft nach oben oder unten, rechts oder links ist.
Bauaufwand:
Der Aufwand und die Arbeit beim Bau sind minimal. Du musst lediglich Stabilisierungselemente einarbeiten, da das Profil ja nur 6mm dick ist. Bei machen Flugzeugen, wie z.B. der F-14 "Sundowners" oder dem "PA-200 Tornado" ist es die einzige Möglichkeit, will man die Flügel einschwenken.
Dennoch lassen sich auch diese Profile weiter optimieren. Du solltest die Vorderseite anspitzen oder abrunden, idealerweise so, wie in nebenstehender Abbildung. Die Hinterkante sollte flach auslaufen. Insgesamt, von der Seite betrachtet, sieht es dann aus, wie ein dünnes Clark-Y Profil.
Das Doppelbrettprofil, also 2 miteinander verklebte Schichten lassen sich noch besser in Form schleifen um die Clark-Y Wölbung der Oberseite nachzuahmen.
Sie nur vorsichtig und meine es nicht zu gut, nicht dass es hinten zu dünn oder ungleichmäßig wird.
Fazit:
Einfach zu bauen, jedoch nicht ideal.
Gewölbtes Profil
Beschreibung:
Das Brettprofil lässt sich biegen (wölben) und mit Rippenelementen in Form halten. In einfachen Fällen reicht es auch, dass „Brettprofil“ leicht über eine Tischkante zu ziehen.
Erklärung:
Die Luft muss hier schon einmal einen anderen Weg beschreiten und es kommt der grundlegende physikalische Effekt zum Tragen. Die Form ähnelt bereits einem ClarkY Profil, ist jedoch unten offen. Der Auftrieb vergrößerst sich, aber es bilden sich unerwünschte Luftverwirbelungen. Je schneller Du fliegst, je ausgeprägter ist der Effekt. Somit eignet sich dieses Profil für Langsam-, Slow- oder Hallenflieger, insbesondere, wenn die Fläche noch angestellt wird. Profis sprechen vom Einstellwinkel, also der Differenz zwischen der Längsachse des Flugzeuges und der Tragfläche.
Bauaufwand:
Einfach, durch Wölben der Depronfläche und stabilisierenden Elementen darunter (z.B. 6mm Depronstreifen)
Fazit:
Unsere Jets haben keine gewölbten Flächen und der Einstellwinkel beträgt 0 Grad.
Du willst ein Jet bauen und keinen Sporthallenschleicher, also ist dieses Profil vernachlässigbar, jedoch nicht ohne Relevanz für die nächste Profilform.
Vorflügel (Slats)
Beschreibung:
Sog. „Slats“ oder LEF (engl. leading edge flaps) oder auch "Fronterons", also Wölbeklappen an der Vorderseite der Tragflächen, können fest verbaut oder analog zu Landeklappen mit einem Servo angesteuert werden.
Erklärung:
Ähnlich dem „Gewölbten Brettprofil“ wird hier eine Tragflächenkrümmung erreicht, die ähnliche Effekte hat. Der Auftrieb wird vergrößert und die Manövrierfähigkeit bei niedriger Geschwindigkeit steigt auch bei Manövern mit hohen Anstellwinkel (High Alpha). Durch den erhöhten Luftwiderstand reduziert sich aber auch die Höchstgeschwindigkeit und die Windanfälligkeit steigt.
Bauaufwand:
Einfach, sofern im vorderen Bereich ein Teil der Nasenleiste abgeschnitten und mit unten befestigter Rippenelementen, schräg wieder angeklebt wird.
Komplex, wenn diese Lösung, je nach Flugzustand, mit einem Servo verändert werden soll. Prominentestes Beispiel ist hier die F-16 im Langsam- oder Landeanflug, wo sehr schön die vorderen Klappen zu sehen sind. Man kann diese allein, oder aber mit normalen Landeklappen kombinieren, wobei man die Gsamtwölbung dabei doppelt erhöht, folglich auch den Auftrieb.
Fazit:
Nicht ideal für unsere Zwecke, aber durchaus eine Überlegung wert, wenn das einfache Brettprofil an seine Grenzen kommt oder Du etwas experimentieren willst.
Clark-Y Profil
Beschreibung:
Gemeint ist das klassische Modellbauprofil, also gerade Unterseite und gewölbte Oberseite. Es ist der Prototyp einer Tragfläche - ein Klassiker.
