Mein 400km/h mit < 7000rpm - Projekt

© Dr. Ralph Okon 29.10.2015

Nachdem in der Saison 2015 die 400km/h Streckengeschwindigkeit mit <7807rpm erreicht werden konnten, habe ich mir nun vorgenommen, die Drehzahl und damit den Lärmpegel noch weiter abzusenken.
Für 2016 habe ich mir das Ziel gestellt, die 400km/h mit unter 7000rpm zu erreichen.
Unter günstigen Umständen bedeutet das, dass die Blattspitzengeschwindigkeit des Propellers, die für die Lärmemmission von besonderer Bedeutung ist, bis auf <0,5 Mach bei 400km/h abgesenkt werden kann.

Bei solchen Experimenten ist von vorn herein klar, dass es, wenn es um die reine erreichbare Geschwindigkeit geht, deutlich bessere Auslegungen gäbe !!!

Hinsichtlich des Modells steht mit der "Crocoblade" ein bereits bewährter Erprobungsträger zur Verfügung.

Mit der Realisierung der 15" x 43,7" Luftschraubenform durch Fabian Wunderlich wurde der erste Schritt auf dem Weg zum Ziel bereits getan.

Inzwischen sind in dieser Form auch einige Blätter laminiert worden.

Erste Flugversuche mit verhältnismäßig wenig Leistung haben gezeigt, dass der Propeller auch bei niedrigen Drehzahlen noch immer gut greift.
Das Modell kann trotz des extremen h/d- Verhältnises am Propellervon > 3/1 problemlos allein aus der Hand gestartet werden.
Auch die Effiziens des Propellers scheint erfreulicherweise gut zu sein.
Um bei der sehr große Blattlänge möglichen Stabilitätsproblemen (Verdrehsteifgkeit) vorzubeugen, werde ich wieder auf Mehrblattssteme zurückgreifen, die ja erfahrungsgemäß mit weniger Durchmesser bei ziemlich gleicher Eingangsleistung den gleichen Schub aufbringen. Dazu stehen im Webshop von (as-composite-wings) inzwischen auch unterschiedlich stark verdrehte Mehrblattmittelstücke bis hin zur 6-Blatt-Konfiguration zur Verfügung.

Einen Satz Propellerblätter habe ich sofort für eine 5-Blatt Konfiguration mit 13" Durchmesser vorbereitet.
Das h/d Verhältnis beträgt dabei stolze 3,36!
Zum Vergleich: Der 8-Blatt Verstellpropeller des A 400M hat bei Höchstgeschwindigkeit h/d = 3,11.

Flugversuche damit haben gezeigt, dass der 4540 CoFe bei entsprechend niedrigem Leistungsdurchsatz (7S Akku) noch genug Drehmoment aufbringen kann, um diesen 13"x"43,7 Propeller zu drehen.
Das Modell ist noch immer problemlos (<5000rpm und 2kW Startleistung reichen) ohne Werfer in die Luft zu bringen.

31.10.2015
Beim 2. Testflug wurden mit nur 5440rpm bereits 360,5km/h Streckendurchschnitt erreicht.
Dazu waren 920W/kg nötig.

02.11.2015
Der 3. Testflug mit 8S Akku zeigte, dass der aktuelle 4540 damit bereits an der Grenze der möglichen Drehmomentlast betrieben wird.
Dennoch konnte die Durchschnittsgeschwindigkeit in der virtuellen Messstrecke auf ca. 370km/h trotz ungünstiger Temperatur gesteigert werden. Dazu waren maximal 5880rpm nötig.

05.11.2015
Bei spätsommerlichen 18°C und 80% Luftfeuchtigkeit konnten in verschiedenen Flügen 373, 375 und sogar 377km/h Streckenschnitt erreicht werden. Beim letzten Ergebnis betrug die Maximaldrehzahl 5928rpm, die maximale Eingangsleistung bei 3805W bezogen auf die 200m Strecke im 30m Höhenkorridor. Die Blattspitzengeschwindigkeit lag dabei bei nur 0,44 Mach.
Wenn man ausgehend von den bisherigen Messergebnissen die Drehzahl und Geschwindigkeit auf 400km/h hochrechnet, zeigt sich, dass das gestellte Ziel durchaus erreichbar scheint. Ausgehend vom bisher besten Streckendurchflug fehlen schon jetzt nur noch 5,75% Speed.
Was auch deutlich geworden ist: h/d = 3,36 liegt evtl. schon jenseits des Speedoptimums. Der Energieaufwand für die erreichte Geschwindigkeit nimmt bereits wieder zu. Aber solange das im Rahmen bleibt und die Lautstärke noch abnimmt, stört mich das nur am Rande.

