TECHNIK

Nurflügel und Hangflug

Wo sind wir? Wie sind wir dahin gekommen und wo gehen wir hin?


Mit fast drei Meter Spannweite fällt die "Moxie" genau in das Größenschema eines F3F-Modells

Peter Wick gibt eine Art Status, wie weit die Brettnurflügel-Entwicklung gekommen ist und ob man damit eventuell erfolgreich im F3F teilnehmen kann. All das ist aufgehängt am Beispiel der "Moxie".

"Moxie" ist ein Voll-CFK-Nurflügel und wurde auf den schnellen Hangflug und F3F ausgelegt. Damit soll nicht gesagt sein, dass "Moxie" die Spitze der Nurflügel-Entwicklung darstellt. Vielmehr soll das Modell die momentanen Tendenzen aufzeigen. Brettnurflügel haben sich in den vergangenen Jahren erfolgreich im Hangflug hervorgetan. Dies sieht man an einer deutlichen Steigerung an käuflichen Exemplaren. Dabei gibt es nicht nur EPP-Modelle, sondern auch Flugzeuge aus Formen. In Letztere würde sicherlich kein Hersteller investieren, wäre da keine Aussicht auf ein gesteigertes Leistungspotential zu erkennen. Brettnurflügel haben auch hohe DS-Geschwindigkeiten erzielt (594 km/h) und das Netz ist voll von tollen Videos, die die Dynamik dieser Modelle zeigen - all das bei einer frappierenden Einfachheit und Stabilität.

Man kann wohl sagen, dass sich Brettnurflügel im Hangflug etabliert haben. Allerdings auch nicht unbedingt in dem Maße, dass Brettnurflügel nun der Standard an der Hangkante wären. Wenn aber die Bedingungen gut sind, kann man schon erwarten, dass in solchem Gelände auch ein paar Nurflügel anzutreffen sind. Es fällt jedoch auf, dass die meisten dieser Modelle relativ klein sind (unter zwei Meter Spannweite), auch bei F3F-Wettbewerben sieht man sie kaum. Da musste was getan werden. Das vorläufige Ergebnis ist nun die "Moxie".

Größere Modelle fliegen besser, also wurde als Erstes die Größe festgelegt: 2,9 Meter Spannweite, also "Standard F3F". Danach kam die wichtige Frage, welche Form von Brett es denn werden sollte: Leicht vorgepfeilt wie der "Amok- ka"? Eine Art Blended-Wing-Body wie der "Giz-mo"? Oder ein leicht gepfeiltes Brett? Alle Formen haben ihre Vor- und Nachteile. Leistungs- mäßig versprach die leicht gepfeilte Form, gerade weil sie ohne Rumpf auskommt, ein paar entscheidende Vorteile. Einige kommen dabei sogar nur dann zur Geltung, wenn man größere Streckungen (über 11) baut: Diese Flügelform erlaubt es mit entsprechender Profilierung mit sehr kleinen Stabilitätsmaßen zu fliegen, so um zwei bis vier Prozent. Dies ist wichtig bei Brettnurflügeln, weil die verschiedenen Flugzustände mit Klappenausschlägen eingestellt werden und diese typischerweise die Leistung verringern. Das heißt, um langsam zu fliegen, muss man das Höhenruder negativ ausschlagen, was Widerstand und maximalen Auftrieb kostet. Normale F3F-Modelle fliegen mit Stabilitätsmaßen um neun bis 13 Prozent herum. Würde man einen Brettnurflügel mit diesen Stabilitätsmaßen fliegen, müsste man die Ausschläge mehr als verdoppeln und die Leistung wäre im Keller. Auch gepfeilte Nurflügel mit Winglets fliegen typischerweise mit wesentlich höheren Stabilitätsmaßen - so um zehn bis 15 Prozent.

Der "Moxie" fliegt tatsächlich mit vier Prozent und der Schwerpunkt kann noch weiter zurück. Dieses kleine Stabilitätsmaß erlaubt es, im Zusammenklang mit einer moderaten Streckung (13,5) und leichter Pfeilung innen eine Wölbklappe zu verwenden, die man so designen kann (Variation der Länge), dass sie bei Ausschlägen momentenneutral ist. Das heißt: kaum Anstellwinkeländerungen hervorruft. Bei der "Moxie" beträgt diese Länge 39 Prozent der Spannweite. Ist die Länge kleiner, wäre die Wirkung eine Erhöhung des Anstellwinkels. Damit ist es möglich, diese innere Klappe zum Bremsen zu verwenden. Allerdings ist Butterfly nicht möglich, da man die äußeren Klappen nicht einfach hochstellen kann. Die wirken ja als Höhenruder. Deshalb sollten sie eine recht große Klappentiefe haben und weit nach unten ausschlagen können. Damit löst die leichte Pfeilung mit höherer Streckung das Bremsproblem der Brettnurflügel, obwohl die Bremswirkung eines Butterflys nicht ganz erreicht wird. Auch eine Art Snap-Flap ist damit möglich. Allerdings ist das ganze Zusammenspiel der Klappen sehr geometrie-sensitiv und muss bei jeder neuen Konstruktion aktuell durchgerechnet werden. Die Programme von Frank Ranis können das aber treffend vorhersagen. All diese Erkenntnisse und Erprobungen sind vielen mutigen Leuten zu verdanken, wie zum Beispiel Lasse Creutzfeld, Tobias Schill, Uwe Heuer und vielen anderen.

