Mein 400km/h mit ca. 10000rpm - Projekt

© Dr. Ralph Okon 18.10.2014

In der Saison 2012 konnte ich erstmals die 400km/h in der Messstrecke übertreffen.
Da mir bereits zu dieser Zeitpunkt klar war, dass ich es mit den Fähigkeiten jüngerer und besser trainierter Piloten nicht mehr aufnehmen kann, habe ich mir eine neue Herausforderung gesucht.
Von Anfang an war klar, es sollte dabei in Richtung "leise" gehen. Das vor allem, weil ich mir selbst die Möglichkeit der Nutzung einer schönen Wiese dicht am Dorfrand nicht nehmen wollte.
Also durften die Anwohner nicht mehr gestört werden, als das ein auf der Bundesstraße vorbeidonnerndes Moped ohnehin tat.
So wurde als neues Ziel formuliert, eine Geschwindigkeit von mehr als 400km/h in der 200m Strecke mit weniger als 10.000rpm am Propeller zu erreichen.
Wie ambitioniert dieses Ziel war, ist mir aber erst im Laufe der Zeit klar geworden.

Der Entwurf eines passenden Propellers war dabei noch einer der einfacheren Schritte.
Ausgehend von der Erfahrung, daß ein Propeller einen Speedflieger bei typischem Anflug auf ca. 85% der sogenannten "pitchspeed" bringen kann, war die notwendige Propellersteigung leicht zu errechnen.
Sie müsste ca. 31" betragen. Dass ein Propeller mit einer solchen Steigung funktionieren würde, war eingedenk der bereits gemachten Erfahrungen mit Luftschrauben mit Steigungen von 24" und 27" ziemlich wahrscheinlich.
Für die Konstruktion wurden dann 31,5" gewählt, um ein bissel "Luft" zu haben.
Nun muss der Propeller auch den nötigen Schub erbringen können, um das Modell auf die Zielgeschwindigkeit zu beschleunigen bzw. dort für mindestens 200m zu halten.
Empirisch wurden 13" Durchmesser angesetzt.

Wegen des gewählten großen Durchmessers war von vorn herein klar, dass es nur eine Klappluftschraube werden konnte.
Zudem bietet diese die Optionen der Mehrblattauslegung (was den Antrieb bekanntermaßen leiser arbeiten lässt) und der verwendung verdrehter Mittelstücke fürs Feintuning.

Mit diesen Vorgaben wurde der Propeller mit Dr. Martin Hepperles Javaprop ausgelegt.
Am Ende der Entwurfsarbeiten waren es dann genau 31,65" Steigung bei 13" Durchmesser.

Die Umsetzung des Javascripts zunächst in ein 3D-CAD und nach dessen Freigabe in eine gefräste Aluform hat netterweise der Stefan Heuel übernommen.
Stefan hat wie immer eine top Arbeit abgeliefert:

Zu dieser Zeit war ich selber noch nicht in der Lage, Propeller zu laminieren. Also wanderte die Form direkt zum Marcus Koch.
Bald darauf hielt ich den ersten Satz Propellerblätter in der Hand.

Von vorn herein war klar, dass es nicht einfach werden würde, dem Motor im Direktantrieb schon bei 10.000rpm die nötige Leistung und gleichzeitig das für diesen großen Propeller nötige Drehmoment abzuringen.
Ein Motor mit der zuerst ins Auge gefassten 4235er Baugröße quittierte Vollgas mit Quieken - die Drehmomentlast des Propellers war einfach zu hoch.
Also habe ich zunächst einen 12N10P 4530er gebaut und mich mit weniger Leistung zufrieden gegeben.
Bei der DM 2013 in Osnabrück kam ein 4-Klappen-"Warpeagle" erstmals damit in der Messstrecke zum Einsatz.
Mit der auf 12" gekürzten Dreiblattausführung der Luftschraube wurden bei 7S 351km/h in der Messstrecke erreicht.
Beim Versuch, auf 8S aufzurüsten und mit nur 2 Blatt-Prop zu fliegen, verlor der Flieger in der Messstrecke eine Wölbklappe und beim folgenden Absturz seine strukturelle Integrität.

Die Loggerdaten zeigten, dass das bei ca 9700rpm passiert war.
Also nicht weit weg von der Zielvorgabe! Im September ist mir dann auch noch der brandneue "Taifun-XS" bei den Weltrekordversuchen in Ballenstädt aus großer Höhe eingeschlagen. (ohne Log und ohne eine einzige Messung!)
Ein weiteres passendes Modell, was einerseits einen Akku ausreichender Kapazität und dazu den entsprechenden Motor hätte tragen können, hatte ich dann nicht mehr zu Verfügung.
Das Experiment war somit vorerst beendet.