10.11.2015
Inzwischen halte ich die komplette Serie (mit -3°, -2°, -1°, 0°, +1°, +2°, und +3° verdreht) 5- Blattmittelstücke von Alex in den Händen und kann mich evtl. mit 7S vorsichtig noch ein paar Schritte weiter in Richtung höhere Steigung tasten.
Immerhin ergibt die ursprüngliche 43,7"er Steigung mit +3° verdreht schon 49,16"!

Mehr wird mit dem aktuell verwendeten 4540 cofe jedoch nicht möglich sein. Dieser Motor dreht dafür zu hoch und kann nicht genug Drehmoment für den Propeller aufbringen.
Deshalb ist ein neuer Speedmotor, der speziell darauf ausgelegt ist, auch bei wirklich hohem Leistungsdurchsatz das nötige Drehmoment für diese "Monsterlöffel" aufzubringen, bereits in der Konstruktion.
Die Motorgrößen wird wohl 4550 sein. Es wird sich dabei um Einzelstücke für diesen speziellen Einsatzzweck handeln.
Für den 4550 habe ich den Einsatz von Cobaltblechen vorgesehen, auch wenn ich dafür einen meiner 4540er Cobaltmotoren opfern werden muss.

11.11.2015
Die Prototypen des 4550 wird freundlicherweise Scorpion powersystems in der bei diversen Baugrößen von Speedmotoren bewährten Weise fertigen.
Der Motor wird zwar äußerlich im "alten 45xx-speed common design" daherkommen, hat aber eine deutlich verstärkte Mechanik und ist in seinem Magnetkreis auf die bereits vorhandenen CoFe-Bleche angepasst worden.
Ich hoffe deshalb, dass die ausgezeichneten Daten des 4540 CoFe nochmals übertroffen werden können.

13.11.2015
Ein weiterer Testflug bei suboptimalem Wetter mit einem +2° aufgedrehten und gekürzten 15" x 43,7" (= 13" x 47,12"; h/d = 3,64) 5-Blatt Propeller zeigte, dass die "Crocoblade" mit diesem Propeller noch immer ohne Probleme allein in die Luft zu bringen ist.

Mit 7S 4000mAh reichen ca. 65A für >10m/s anfängliches Steigen.
In der 200m-Strecke konten mit maximal 5260rpm 343km/h Streckenschnitt erreicht werden.
Auch wenn man von diesen Daten aus auf 400km/h hochrechnet zeigt sich, dass das gestellte Ziel erreichbar sein sollte.

15.11.2015
Der Stator für den ersten und wohl einzigen 4550 CoFe ist schon aufgebaut und fertig bewickelt.
Wie bei seinem Vorgänger, dem 4540 CoFe sind es wieder 7+6 x 1,5YY. Die spezifische Drehzahl wird bei ca. 220/V liegen, die maximale Strombelastbarkeit bei ca. 200A.
Allerdings sind beim Wickeln die Statorbleche enger zusammengerückt. Damit ist das Endmaß des bewickelten Statorpaketes 4549.

16.11.2015
Eine leichte 12-8er Titanwelle habe ich auch schon vorbereitet. Wie üblich mit den 3 Gewinden ( M6 und M3 innen, M8 aussen). Sie wiegt mit 49g nicht mehr als eine 10-8er Stahlwelle aus einem 4535er Helimotor.

21.11.2015
Der Alex hat Dank optimierter Bauweise das Flächengewicht um ca. 100g senken können, ohne dabei Kompromisse in der Festigkeit eingehen zu müssen.
Das wird es ermöglichen, die Crocoblade auch mit einem 4550er Motor mit 14S betreiben zu können.

28.11.2015
Gestern gabs nach langem mal wieder Sonne und wenig Wind. Mit dem 7S setup und der 13" x 47,12" ( Fünfblatt) gelangen diesmal 347km/h Streckenschnitt mit <5285rpm.
Also wieder ein kleiner Schritt vorwärts.

