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Dany Flury / Sept. 2002

Ein neuer Anlauf: Raketengleiter

Vorgeschichte

Seit meinem 8. Lebensjahr baue ich Modellflugzeuge, seit meinem 10. sind sie ferngesteuert. Gleichzeitig begann ich mit dem Bau von Modellraketen. Mit der Zeit verlagerte ich mich immer mehr auf die ferngesteuerten Modelle, die Raketen liess ich mehr oder weniger liegen. Dies änderte sich, als ich wieder einmal einen Kurs in der Schule anbot. Ich suchte im Internet nach Modellraketen und stiess auf jede Menge Seiten zum Thema - allen voran auf die der ARGOS, als Folge auch auf die von Aerotech. Als Modellflieger fühlte ich mich natürlich vor allem durch den Raketengleiter Phoenix angesprochen. Der Kontakt mit Spacetec war schnell hergestellt, und nach einer Woche waren alle bestellten Teile bei mir:

• Der Phoenix inkl. dem RMS-RC 32mm-Motor

• Das Starter-Set mit einer Initiator und der Mantis-Rampe

• Einem RMS-Motorenset (18/24/29mm) und natürlich zugehörige Reloads

Weil es schneller ging, baute ich zuerst die Initiator und liess sie fliegen. Ein paar Wochen später war ich Mitglied bei der ARGOS, am ALRS I dabei ...

Der Phoenix brauchte etwas länger, bis er in die Luft ging; ich baue eben etwas langsam. Dazu kommt, dass der Bausatz alles Andere als dem heutigen Stand im Modellbau aufgebaut ist:

• Die Styroporkerne der Tragflächen sind noch nicht beplankt

• Das Beplankungsmaterial kommt in schmalen Streifen, die zuerst verklebt werden müssen

• Die Styroporkerne sind auf Profil geschnitten aber nicht auf Tragflächenform beschnitten (Pfeilfügel)

• Das Holz für den Rumpf ist (war zumindest in meinem Bausatz) von untauglicher Qualität (viel zu schwer)

Fazit: das Modell wurde statt der angekündigten 500-550g ein ganzes Kilo schwer! Der Hauptteil des Übergewichtes ging dabei auf das Konto der 250g Bleiballast (!), den ich zum Ausgleich des wegen der schlechten Holzqualität (siehe oben) viel zu schweren Hecks brauchte (50g). Etwa 100g gingen auf meine Kappe, da ich den Flügel beim Beplanken komplett mit Glasgewebe verstärkt hatte, statt nur die Streifen zu verwenden, die vorgesehen waren. Wo die verbleibenden 100g herkommen sollen, ist mir ein Rätsel; wahrscheinlich war auch das restliche Holz eher schwer.

Die Flugleistungen mit den vorgesehenen Treibsätzen waren - gelinde gesagt - dürftig. Das Modell kam kaum von der Rampe. Nur mit dem F23 war das Fliegen verantwortbar.

Zu sagen bleibt, dass der Phoenix flugdynamisch betrachtet eine geniale Konstruktion ist: er hat einen enormen Geschwindigkeitsbereich, der mit nur geringen Trimmkorrekturen stabil eingestellt werden kann. Die Schubachse des Motors verläuft sehr genau durch den Massemittelpunkt, so dass der Schubverlauf des Treibsatzes keinen Einfluss auf die Flugbahn hat (indifferente Trimmung vorausgesetzt). Deshalb werde ich wahrscheinlich wieder einen bauen - allerdings nicht aus einem Bausatz, sondern auf Basis des Plans, den ich noch habe.

Da ich keine Lust hatte, mein nächstes Modell von Anfang an selbst zu schnitzen, entschloss ich mich zu einem anderen Weg.