Erklärung:
Hier treten die physikalischen Effekte der Aerodynamik so auf, wie im Lehrbuch angedacht. Die oben verlaufende Luft, fließt schneller und erzeugt einen Unterdruck, der die Tragfläche nach oben saugt. Die Flugeigenschaften sind normal, der Auftrieb etwas höher, insbesondere bei zunehmender Geschwindigkeit.
Bauaufwand:
Die klassische Bauweise ist in Rippenstruktur, in unserem Fall reicht ein Mittelholm und eine gewölbte Oberseite, die anschließend an den Kanten verschliffen wird. Natürlich kannst Du auch in Rippenstruktur, analog zu einem klassischen Holzmodell bauen, diese ist jedoch aufgrund der Oberflächenspannung des Depron nicht notwendig. Willst du Querruder einsetzten, ist die Anscharnierung jedoch deutlich aufwendiger, weshalb ich es nur selten verwende.
Fazit:
Aufwendiger zu bauen, eher für Scalemodelle oder Modelle mit angewinkelten Tragflächen (V-Form) oder wenn Dir die KF-Profilform absolut nicht zusagt.
KF Profile
Beschreibung:
KF-Profile wurden in den 60er Jahren von Richard Kline und Floyd Fogleman entworfen, bei dem Versuch ein Papierflugzeug zu konstruieren, das etwas Wind verkraften, ein wenig steigen, sich von selbst in der Luft halten und lange abwärts gleiten kann.
Genau dass, was Du suchst.
Weiterentwicklung führte zu zwei Patenten und einer Familie von Tragflächen, die als KF-Tragflügel und KFm-Tragflächen bekannt sind (von Kline-Fogleman modifiziert).
Erklärung:
Der Zweck der "Abstufung" so wird behauptet, ist, dass ein Teil der verdrängten Luft in eine Tasche hinter der "Stufe" fällt und somit ein Teil der Tragflächenform einen Wirbel bildet. Dieser verhindert die Ablösung der Strömung von der Tragfläche bei niedrigen Re-Zahlen und hält den Luftstrom an der Oberfläche des Tragflügels Der Strömungsabriß erfolgt später oder in der Praxis gar nicht. Somit kann bei niedrigen Flächenbelastungen und hohen Anstellwinkeln ein Vorteil entstehen.
Negativ ist hier die treppenartige Optik und der erhöhte Luftwiderstand im Normalflug anzumerken. Dennoch gibt es keine schnellere Art ein Brettprofil zu erweitern und Stabilität in der Konstruktion zu gewinnen.
Falls Du an Hintergrundwissen zu KF Profilen interessiert bist, solltest Du folgende Quellen (englisch) nutzen:
1. NASA Fachpublikatio (unter
https://ntrs.nasa.gov/search?q=kline-fogleman)
2. Europäischen Patentamt (EPA) unter http://ep.espacenet.com/?locale=de_EP
Dort einfach in die Nummernsuche eingeben: US3706430 und US4046338 Dann die Option "Originaldokument" wählen; das erscheinende Deckblatt wegklicken und dann "Vollständiges Dokument speichern" anklicken. Gleich in der ersten Patentschrift wirst du sehen, was für Anwendungen sich die Erfinder vorgestellt haben.
3. Strömungsprofil des KFm Profils im Windkanal unter https://youtu.be/KsKDz0istMY
Bauaufwand:
Und hier die gute Nachricht: Der Aufwand ist minimal. Es müssen lediglich die Tragflächen aufgedoppelt werden, d.h. es kommen oben oder/und unten zusätzliche Schichten Depron dazu. Die Nasenleiste wird symmetrisch angeschrägt und verschliffen. Netter Nebeneffekt: Es verbessert zusätzlich die Stabilität der Flächenkonstruktion.
Fazit:
Ideal als Allroundprofil und somit Erste Wahl.