02.12.2015
Das Wetter war heute gut genug für einen weiteren Testflug. Zwar >80% Luftfeuchtigkeit und bedeckter Himmel, aber nur wenig Wind und Wolkenunterkante > 700m.
Eingesetzt wurde diesmal ein 8S setup mit der 13" x 47,12" (Fünfblatt).
Der Steigflug funktionierte damit schon mit ca. 40A und mäßigem Wurf aus der Hand.
Erreicht wurden 393km/h Peak und 376,66km/h Streckenschnitt mit <5800rpm.
Damit habe ich mich dem Ziel von 400km/h Streckenschnitt schon auf 6% angenähert und drehzahlmäßig habe ich noch 20% Luft nach oben.

Aktuell baue ich an einem etwas niedriger drehenden 5040 für 9S und 10S setups, bis die 4550er Prototypen einfliegen.
Das Motorgewicht des 5040 wird mit ca. 910g etwas niedriger liegen, als ich es bei den 4550ern erwarte.

03.12.2015
Das war mittlerweile der 50. Flug mit der Test-cb!
mit der via +3° Mittelstück auf 13" x 49" (h:d = 3,76) aufgedrehten 5-Blattluftschraube lässt sich die cb noch immer allein aus der Hand starten.
Bei 8S reichen 50A für 8m/s anfänglichen steigen.
Wegen des zwischenzeitlich kaputtgespielten Akkusatzes konnten diesmal keine Zugewinne in der erreichten Geschwindigkeit verbucht werden.

04.12.2015
Der neue 5040 tut auf dem Teststand wie er soll.
An 10S reicht das generierte Drehmoment, eine 14" x 35" in 6-Blattkonfiguration mit 6900rpm zu drehen.
Diese Drehmomentlast ist deutlich höher einzuschätzen, als die der 13" x 49" 5-Blatt im Fluge.
Nun muss der Motor in die Speed-Konfiguration umgebaut und in die Test-cb eingebaut werden.
Dann könnte ich dem Ziel noch ein Stück näher kommen.

04.12.2015
Der Umbau des 5040 ist erledigt. Mit seinen 880g ist er mein bisher schwerster Flächenspeedermotor. Nur in Speedhelis war so ein Brocken schonmal unterwegs.

06.12.2015
Um die Blätter bei dem knapp 64mm dicken Motor ordentlich anklappen zu können, braucht der 5040 Mittelstücke mit größerem Lochkreis.
Ausserdem muss der Rumpf durch weiteres Kürzen an den geänderten Motordurchmesser angepasst werden. Das ist aber gar nicht so schlecht für die Schwerpunktlage.
Dennoch ist mir völlig klar, dass ich eine weitere Akkuzelle in der möglichen Zuladung dem Motor opfere - und dass nur, damit der auch das Drehmoment aufbringt, die gewaltige Luftschraube entsprechend schnell zu drehen.
Grob überschlagen werde mit dem 880g Motor schon etwa 3 Zellen gegenüber einem 560g schweren 4235, der ja auch in der Lage war, 10kW mit brauchbarem Wirkungsgrad durchzusetzen, geopfert haben.
Mit dem 4550 wird noch eine weitere Zelle dazukommen.
Das Masse-Leistungsverhältnis ist mit diesem Antrieb also deutlich schlechter, als es sein könnte!
Wenn ich mit der "Crocoblade" allerdings auf eine "limited-fähige" Auslegung abzielen würde, düfte der Motor sogar 1345g wiegen.

08.12.2015
Heute war ich bei strahlendem Sonnenschein und geringerer Luftfeuchte wieder mit dem 4540 CoFe unterwegs.
Als Luftschraube hatte ich die 13" x 43,7" +2° montiert.
Im ersten Durchflug war dem 4540 die Momentlast zu hoch, also bin ich den 2. Anflug konzentrierter angegangen und hab das Gas erst später im Sturzflug voll reingeschoben. Belohnt wurde das mit 398,4km/h Sturzflugpeak und 384,4km/h im 200m Streckenschnitt. Die Maximaldrehzahl lag dabei bei 5830 rpm.
Nun fehlen nur noch 3,9% Geschwindigkeit bis zum Ziel.