Bat

Der "Bat" ist ein Segler der HLG-Kategorie (Hand Launch Glider). Diese Kategorie (F3K) hat folgende technischen Bedingungen: Spannweite max. 1500mm, max. 2 Servos, Start durch Schleuderstart aus der Hand. Daraus hat sich eine ganz neue Modellkategorie entwickelt (neue Erkenntnisse über Aerodynamik im niedrigen Re-Zahl-Bereich, daraus folgend neue Profile), die auch für Modelle verwendet werden, die an sich nicht der Beschreibung der Kategorie entsprechen: Leichtsegler mit bis 2m Spannweite, Kleinsegler mit und ohne Querruder mit Optimierung auf Thermikflug in niedrigster Höhe (Kreisen über einem Bratwurstgrill - kein Scherz!) oder Kunstflug. Dabei haben vor allem die Kunstflugmodelle und HLGs für stärkeren Wind auch die Fähigkeit, einen Bungee-Start zu überstehen. Dabei wird ein Gummischlauch verwendet, der die Modelle auf einer Strecke von 30-40m auf Geschwindigkeiten von ca. 30-50m/s beschleunigt.

So ein Modell hält natürlich auch einen Raketenstart aus. Ausserdem haben die Modelle Massen zwischen 300 und 500g - also ideal für die 32mm-Motoren.

Unter den vielen Modellen im Angebot habe ich mich für das Modell „Bat-Glider“ entschieden. Das Modell wird von der tschechischen Firma Heinrich produziert und in der Schweiz von HOPE-Modellbau vertrieben. Es ist in Voll-GfK-Bauweise erstellt und mit einem V-Leitwerk versehen. Erhältlich sind zwei Versionen, die sich zu vier verschiedenen Modellen kombinieren lassen: Flügel mit Thermikprofil ohne Querruder, Flügel mit Universalprofil (RG15) mit Querruder; Rumpf in Segler- oder Elektroversion. Beide Versionen haben eine Spannweite von 1350mm, was ziemlich genau dem des Phoenix entspricht.

Tauglich für den Einsatz als Raketengleiter ist dabei vor allem die Seglerversion mit Querruder. Wie bei den Modellen von Heinrich üblich, sind Flügel und Leitwerk fertig gebaut. Der Rumpf besteht aus der vorderen Rumpfkeule mit Abzugschnauze und einem konischen Kohlerohr. Im Normalfall braucht man als Modellbauer nur die Teile zusammenzusetzen, die Fernsteuerung einzubauen und dann zu fliegen. Das dauert etwa 5 bis 10 Stunden. Anschliessend hat man ein Modell, das hervorragend zum Hangfliegen oder auch zum Thermiksegeln vom Bungee geeignet ist - aber auch für alle möglichen Kunstflugeinlagen. Dabei ist es in der Luft praktisch „unkaputtbar“. Beachtet werden muss dabei, dass für die Querruder unbedingt Servos mit einem stabilen Getriebe (vorzugsweise Metallgetriebe) eingesetzt werden sollten; sonst müssen die Getriebe nach jeder härteren Landung ersetzt werden (habe ich schon erwähnt, dass wir verschiedene Exemplare des Modells seit Jahren im Einsatz haben und damit oft in den Alpen fliegen?).

Nebenbei sei mir noch eine Anmerkung zu den Preisen erlaubt:

• Aerotech "Phoenix" inkl. 32mm RMS-RC-Gehäuse: CHF 358.-
  Anmerkung: grosser Aufwand zur Fertigstellung, Qualität zweifelhaft

• Heinrich "Bat", muss noch umgebaut werden: CHF 340.- + CHF 105.- für das 32mm RMS-RC-Gehäuse
  Anmerkung: Voll-GfK, fast fertig, hohe Festigkeit, hohe Qualität (Ausnahme: Profilgenauigkeit im Nasenbereich)

Umbau zum Raketengleiter

Nach der Entscheidung für das Modell musste ich entscheiden, wie der Umbau genau geschehen sollte. Dabei war von vornherein klar, dass ich keine optimale Lage der Schubachse erreichen konnte. Dies ist bei einem Modell in Hochdeckerauslegung mit Normalrumpf schlicht unmöglich; deshalb ist der „Phoenix“ ja auch als Tiefdecker ausgelegt. Es ging also darum, den Motor unter folgenden Rahmenbedingungen einzubauen:

1. Motor möglichst nahe hinter dem Schwerpunkt (davor ist kaum möglich)

2. Schubachse möglichst nahe am Schwerpunkt verlaufend

3. Schubvektor zeigt nach vorne oben (Düse ist also nach hinten unten gerichtet)

4. Rumpf darf durch die Montage der Motorhülse nicht geschwächt werden

Zu 1.

