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Elektrische Antriebe für Fesselflug-Kunstflugmodelle (F2B); Stand der Dinge und Ausblick
Die am 1.1.2006 auf Stufe FAI (Europa) und AMA (USA) erfolgte Zulassung elektrischer Antriebe für F2B Modelle ist von fundamentaler Bedeutung für den Fesselflug, ermöglicht sie doch den Flugbetrieb fast ohne Lärmbelästigung. Damit können unsere Modelle, die ja zudem kein großes Fluggelände erfordern, für die Allgemeinheit sichtbar werden und es wird uns leichter fallen, die Werte der Fesselfliegerei erfolgreich zu demonstrieren. So hilft uns der Betrieb leiser und einfach zu handhabender Modelle bei der Lösung des Nachwuchsproblems. Weil erfolgreicher Spitzensport ein hervorragendes Instrument zur Förderung der Breite darstellt, wurde die F2B Regel 2006 so ausgelegt, dass dem Einsatz elektrischer Antriebe möglichst geringe Restriktionen auferlegt wurden. Im Folgenden eine Betrachtung zum Stand der Dinge Anfang 2007 und eine These zur Entwicklung eines neuartigen Reglers für elektrisch angetriebene Fessel-Kunstflugmodelle. Ich hoffe, dass diese Thematik innovative Geister außerhalb der Fesselflug Szene interessieren wird und habe deswegen einige grundlegende Erklärungen zur Flugmechanik F2B eingefügt. Die Kreisflug Experten mögen mir diese Wiederholung verzeihen.
Der Verbrennungsmotor im Fessel-Kunstflug
Fesselflugmodelle fliegen auf der Oberfläche einer Halbkugel und sind im Flug erheblich unterschiedlichen Kräften ausgesetzt. So erzeugt ein typisches Kunstflugmodell, im Horizontalflug und in geringer Höhe, einen Leinenzug von ca. 6 Kg. Fliegt nun Modell im Messerflug durch das obere Zentrum der Flughalbkugel, so reduziert sich der Leinenzug um das Gewicht und kann unter Umständen nicht mehr ausreichen, um die Steuerruder genügend auszuschlagen. Um dies zu vermeiden, müsste die Fluggeschwindigkeit, und damit der Leinenzug, mit zunehmender Höhe erhöht werden. Allerdings ist es so, dass die Reglemente F2B die aktive Steuerung der Leistung von Verbrennungsmotoren nicht zulassen. Deswegen wird der Motor vor dem Start fest eingestellt und danach, bis der Treibstoff verbraucht ist, sozusagen sich selbst überlassen. Da nun aber der Leistungsbedarf des fliegenden Modells, wie oben gezeigt, sehr unterschiedlich ist, ist es wenig sinnvoll den Motor mit konstanter Drehzahl bis zum Ende der Flugzeit durchlaufen zu lassen. Aus diesem Grund werden, mit ausgefeilten Konstruktionsmerkmalen des Antriebes, wie zum Beispiel Treibstofftanks mit konstantem Durchfluss (Uniflow), als Drehzahlbegrenzer wirkende Auspuffsysteme (Resonanzrohre) und angepasste Steuerzeiten der Motore, ausschliesslich für den Kunstflug mit Fesselflugmodellen geeignete Verbrennungsmotor-Antriebe eingesetzt. Im optimalen Fall wird so erreicht, dass sich die Motorleistung dem Flugzustand selbsttätig angepasst. Dies gelingt nicht immer und auch nur in einem beschränkten Umfang. Der Motor und sein Laufverhalten ist deswegen ein absolut zentraler und oft alles entscheidender Faktor im Fessel-Kunstflug. Dies ist, vor allem für Neu-Einsteiger, nicht hilfreich.
Und was ist mit Elektromotoren?
Elektrische Antriebe sind, was Leistung und Gewicht betrifft, heute den Kolbenmotoren mindestens ebenbürtig und sie lassen sich relativ einfach mit einer vor dem Start fest eingestellten Leistung, über eine einstellbare Zeit, betreiben.