11.12.2015
Gestern abend hat Alex mir einen jungfräulichen "Crocoblade"-Rumpf gebracht.
Heute habe ich die nötigen Teile für die Motoraufnahme gedreht und gefräst.
Zusammengesteckt sieht das im Vergleich mit dem 4540 so aus:

Ich finde, der 5040 passt größenmäßig hervorragend an die "Crocoblade"! Und die besser dazu passenden Mittelstücke (LK = 64mm)werden gefräst, sobald Alex' Fräse wieder tut, wie sie soll.
Allerdings habe ich mir ohnehin fest vorgenommen, den neuen Rumpf mit dem 5040er erst in 2016 zu benutzen.

15.12.2015
Motorhalterung und Flächenbefestigung sind angepasst und eingebaut.
Ein YGE 160HV ist für den Einbau vorbereitet.

21.12.2015
Zwischenzeitlich habe ich mich damit beschäftigt, den 5040 auf noch niedrigere Drehzahl zu trimmen, um mit 12S und deutlich geringeren Strömen fliegen zu können.
Der 10 + 10 x 1,4 YY, diesmal mit 0,1er SiFe-Blechen im Stator, dürfte mit seinen 202/V für die geplante Anwendung nahezu optimal ausgelegt sein.
Für einen 10-poligen Aussenläufer konventioneller Bauart ist der erreichte imo Wirkungsgrad imo vorzüglich.

24.12.2015
Es ist Weihnachten... und Fedex hat geklingelt.
Dank Georges und "Scorpion-Powersystems" ist der "HK4550-Speed" schon jetzt Realität geworden und die Bausätze liegen unter meinem Weihnachtsbaum.
Da ich ja schon im November einen passendes Statorpaket bewickelt hatte, konnte ich innerhalb weniger Minuten der ersten Motor komplettieren.
Für mich ist er eine echte Schönheit geworden.
Mit seinem speziellen Statorträger mit dickerem Ende kann er (wie schon meine letzten 4540er) schnell und einfach 1:1 gegen einen 50XX Motor getauscht werden.

25.12.2015
Die Test - "Crocoblade" wurde mit dem neuen Rumpf, dem leichten Leitwerk und dem 5040er Motor mit den passenden 64mm-5-Blattmittelstücken (Danke nochmal an den Alex!) komplettiert und wird pünktlich zum Jahresbeginn 2016 für die nächsten Tests bereit sein.
Zu Beginn werde ich es mit 11S 4000mAh angehen. So bestückt wird die Flächenbelastung bei ca. 69g/dm² liegen.

30.12.2015
Bei nur 3°C aber strahlendem Sonnenschein gelang es, den Erstflug des neuen Rumpfes mit 11S und dem 5040 noch im alten Jahr zu absolvieren.
Mit einer 12" x 24" / 64 / -2° ging der Flieger sofort problemlos und hotlinermäßig. Für 304km/h in der Strecke begnügt er sich mit 40A. Steigen etwa 55-60m/s bei 60A.
So kann ich im neuen Jahr gleich anfangen, mich von der 35"-Steigung aus hochzutasten.

11.01.2016
Der erste Flug im neuen Jahr.
Diesmal mit einer 13" x 35" 5-Blatt Luftschraube und wieder 11S 4000.
Solo-Start und Steigflug sind noch immer völlig problemlos.
bei 75A in der Strecke wurden 358km/h für die 200m Strecke im Höhenkorridor erreicht. Das entspricht 93% Pitchspeed. Steigen aus der Strecke raus 65m/s im 4 sec.- Schnitt.
Sobald das Wetter wieder passt, geht es an den ersten Versuch mit ca. 38" Steigung.

14.01.2016
Sonnenschein und 0°C. Da kann man auch im Januar mal fliegen gehen.
Schon zu Jahresanfang über voll einsatzfähiges Equipment zu verfügen ist einfach eine feine Sache!
Der Testflug hat sich jedenfalls gelohnt.
Wie geplant war die eine 12,6" x 35" +2° /64 als Fünfblatt montiert.
Ergebnis: 406,7km/h peak bei 6854rpm. Für die Strecke wurden 382,8km/h mit max. 6798rpm bzw. 101A max ermittelt. Das entspricht 1045W/kg.
Dem Jahresziel habe ich mich mit der neuen Auslegung schon wieder bis auf 4,3% angenähert.
Für den nächsten Flug werde ich eine 12,8" x 43,7" am 56er -2° Mittelstück = 12,8" x 40,6" einsetzen.
Damit sollte das Drehzahlniveau noch weiter absinken.