Wie die meisten anderen Flugmodelle auch ist der Bat latent schwanzlastig, Der Motoreneinbau hinter dem Schwerpunkt verstärkt diese Tendenz, auch wenn er ansonsten sinnvoll ist.

Aus flugdynamischen Gründen ist es sinnvoll, dass der Schwerpunkt in der Startphase weiter hinten liegt als in der stabilen Flugphase. Begründung: Eine starke Vorlage des Schwerpunktes wird mit einer grossen EWD kombiniert, um eine hohe Längsstabilität zu erreichen. Eine hohe Längsstabilität bedeutet, dass ein Flugzeug auf die Nase geht, wenn es langsam wird, und sich aufrichtet, wenn es zu schnell wird. Dies ist im Grundsatz erwünscht, hat aber Nebenwirkungen:

• Leistungsverlust: Durch die Schwerpunktsvorlage muss das Leitwerk dauernd Abtrieb erzeugen, um ein Momentengleichgewicht zu erzeugen. Auf- bzw. Abtrieb lässt sich nur mit Widerstand erkaufen.

• In Falle eines Modells mit grossem Geschwindigkeitsbereich (wie in meinem Falle): Wenn das Modell für Gleitflug mit bestem Gleitwinkel bzw. geringstem Sinken eingestellt ist, muss es für den schnellen Raketenflug massiv umgetrimmt werden, damit es sich nicht aufbäumt. Je näher der Schwerpunkt am Neutralpunkt liegt, desto kleiner wird die EWD für einen stabilen Gleitflug. Deshalb muss für eine andere Grundgeschwindigkeit wenig umgetrimmt werden. Nachteil: die Flugstabilität ist gering

Zu 2.

Modelle in Hochdeckerauslegung haben einen hoch liegenden Masseschwerpunkt. Wenn nun der Raketenmotor einfach parallel zur Rumpfachse unten an den Rumpf geschnallt wird, bedeutet dies in diesem Falle, dass der Schubvektor um ca. 30mm unterhalb des Massemittelpunktes verläuft. Folge: ein stark aufrichtendes Moment auf das Modell. Kombiniert mit der hohen Geschwindigkeit in der Endphase des Steigfluges (siehe 1.) würde dies zu einigen Loopings führen - was ich als gesteuerte Kunstflugfigur gerne vorführe, aber nicht unbedingt als Standardverfahren beim Start erachte.

Dazu kommt, dass die beiden aufrichtenden Momente (Geschwindigkeit / Schub) nicht parallel verlaufen: Der Motor hat am Anfang einen sehr hohen Schub, das Modell noch eine sehr niedrige Geschwindigkeit; in der mittleren Phase nimmt die Geschwindigkeit weiter zu, der Schub bleibt konstant. Am Schluss ist die Geschwindigkeit sehr hoch, der Schub gleich null - so gesehen passt nichts zusammen und wird extrem mühsam zu korrigieren. Deshalb müssen all diese Einflüsse möglichst jeder für sich eliminiert werden.

Einzige mögliche Lösung ist, dass der Motor schief eingebaut wird (kennt man von Clustern!). Wenn er weiter hinter dem Schwerpunkt liegt, braucht der Motor einen geringeren Winkel zur Rumpfachse, um den Abstand zwischen Schubvektor und Schwerpunkt gering zu halten.

Zu 3.

Die aus Punkt 2 benötigte „Schieflage“ lässt zwei Varianten zu: unter dem Rumpf nach schräg unten gerichtet oder über dem Rumpf nach schräg oben gerichtet.

Die Version mit dem Motor oberhalb des Rumpfes schied aus zwei Gründen aus:

• der Schubvektor zeigt nach schräg unten - und das widerspricht dem Ansinnen des Modells: nach oben!

• der Abgasstrahl verläuft in diesem Falle recht nahe am Leitwerk. Zumindest auf Dauer möchte ich dies den GfK-Teilen nicht zumuten.

Zu 4.