Mein Stein der Weisen - zumindest für Jets. Um Kritikern gleich vorab den Wind aus den Segeln zu nehmen: Das häufigste Gegenargument ist, dass wenn KF funktionieren würden, die Luftfahrt diese Erfindung bereits für sich entdeckt hätte. Schon die Diskussion über Gültigkeit oder Nichtgültigkeit des Bernoulli-Gesetzes (Energiesatz der Strömungslehre) ist erstaunlich…
Ich sehe dies so:
Die Luft hat eine feste Molekülgröße, die sich analog zum Modellflugzeug nicht verkleinern lässt. Folglich gelten etwas andere Regeln (siehe dazu speziell: Reynolds (RE)-Zahl). Dies ist übrigens einer der Gründe, warum Modellflugzeuge nicht einfach 1:1 verkleinert werden können und auch nicht sollten, also „Voll-Scale“. Sie sehe dann zwar toll aus, fliegen aber möglicherweise deutlich schlechter. Echte Flugzeuge sind nicht aus Depron und in der Regel nicht übermotorisiert, also haben sie ein schlechteres Verhältnis von Gewicht zu Schubkraft. Das Modellflugzeug ist deutlich im Vorteil und lässt Konstruktionen zu, die in der echten Luftfahrt niemals fliegen würden (sog. FunFlyer, aka der fliegende Rasenmäher).
Und zuletzt an alle Theoretiker: Probiert es doch mal aus und argumentiert danach…
3. Bautheorie:
- Nach so viel Theorie über Physik und Aerodynamik wird es Zeit, das Wissen über Profile zu vertiefen und konkret auf die Praxis zu beziehen. Dabei konzentrieren wir uns aber nur auf das Plattenprofil und das KF4 Profil, also die am häufigsten verwendeten Profilformen Deiner Jets.
Plattenprofil
- Ideal für alle einfachen und schnell gebauten Modelle, z.B. Profiljets. Der Vorteil ist das niedrige Gewicht und der minimale Kostruktionsaufwand. Allerdings darfst Du nicht vergessen, die Tragfläche mit Stabilisierungsholen oder unten angebrachten „Raketenpylonen“ zu verstärken. Auch Leitwerke werden nach dem selben Prinzip gefertigt.
- Notwendiges Übel beim Bau einer "F-14" oder "PA-200 Tornado" mit Schwekflügeln, da sonst die Öffnung im Rumpf, wo die Tragflächen einfahren, nicht sinnvoll zu gestalten sind.
- Mit wenigen Schleifarbeiten lässt sich ein ClarkY Profil imitieren und sollte stets durchgeführt werden, allein um den Luftwiderstand zu reduzieren.
- Die Tragflächen können(!) auch nur in geringen Umfang mit einem leichten, dünnen 3mm Kohlefaser-Stabilisierungsholm verklebt werden, d.h. sie sind dann in der Lage, sich in der Luft, durch das Eigengewicht des Flugzeuges und die G-Kräfte zu verbiegen, so dass Sie eine V-Form bekommen. Das sieht nicht optimal aus, stabilisiert aber das Flugverhalten. Bei meinem ersten Tornado-Bau ist mir das unplanmäßig passiert, die Flugeigenschaften sind aber trotzdem, oder gerade deswegen optimal. Grundlegend rate ich Dir aber zu minimaler Biegsamkeit - die Tragflächen müssen „bretthart“ sein.
- Der Anstellwinkel der Flächen sollte 0 Grad betragen, anderenfalls produzierst Du zu viel Auftrieb bei großer Geschwindigkeit und das Modell steigt plötzlich.
KF-Profiltypen
- Ideal für alle „klassischen Jets“. Wenn Dich die treppenartige Optik stört, findest Du in den Bauabschnitten er einzelnen Modellprojekte viele Tipps, dies mit Farbe und Dekor zu „verstecken“. In der Luft sieht es eh niemand mehr.
- Die KF Stufen müssen absolut deckungsgleich - oben wie unten - angebracht werden. Nur wenige Millimeter Unterscheid, und die Modell steigt oder unterschneidet ungewollt, insbesondere in Kurven.
- Die Dicke der KF Stufen sollte der Dicke der Tragfläche entsprechen, also je 6mm. Test mit unterschiedlichen Materialstärken, z.B. nur je 3mm oben und 6mm unten, habe ich noch nicht unternommen. Dies liegt mit daran, dass ich nur 6mm Depron verwende.
- KF Profile müssen vorne an der Nasenleiste symetrisch abgerundet oder angespitzt werden, die Kante der KF-Stufe darf aber nicht schräg oder angeschliffen sein. Gerade Kanten sind gefordert, ansonsten bildet sich der Wirbel nicht und der Effekt ist dahin.