Das änderte sich erst wieder im August 2014, als der "Bidenhänder" entstand.
Der "Bidenhänder" ist wieder eine echte Chimäre.
Neben der von Sascha gebauten Styro-Kohle-Balsa-Fläche wurden ein Rumpf - eigentlich gedacht für die "Harpyie" - von Marcus Koch und ein Leitwerk von Christian Erdts "Tomahawk" miteinander kombiniert.
Mit seiner Auslegung (knapp 4kg zulässiges Maximalgewicht) bot er mehr als ausreichend Zuladekapazität, um die Tests fortsetzen zu können.

Mit einem 12N10P 4535 mit 0,1mm dünnen Cobalteisenblechen (vakuflux 48 von VAC) stand inzwischen auch ein besonders effizienter und leistungsfähiger Motor zur Verfügung.

Mit einer hochsteigenden Dreiblattlatte konnte der "Bidenhänder" beim "esst-3" in Wünnenberg Anfang Oktober 2014 bereits 444km/h im schnellsten Durchflug durch die Messstrecke erreichen. Somit war schon mal der Nachweis erbracht, dass dieses Modell für die Zielgeschwindigkeiten auch stabil genug ist.
Um auf die angepeilte Zieldrehzahl von ca. 10.000rpm zu kommen musste allerdings sowohl die Zellenzahl abgerüstet, als auch den Motor nochmals anpasst werden.

Inzwischen hatte ich auch gelernt, (stabile) Propeller selber zu laminieren und habe mir so eine Testserie Dreiblattklappluftschrauben für meine Versuche zusammenstellen können.

Als Motor kam unun ein modifizierter 12N10P4540evo zum Einsatz. Wie die damit durchgeführten schrittweisen Flugversuche mit den oben gezeigten Propellern gezeigt haben, war der Motor in der Lage, die 3-Blatt Latte sogar mit der vollen Blattlänge (13") hoch genug zu drehen.

Die Propellerdrehzahl bei den Testflügen passte allerdings noch nicht genau genug zu meinen sehr speziellen Vorstellungen - die Drehzahl war noch etwas zu hoch.
Ein neuer "high-end" Motor (12N10P4540evo-cobalt (0,1mm dünne Cobalteisenblechen (vakuflux 48 von VAC) mit 7+6 x 1,5YY Bewicklung und somit etwas kleinerer spezifischer Drehzahl war vergleichsweise schnell gebaut. Er sollte die hochsteigende Klapplatte in Dreiblattauslegung rechnerisch an 11S mit 9700-9900rpm drehen.

Mit dieser neuen Antriebsauslegung am Bidenhänder war es sehr wahrscheinlich, dass ich mein selbstgestecktes Ziel nun bald erreichen können würde.
Den Beweis sollte das inzwischen ebenfalls in die Sensorphalanx integrierte Pitotrohr erbringen.

 

am 12.02.2015 war es soweit:

Es war zwar nur 6°C warm und der Boden war gefroren, aber die Sonnne strahlte vom blauen Himmel und es war nahezu windstill.
Brauchbare Bedingungen also, um den neuen Antriebsstrang zu testen.
Das Projektziel wurde dabei sofort erreicht, wie das Staurohrlog eines Durchfluges zeigt.
Bei der erreichten Geschwindigkeit von ca. 400km/h entsprach die Horizontalflugdauer mit >400km/h und < 10.000rpm von ca. 2sec etwa einer Wegstrecke von 220m.
Innerhalb der Strecke liegt die Geschwindigkeit bei durchschnittlich ca. 403km/h.
Die Flughöhe variiert dabei nur um ca. 5m.
Das bedeutet, der "Bidenhänder" ist in dieser Konfiguration und bei kühlen 6°C schon mit einem Leistungsgewicht von nur ca. 1400W/kg in der Lage, die 400km/h in der Messstrecke zu übertreffen.
Ein deutliches Indiz für einen hohen Gesamtwirkungsgrad des verwendeten Antriebsstranges!

grün = Drehzahl
rot = Geschwindigkeit
violett = Flughöhe.

 

der zweite Test erfolgte am 13.02.2015 unter gleichen Wetterbedingungen.
Geändert wurde nur der Propellerdurchmesser. Ein größerer Durchmesser sollte theoretisch ja die Drehzahl reduzieren und den Schub erhöhen.
Das Ergebnis entsprach vollständig den Erwartungen.

Diesmal waren es 4 sek innerhalb des bodennahen Höhenkorridors von 10m Höhe mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit > 400km/h und <10.000rpm bzw. 3sek mit Durchschnitt >400km/h und unter 9.900rpm. Innerhalb dieser 3 sek betrug die Änderung der Flughöhe nur noch ca. 5m. Und 3sek Flugzeit mit > 400km/h entsprechen mindestens 330m Streckenlänge.
Bereits eine Optimierung der Flugbahn (leichtes Fallen statt des leichten Steigens) innerhalb der virtuellen Messstrecke würde eine Steigerung der Durchschnittsgeschwindigkeit zur Folge haben.