Das Problem in diesem Falle ist weniger die Biegesteifigkeit sondern die Torsionssteifigkeit. Der Rumpf ist als torsionssteifes Rohr ausgelegt, das serienmässig unter dem Flügel verstärkt ist, um eine Öffnung für die Kabeldurchführung ausfräsen zu können. Eine weiter Öffnung ist nicht vorgesehen und würde den Rumpf massiv schwächen. Selbstverständlich ist es kein Problem, die Stelle um die Öffnung so zu verstärken, dass die Stabilität gewährleistet ist. Aber das kostet Gewicht. Also: Öffnung möglichst klein halten. Dies wiederum bedeutet, dass der Schnitt der beiden Körper möglichst genau getroffen werden muss. Nur: Der Rumpf ist ein nicht genauer definierter Rotationskörper (annähernd runder Querschnitt), der einem Ellipsoid oder allenfalls einer Ogive gleicht. Einen Schnitt mit einem Zylinder unter einem Winkel von ca. 20° zu zeichnen - na danke!

Also Trial and error. Glück gehabt: viel Trial, wenig error. Der Weg: grob anzeichnen, viel kleiner ausfräsen, dann schleifen, schleifen, schleifen ...

Nach dem Einpassen der Motorhalterung kamen die Verstärkungen in Form von Rowings in den Hohlkehlen und Glasgewebe in den Übergangsbereichen dazu. Dann wieder schleifen, spachteln, schleifen.

Danach sah es so aus:

Gespritzt habe ich mit einer hitzefesten Farbe, obwohl das an sich nicht einmal nötig wäre. Die Hitze hält sich im Rahmen; allerdings bin ich nicht sicher, ob die GfK-Motorhalterung auf Dauer durchhält. Besser wäre mit Sicherheit ein Kartonrohr wie beim Phoenix.

Bau der Tragflächen

Die Ausrüstung der Tragflächen unterscheidet sich nicht vom Bau des „normalen“ Modells. Folgende Arbeiten sind zu erledigen:

1. Einbau der Servos Öffnungen für Servos fräsen (angezeichnet) Kabel einziehen und verlöten; vorzugsweise auf Rumpfseite mit einem gemeinsamen Stecker. Servos anlöten und in Öffnungen einkleben (unbedingt Fernsteuerung programmieren und in Servohebel aufschrauben, wenn Servos in Neutralstellung stehen - ca. 15° zur Nasenleiste gerichtet)
2. Spaltabdeckung Spaltbereich grosszügig mit Talkpuder bestreuen den Puder auf der Querruderseite mit einem feuchten Lappen abwischen
Klebestreifen (am besten die kristallklaren aus der Migros - die halten am längsten durch!) so über den Spalt kleben, dass auf der Flügelseite innen ca. 7mm über stehen, aussen ca. 5mm (bei weniger rutscht das Band bei vollem Ausschlag nach oben heraus, weniger stehen bei vollem Ausschlag nach unten an). mit einem Papier den Puder auf der überstehenden Klebeseite des Klebebandes verteilen; den Rest wegwischen Das Querruder ganz nach oben drücken und das Klebeband unter die Beplankung führen

• Einen Schlitz für das Ruderhorn fräsen (siehe Bild; ich bevorzuge GfK-Ruderhörner)
• Rudergestänge ablängen und einsetzen - spätestens jetzt alle möglichen Kombinationen von Ausschlägen durchtesten!
• Die Abdeckung einpassen und einfach mit Klebeband fixieren.

Endarbeiten und Tests

Provisorisch montierte ich einen Hochstarthaken und startete meinen Bat QR vom Gummiseil. Alles verlief wie erwartet: Start wie auf Schienen, Flug problemlos. Ich testete die Gleitflugkonfiguration mit allen Standardtests (45°-Sturz, Abfangkurve beobachten; passen Reaktionen auf die Ruder zu meinem Flugstil? Wie verhält sich das Modell mit hoch gestellten Querrudern?).

Danach folgten Tests im Schnellflug; dabei verschob ich den Schwerpunkt für beide Konfigurationen so weit nach hinten, wie ich es gerade noch verantworten konnte (siehe oben). Besonderes Augenmerk richtete ich auf das Verhalten in indifferenter Trimmung (kein Abfangen aus dem Sturzflug - egal welcher Winkel).