25.01.2016
Der Schnee ist erstmal weg und heute waren es +8°C.
Allerdings mit 95% sehr feucht.
Da die Wolkendecke sehr hoch lag, habe ich einfach die Akkus geladen.
Das Ergebnis:

Diese 402,06km/h Streckenschnitt bedeuten, dass ich mein Jahresziel für 2016 bereits im Januar erreicht habe.
bzw. übererfüllt.
Denn es waren ja sogar nur 6628rpm nötig.
Die aktuellen 6628rpm hochgerechnet auf 7000rpm würden bereits 424km/h ergeben.
Und die dabei verwendete Propellersteigung ist erst bei 40,6".......
Auch die Effiziens des Antriebes ist imo recht gut: 4355W max. in der Strecke bedeuten bei 3677g Abflugmasse genau 1184W/kg.
Die Blattspitzengeschwindigkeit liegt bei nur noch 0,467 Mach.

Ein 5Sekunden langer Horizontalflug mit 384km/h im Durchschnitt ist bei diesem Test so ganz nebenbei auch noch herausgesprungen.

26.01.2016
Da motor- und akkuseitig noch Luft nach oben war, habe ich heute den Propeller noch ein bissel vergrößert.
Mit einer 13 ¼ x 43 ¾ /64/0°/5 Blatt lag der Streckenschnitt bei 407,5km/h mit < 6190rpm.

28.01.2016
Wieder schien die Sonne und die Luftfeuchtigkeit ist auf 75% gesunken.
Mit unverändertem Setup konnten diesmal 420,4km/h Streckenschnitt erreicht werden.
Die maximale Leistungsaufnahme in der virtuellen Messstrecke betrug 1296W/kg, die Maximaldrehzahl lag bei 6308rpm.
Der Streckendurchflug dauert nun nur noch 1,75sek.

 

Für genau 400km/h wären demnach 400 / 420,4 *6308rpm = 6002rpm nötig gewesen.
Mit +1° Steigung kann man die für 400km/h nötige Drehzahl ganz sicher auch noch unter die 6000rpm drücken.
Die Blattspitzengeschwindigkeit läge an diesem Punkt bei nur noch 0,455 Mach.

12.02.2016
Heute habe ich mit der 13" x 43,7" +1° bei max. 6125rpm in der virtuellen 200m Strecke 409,29km/h erreicht.
Daraus errechnet sich für 400km/h eine Drehzahl von 5986rpm - also wurden die <6000rpm auch real erreicht.
Eine andere Hochrechnung von diesen Daten aus zeigt, daß mit <7000rpm offenbar sogar >475km/h erreichbar sein sollten.
Mit 7500 rpm könnten durchaus auch 500km/h erreichbar ein.
Allerdings liegen diese Geschwindigkeiten deutlich ausserhalb meiner fliegerischen Fähigkeitenkeiten.

18.02.2016
Mit der 13" x 43,7" +1° (5 Blatt) wurden bei max. 6159rpm in der virtuellen 200m Strecke 416,5km/h erreicht.
Daraus errechnet sich für 400km/h eine Drehzahl von 5915rpm.
Wahrscheinlich ist es möglich, auch die 5900rpm noch zu unterbieten.

24.05.2016
Beim Speedtreffen in Bad Wünnenberg konnten die erreichten Ergebnisse mit einem 413km/h Flug in der Gegenwindstrecke auch in der optischen 200m Messstrecke bestätigt werden.
Ein Video vom Flug:

 

Fazit:

Mission erfüllt!

Wenn man bedenkt, dass 2008 noch mehr als 2000W/kg und >28.000rpm gebraucht wurden, um 394km/h zu erreichen und das mit den aktellen Daten vergleicht, wird man nicht umhin kommen, festzustellen, dass in den vergangenen 8 Jahren bei den Elektroantrieben eine gewaltige Weiterentwicklung stattgefunden hat.

Insgesamt darf nun wohl auch als erwiesen gelten, dass sehr leise >400km/h wahrscheinlich auch mit weniger als 6000rpm Propellerdrehzahl machbar sind, wenn das Setup zusammenpasst und entsprechend abgestimmt ist.
Man muss es einfach nur wirklich wollen.

 

eof

 

Startseite