 

Der 3. Test erfolgte am 08.03.2015 bei ca. 11°C Lufttemperatur.
Der Propeller wurde mit einem +1° Mittelstück geflogen und innerhalb der virtuellen Messstrecke ein leichter Sinkflug beibehalten.
Die 400km/h wurden beim Testflug für 2,4sek (= 300m) in einem bodennahen Höhenkorridor von 16m mit weniger als 9520rpm am Propeller übertroffen.
Die Durchschnittsgeschwindigkeit lag bei ca. 404km/h.
Der betreffende Log-Ausschnitt:

 

Test 4 vom 09.03.2015 bei ca. 10°C.
Das Mittelstück war diesmal um +2° verdreht.
Der Einflug in die virtuelle Strecke erfolgte mit 430km/h und nur 9.400rpm. 2,3sec später lag die Geschwindigkeit noch immer über 400km/h - bei nur noch 9250rpm am Propeller.
Der Streckendurchschnitt sollte etwa 410km/h betragen haben.

Das ursprüngliche Projektziel war spätestens mit diesem Ergebnis ganz klar erreicht.

Am 30.05.2015 konnte beim Speedtreffen in Bad Wünnenberg ein Durchschnittsgeschwindigkeit von 404km/h in der 200m Messtreche erzielt werden.
Die maximale Drehzahl betrug bei diesem Setup 9750rpm.
Das bestätigt die Ergebnisse der Staurohrmessungen in der virtuellen Messtrecke.

Da die >400km/h auch mit <9.000rpm in Reichweite zu sein schienen, wurde das das "erweiterte" Projektziel.
Dazu war allerdings eine weitere Anpassung des Antriebes erforderlich.

Zusatz Juni 2015
Die Anpassung ist zwischenzeitlich erfolgt und wurde bei der Deutschen Meisterschaft der Klasse "F3-Speed" in Ballenstedt getestet.
Mit einem 12" x35" Dreiblattklapppropeller konnten in der optischen Messstrecke 421km/h Durchschnittsgeschwindigkeit mit 9400rpm erreicht werden.
Wenn man dieses Ergebnis umrechnet, zeigt sich, dass mit dem Setup nur 8953rpm für 401km/h nötig gewesen wären!

Zusatz August 2015
mit einer 12,1" x 35" Dreiblatt-Klapplatte konnte auch im Log nachgewiesen werden, dass die 400km/h mit unter 9000rpm problemlos funktionieren.
Mit der Crocoblade und einem limitedfähigen setup (12S mylipo3500; 35C) wurden inzwischen ca. 403km/h Durchschnittsgeschwindigkeit mit < 8960rpm erflogen.

Am 23.August gelang es mir, etwa 410km/h Durchschnittsgeschwindigkeit mit einem limitedfähigen setup mit einer 14" x 35" Dreiblattklappluftschraube mit +2° Verdrehung mit weniger als 7975rpm Propellerdrehzahl zu erreichen.
Das entspricht rechnerisch 7781rpm für 400km/h Durchschnittsgeschwindigkeit.

Am 24.08.2015 konnte das Ergebnis ">400km/h mit weniger als 8000rpm" nochmals im Log bestätigt werden.

Abschliessend habe ich noch probiert, das ganze mit einer 5-Blatt-Klapplatte nachzuvollziehen.

Im September 2015 gelang es, mit einer 12" x 35" und einem 10S Setup in der virtuellen Strecke 396,74km/h Durchschnittsgeschwindigkeit bei einer Streckenanfangsdrehzahl von 7850 rpm zu erreichen.
Bezogen auf 400km/h wären somit 7915 rpm nötig gewesen.

Am 03.10.2015 war es dann so weit: mit einer (händisch) um 1,5° aufgedrehten 12" x 35" = 12" x 37" 5-Blatt-Klappluftschraube wurden im Höhenkorridor endlich 400,8km/h erreicht.
Dazu waren in der Strecke knapp 1300W/kg nötig, die Drehzahl lag beim Einflug bei 7807rpm. die Blattspitzengeschwindigkeit bei nur 0,509Mach. Damit kann als erwiesen gelten, dass es möglich ist, mit der Crocoblade auch mit einer sehr leisen hochsteigenden 5-Blatt-Klapplatte und einem "limited"-fähigen Antriebssetup die 400km/h Streckenschnitt mit weniger als 8000rpm zu übertreffen.

Zum nächsten Level.

 

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