Alle Testflüge machte ich natürlich mit eingesetztem Motor, aber ohne Reload. Die Masseverteilung entsprach damit der, wie sie nach Brennschluss anzutreffen ist.

Zu beachten war dabei immer, dass ich meine Steuerung den Ergebnissen entsprechend zu programmieren hatte. Um möglichst wenig Arbeit mit dem Programmieren zu haben und damit auch möglichst viele Fehler zu vermeiden, erflog ich alle Werte, die für alle Konfigurationen Gültigkeit haben, zuerst in der Gleitflugkonfiguration und kopierte sie dann in die anderen Flugzustände. Dann erflog ich die differierenden Werte für die einzelnen Flugzustände. Hört sich komplizierter an, als es ist - eine Sache der Planung. Kompliziert wird es allerdings, wenn ich während eines Fluges einen Wert korrigiere und im Nachhinein überlegen muss, in welcher Phase ich korrigiert habe und wo ich was in die Grundprogrammierung übernehme ... Zum Glück lässt meine Steuerung (Multiplex mc 4000) da sehr komplexe Verknüpfungen zu, wo ich selbst festlegen kann, welche Werte wo gelten und übernommen werden sollen.

Im Moment habe ich folgende Flugzustände programmiert:

• Gleitflug: Normalprogramm

• Kunstflug: gegenüber Gleitflug keine Querruderdifferenzierung und erhöhter Höhenruderausschlag, zusätzlich Schnellflugtrimmung als Grundwert.

• Start: starker Tiefenruderausschlag zur Kompensation des aufrichtenden Momentes durch den Schub; ausserdem reduzierte Ausschläge auf Höhen- und Querruder inkl. Expofunktion (ca. 30%); und - aus Sicherheitsgründen - deaktivierte Spoilerfunktion auf den Querrudern.

• Den Übergang von „Start“ auf die anderen beiden Flugfunktionen habe ich auf einen leicht erreichbaren Knüppeltaster gelegt, damit ich beim Schnellflug die Hände nicht von den Knüppeln nehmen muss und mit 5s Delay programmiert, damit keine plötzlichen Lageänderungen auftreten. Die anderen beiden Flugzustände kann ich über einen leicht erreichbaren Kippschalter umschalten.

Ziel der ganzen „Programmiererei“: während des Fluges möglichst wenig mit unberechenbaren Zuständen zu tun zu haben. Ich muss mich darauf verlassen können, dass ich immer weiss, wie sich das Modell verhält. Andere unberechenbare Faktoren gibt es noch genug, wie ich schon vor dem ersten Raketenflug zurecht vermutete!

Raketenstarts

Um es kurz zu machen: fast alles verlief wie erwartet!

Wie erwartet bäumt sich der Bat beim Start stark auf, was aber leicht von Hand zu korrigieren ist. Wie erwartet lässt sich der Starttrimm im konstanten Steigflug leicht nachkorrigieren und konnte nach drei Starts definitiv belassen werden. Und wie erwartet ist die Startbeschleunigung bei den 650g Startmasse sehr viel besser als beim 60% schwereren Phoenix.

Nicht erwartet hatte ich allerdings ein merkwürdiges Flugverhalten, das wir von diesem Modell sonst nicht kennen: ein dauerndes leichtes Pendeln um die Hochachse (also eine Gierschwingung) sowie ein etwas „schwammiges“ Verhalten auf die Steuerung um alle Achsen im Kurvenflug. Darauf folgten erneute Testflüge vom Hochstart - geändert habe ich die Schwerpunktslage (kein Erfolg), die Lage des Empfängers (er lag vorher direkt vor dem Motor - war es ihm da wohl zu heiss?), die Lage der Antenne (zuerst im Flügel, neu eine Stabantenne) - keine merkliche Verbesserung. Schliesslich einigten wir uns, dass wahrscheinlich Verwirbelungen vom hinteren Ende des Motors auf das Leitwerk trafen und seine Wirkung reduzierten. Um die Ablösung grosser Wirbel zu verringern, verpasste ich dem Modell einen Zackenturbulator rund um den Rumpf (sichtbar auf dem Foto mit dem Piloten - das Band um den Rumpf kurz vor dem Flügel). Ziel: durch den Turbulator werden kleine Wirbel im Rumpfbereich ausgelöst (das ist sicher), die die Entstehung grosser Ablösungen verhindern sollen (in diesem Falle eher unsicher, da die Strecke zwischen den beiden „Wirbelerzeugern“ recht gross ist und die Strömung um einen Rumpf eher unberechenbar ist!).