Die Betriebsart mit konstanter Leistung ist jedoch nicht geeignet, um die mit modulierter Leistung arbeitenden Verbrennungsmotore ernsthaft zu konkurrenzieren.
Zahlenspiele und eine These
Modelle für Fesselkunstflug fliegen sehr enge Manöver auf kleinem Raum und müssen deswegen mit wirksamen, großen Rudern und Klappen ausgerüstet sein. Bei den typischen Fluggeschwindigkeiten unserer Modelle, in der Größenordnung von 26 m/sec, ist zur vollständigen Auslenkung (40°) der Ruder eine Kraft in der Grössenordung von 4 Kg erforderlich. Diese kann nur dann aufgebracht werden, wenn die Fliehkraft des im Kreis fliegenden Modells dazu ausreicht. Wir müssen also eine Fluggeschwindigkeit wählen bei der die Fliehkraft gerade die benötigten 4 Kg erzeugt, dann sollte es eigentlich funktionieren. Mindestens so lange als wir in 1.5 m. Höhe horizontal fliegen, denn sobald wir höher fliegen, ist da noch die Sache mit der Erdanziehung zu beachten. Zum Beispiel dann, wenn wir im Wingover-Messerflug genau über unseren Kopf fliegen. Dann zieht nämlich die Erdanziehung unseren Flieger mit seinem Gewicht von 2 Kg nach unten und von den 4 Kg Fliehkraft bleiben nur noch 2 Kg Leinenzug übrig. Das reicht nicht mehr aus um die Ruder auszuschlagen. Um die sich daraus möglicherweise ergebenden, unangenehmen Konsequenzen zu vermeiden, fliegen wir eben horizontal so schnell, dass oben noch genügend Leinenzug da ist. Beispielsweise mit 5.2 Sec/Runde, das führt dann zu einem Leinenzug von 6 Kg und oben bleiben davon noch gut ausreichende 4 Kg übrig.
Eigentlich schade, denn um die benötigten 4 Kg Zug zu erzeugen, würde eine Rundenzeit von 6.4 sec ausreichen und damit wäre exaktes Fliegen in Bodennähe durchaus einfacher. Das Problem liegt allerdings darin, dass wir in diesem Fall mit zunehmender Höhe deutlich schneller, nämlich um ca. plus 20%, fliegen müssten, um auch über Kopf noch 4 Kg Leinenzug zu haben. Dies bedingt eine stetig (Sinusfunktion?), und reversibel, funktionierende Veränderung der Motorleistung um ca. +/- 50%.
Was wäre zu tun?
Ganz gezielt um elektrische Antriebe für den Spitzensport attraktiv zu machen, lautet, im Sporting Code 2007 auf Seite 10, sinngemäß übersetzt, die Regel 4.2.2 Absatz g):
“ Für andere als Kolbenmotor Antriebe sind Leistungssteuersysteme, seien diese durch den Piloten betätigt oder automatisch funktionierend, erlaubt.“
Damit sind, ähnlich wie beim 4-2-4 Betrieb eines Kolbenmotors, Antriebskonzepte denkbar, bei denen die Leistung abhängig vom Flugzustand automatisch angepasst wird. Allerdings, und dies würde möglicherweise zur breiten Anwendung des Elektromotors entscheidenden beitragen, in einem wesentlich weiter gehenden Umfang. So gestattet, beispielsweise, diese Regel die Messung von Flugzuständen und den Einsatz intelligenter Regelsysteme zur automatischen, situationsabhängigen Steuerung der Motorleistung. Dies über einen weiten Regelbereich und mit genügend hoher Genauigkeit. Ich könnte mir vorstellen, dass die Leistung so geregelt wird, dass die geringstmögliche Geschwindigkeit eingestellt und gehalten wird. Diese geringstmögliche Geschwindigkeit ist diejenige welche, an jeder Stelle der Flughalbkugel, gerade so viel Leinenzug erzeugt wie für maximalen Ausschlag der Steuerruder und Klappen erforderlich ist. Im obigen Beispiel sind das ca. 4 Kg.