- Wo die KF Profile an der Tragflächen angesetzt werden ist Geschmacksache. Daumenregel ist bei 40% der Profiltiefe. Bei stark geschränkten Tragflächen, wie bei Vertretern der Suchoi-Flugzeuge, hat es sich bewährt, dies zu den Flügelspitzen auf 35% zu reduzieren. Dies habe ich Dir im Baubericht der SU30-SM genauer und in der Praxis beschrieben.
- KF Profile lassen sich auch bei Vorhandensein von LEX- Vorfflügelflächen, wie z.B. bei einer F/A-18 auf diese aufsetzen und erhöhen den Gesamtauftrieb merklich. Durch die Triebwerksgondeln ist aber meist nur ein KF2 Profil möglich, also eine zusätzliche Depronschicht auf der Oberseite der LEX.
- Durch die Gesamtmaterialdicke der fertigen Tragfläche im vorderen Drittel von 18mm, kann nun auch die Ansteuerung der Querruder, durch in den Tragflächen eingelassene Servos, bewerkstelligt werden. Du hast somit den Vorteil direkter und gerader Anlenkung der Steuerflächen. Ebenfalls kannst Du zusätzliche Servos zur Ansteuerung von Krüger- oder Landeklappen unterbringen.
Ergänzungen zum KF Profil (Flugeigenschaften):
KF1: kann bedeutend langsamer geflogen werden als mit Plattenprofil, bei höherer Geschwindigkeit nimmt aber die Instabilität zu und das Flugzeug kann auf den Rücken drehen, insbesondere in steilen Kurven
Fazit: lieber nicht allein verwenden und wenn dann nur mit zusätzlich stabilisierenden Elementen.
KF2: erzeugt deutlich mehr Auftrieb als das Plattenprofil. Jedoch wird die Nase des Modells heruntergedrückt, weil es das Heck hochzieht, sogar trotz angestellter Höhenruder. Dies darf nicht mit einem falsch eingestellten Schwerpunkt verwechselt werden. Es bildet sich somit der gegenteilige Effekt wie beim Brettprofil.
Fazit: Für Modelle, die mit Plattenprofil bereits zu schwer sind und etwas mehr Auftrieb vertragen könnten, lässt sich diese Stufe leicht nachrüsten.
KF3: ist weniger auftriebsstark als KF2, jedoch sind höhere anstellwinkel möglich, ohne dass die Strömung abreißt.
Fazit: Eher für Kunstflug, als für dynamische, jettypische Flugeigenschaften.
KF4: verhält sich neutral, da vollsymetrisch (da es eine Kombination von KF1 und KF2 ist). Bei hohen Geschwindigkeiten nimmt die Stabilität immer weiter zu und das Jet fliegt "wie auf Schienen". Die geringere Windanfälligkeit ist ebenfalls ein Vorteil dieses Profils. Leider erhöht es auch das Gesamtgewicht und den Luftwiderstand und Du wirst dadurch keine Geschwindigkeitsrekorde mehr brechen.
Fazit: Ideal
4. Fazit:
Und der Gewinner heißt:
Jedes der Profile hat seinen Einsatzzweck und jeder Modellbauer hat hier eigene Vorlieben. Für Dich relevant sollte nur das Brettprofil sein oder das KF4 Profil, da wir Flugzeuge benötigen, die einfach zu bauen sind, dabei leicht und stabil zugleich, die bei (fast) jeder Windstärke fliegen und einen breiten Einsatzbereich abdecken.
Später dann, kannst Du mit zusätzlichen Raffinessen spielen und bewegliche Klappen verbauen, die Profilform verändern oder Modifikationen der einzelnen Tragflächentypen entwerfen. Als Beispiel kann ich Dir oben noch mein Profil für eine A-10 zeigen, was eine Mischung aus ClarkY, vollsymmetrisch, gewölbt und auch noch mit KF1 Stufe darstellt. Angesteuert wurden später Querrudern und Landeklappen, also 4 Servos in der Tragfläche.
Neben diesen Testmodellen oder konstruktiv nicht anders zu lösenden Besonderheiten (Schwenkflügel), verwende ich aber ausschließlich KF4 Profile.