Fazit: Schliesslich haben die Massnahmen das Flugverhalten merklich verbessert; allerdings weiss ich nicht genau, welche schliesslich entscheidend war. Das Problem ist, dass die Einstellarbeiten an einem Modell viele Starts und Flüge erfordern (ich rechne bei jedem Modell mit zehn bis zwanzig Flügen). Das ist normalerweise kein Problem - ich starte, fliege fünf Minuten, lande wieder und stelle ändere die Einstellungen in einem Punkt, starte erneut - alles was ich brauche, ist ein ruhiger Tag. Was bei einem Raketengleiter, bei dem jeder Start mit längerer Vorbereitung, höherem Risiko und deutlich höheren Kosten als bei irgend einem anderen Modelltyp verbunden ist? Ich ändere alles auf Einmal und schaue, ob es gewirkt hat. Da stehe ich nun und freue mich, dass es funktioniert ...

Als grosses Problem stellte sich nach kurzer Zeit die Sichtbarkeit des Modells heraus. Auf einem F13 gestartet ist dies kein Problem, da die erreichbare Höhe bei nur etwa 150-200m liegt (Brenndauer ca. 5s). Anders mit dem G12: der brennt etwa 8s; damit erreicht das Modell Flughöhen von 250-300m und eine ebenso grosse Bodendistanz zum Startplatz. Bei dieser Modellgrösse ist es in dieser Entfernung und von hinten praktisch nicht mehr zu sehen. Abhilfe schaffen kann nur ein etwas anderes Startverfahren: steiler steigen, damit das Modell nicht so weit weg fliegt; und - bei etwas Routine - die Energie schon im Steigflug in Kunstflugfiguren umsetzen.

Damit kann nebenbei der Showeffekt gesteigert werden. Und darum geht es ja schliesslich, oder?

Links:

• Bilder Dany vom ARGOS Club Launch August 2002

Andi Wirth / Sept. 2002

Leider zeigte seine Startrampe genau auf unser Team, so dass wir aus Sicherheitsgründen die Ariane so schnell wie möglich in die Senkrechte bringen mussten. Dieser Umstand führte zu einer kurzfristigen Umstellung der Checkliste, die mit über 400 Punkten nicht gerade klein war !

Auf diesem Bild sind die 4 Booster noch nicht eingehängt.

In der unten aufgeführten Gallerie sind die einzelnen Arbeitsschritte genau dokumentiert.

Auf dem Bild hat gerade der M-Motor gezündet und die Rakete etwa 1m hochgehoben, die beiden K550-Motoren sind gerade im Begriff zu zünden, man sieht schon eine Flamme, noch ohne Schub. Die beiden J350-Motoren werden in einer 1/10 Sekunde später folgen.

Der Anblick und der Sound war sehr imposant !

Der vordere Teil (Nase, Palyoad und Intersection) wurde zuerst von einem Ballistik-Drogue stabilisiert und der Hauptfallschirm durch den Release-Mechanismus schliesslich freigegeben. Der Fallschirm wurde zwar leicht eingerissen, die Nase überlebte die Landung aber ohne grössere Schäden.

Weniger Glück hatte der Main-Booster. Aus noch nicht geklärten Gründen blieb der Drogue im Innern und deshalb konnte auch der Hauptschirm seine Aufgabe nicht erfüllen. Fazit: der Main-Booster stürzte aus 1200m ab.

Marc Klinger hat diese Sequenz des Startes geschossen ! Vom ganzen LDRS XXI gibt es eine grosse Web Gallery von den besten Photos von diesen 4 verrückten Tagen !

Check this out !

Links:

• http://www.hawkmountain.ws

• http://www.publicmissiles.com

• http://www.aeropack.net/motor_retainers.html

• http://www.aedelectronics.nl/rdas/index.htm

Dany Flury / April 2002