Konstanter Leinenzug, variable Geschwindigkeit
Hier sind einige Eckwerte zur Auslegung eines entsprechenden Antriebsystemes. Um diese Punkte zu bestimmen, habe ich versucht den zur Steuerung eines F2B Modells auf der Flughalbkugel benötigten, minimalen Leinenzug zu bestimmen. Vermutlich weit entfernt von mathematisch korrektem Vorgehen (Weil ich das nicht kann) habe ich dazu dem Internet Hinweise und kleine Programme, z.B. zur Bestimmung der Ruderdrücke, entnommen und so die folgende, grob vereinfachten Darstellung erstellt. Es ist mir hier wichtig, lediglich Größenordnungen und Zusammenhänge darzustellen, um so die ungefähren Eckwerte einer neuartigen Regelung der Antriebsleistung kennen zu lernen, d.h. die Regelung der Motorleistung in Abhängigkeit vom Leinenzug.
- Modellgewicht 2 Kg, inkl. Batterien.
- Typische Abmessungen eines 10er F2B Modells
- Kabellänge 21.5 m
- Max. Ausschlag Höhenruder: 40° Max. Ausschlag Flaps: 32°
- Minimal benötigter Leinenzug für Vollausschlag: 4.1 Kg
- Minimale Geschwindigkeit horizontal: 21 m/sec oder 6.4 sec/Runde für Leinenzug 4.1 Kg
- Minimale Geschwindigkeit über Kopf: 25 m/sec oder 5.3 sec/Runde für Leinenzug 4.1 Kg
- Benötigte Leistungszunahme zur Einhaltung der minimale Geschwindigkeit über Kopf: + 44 %
- Elektromotore, Leistungssteller und Batterien sind in großer Auswahl kommerziell verfügbar. Die für Wettbewerbskunstflug benötigte Leistung lässt sich recht gut bestimmen indem man davon ausgeht, dass der Antrieb in der Lage sein muss, eine 2-Blatt Luftschraube der Dimension 14“ x 6“ (schmale Blätter) mit einer mittleren Drehzahl von 7'500 UpM während 6 Minuten zu drehen. Wobei für kurze Intervalle (jeweils 20 sec mit einer Pause von 10 sec) auch 10'000 UpM möglich sein müssen. Was wir neu für unsere Zwecke brauchen sind Sensoren für die Querbeschleunigung, d.h. in der Achse der Spannweite, und einen vom Sensor angesteuerten, frei programmierbaren (PID?) Regler zur Ansteuerung des Leistungsstellers mit:
- Soll-Leistung zur Erreichung der, einstellbaren, Querbeschleunigung
- Max. Leistung (Strombegrenzung bei ca. 70 A)
- Regelcharakteristik, Einschwingverhalten, Dämpfung, unabhängig in beiden Richtungen
- Laufzeit 30 - 480 sec, in Stufen von 10 sec
- Propellerbremse nach dem Abstellen (evtl. auch beim Herunterregeln?)
- Überwachung min. Batteriespannung
- Sicherung gegen unbeabsichtigtes Anlaufen
- Hier noch etwas für diejenigen, die schon wissen wie es gehen könnte: ST Microelectronics Typ LIS 3LV02DQ 3-Achs Beschleunigungssensor +/6 G 17.- €, ab Lager Distrelec, Schweiz.
Aufruf
Ich würde gerne, mit einigen Experten auf den jeweiligen Gebieten (Aerodynamik & Flugmechanik, Regeltechnik, Soft- und Hardware, el. Fliegerei) die Machbarkeit eines solchen Projektes genauer untersuchen. Auch an einer vorgängigen Nachrechnung meiner oben aufgelisteten Daten wäre ich sehr interessiert. Bei positivem Befund besteht mein Beitrag zu einem gemeinsamen Projekt im kurzfristigen Bau eines für Versuche geeigneten Flugzeuges.
Also, nur Mut, es gibt nichts zu verlieren!
Peter Germann +41 (0) 56 633 65 47 e-mail
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