In der letzten Zeit haben wir hinsichtlich der Profilierung einige Fortschritte erzielt. Die jetzigen Brettprofile sind sehr dünn und wenig gewölbt. Das Hauptprofil ist über den ganzen Flügel fast gleich und nur 6,8 Prozent dick und 1,15 Prozent gewölbt. Ganz außen finden sich zwei Strak-Profile um den kleineren Re-Zahlen gerecht zu werden (6,3 Prozent / 0,9 Prozent und 5,6 Prozent / 0,4 Prozent). Zum Vergleich fliegen die meisten F3F-Modelle mit Profilen, die circa acht Prozent dick sind und etwa 1,6 Prozent Wölbung haben.

Das sieht auf den ersten Blick - vielleicht auch auf den zweiten - vollkommen verkehrt aus. Doch Brettnurflügel haben von Haus aus ein Auftriebsdefizit, da das Profil auch die Längsstabilität (S-Schlag) sicherstellen muss und bestenfalls nur ein Teil der Spannweite als Wölbklappe genutzt werden kann. Warum sollte man dann auch noch schwach gewölbte Profile verwenden? Nach realen Messungen, die Jochen Günzel im F3F-Flug gemacht hat, sieht es so aus, dass nicht allzu hohe Ca-Werte geflogen werden. Demnach liegen je nach Flugstil die höchsten Ca- Werte zwischen 0,65 und 0,8 - je nach Flugstil. Das sind Werte, die durchaus mit Brettprofilen erreicht werden können. Gleichzeitig sieht man aber auch, dass man mit Brettnurflügeln eher einen "soften" Flugstil praktizieren sollte.

Beim Design der Profile haben Tobias Schill und ich sehr intensiv an den Profilen gearbeitet und dabei das Programm Xoptofoil bemüht - ein Profiloptimierungsprogram basierend auf Xfoil. In der Zwischenzeit hat Jochen Günzel das Programm weiter ergänzt und optimiert: "Xoptofoil-JX" (https://github.com/jxjo/Xoptfoil-JX). Damit ist es möglich, bestimmte Flugzustandsbereiche gezielt zu verbessern. Wunder sollte man dabei aber nicht unbedingt erwarten. Ich weiß nicht wie viele Profile wir analysiert und modifiziert haben, aber 100 waren es sicher.

Leider haben Brettnurflügel mit leichter Pfeilung auch ureigene Nachteile. Der Abstand des Trimmbleis und der Fernsteuerung zum Schwerpunkt ist typischerweise sehr klein. "Moxie" fliegt deshalb leider mit fast einem Kilogramm Trimmblei herum - in Form des vorderen Torsionsstiftes. Anderseits kann man auch einige Vorteile verbuchen. Dadurch, dass kein Rumpf vorhanden ist, hat man kaum Interferenzwiderstände. Auch kann man eine elliptische Auftriebsverteilung erwarten, weil sie nicht durch den Rumpf gestört wird. Pfeilflügel haben außerdem eine Art dynamische V-Form. "Moxie" hat nur eine sehr kleine eingebaute V-Form - die Flügeloberseite ist gerade. Wenn man den Anstellwinkel erhöht und langsamer fliegt, bekommt das Modell mehr und mehr effektive V-Form. So fliegt "Moxie" mit sehr kleiner V-Form im Speed und mit circa sieben Grad im Langsamflug. Zugleich ist die Pfeilung des Modells nicht konstant, sondern nimmt progressiv nach außen hin zu - so auch die V-Form. Clevere Sache.

Die Seitenleitwerksform ist auffällig. Seitenleitwerke an Brettnurflügeln arbeiten an einem recht kleinen Hebelarm und sollten deshalb möglichst effektiv designt werden. Wenn ein Flugzeug schiebt, erzeugt das Seitenleitwerk Auftrieb, da es nun unter einem Anstellwinkel angeströmt wird. Dieser Auftrieb dreht das Modell wieder in die gewollte Flugrichtung zurück. Diese Kraft kann man natürlich über mehr Fläche und Hebelarm erhöhen. Man sollte aber auch versuchen, die Form so zu optimieren, dass der Auftrieb, den das Seitenleitwerk liefert, so groß wie möglich ist. Dies ist der Fall, wenn der Auftriebsbeiwert konstant über die ganze Spannweite verteilt ist, also müsste das Seitenleitwerk eine elliptische Form haben. Es gilt allerdings auch noch ein paar praktische Sachen zu beachten: Um Schäden beim Landen vorzubeugen, sollte das Seitenleitwerk unter dem Flügel stark gepfeilt sein und die Flügelspitzen sollten nicht abbrechen.

Irgendwann muss man so ein Teil auch bauen. Wie immer hat Rainer Moosmayer die CAD/CAM-Arbeiten und das Fräsen gemacht und mich mit seinen guten Ideen erleuchtet. Das Layup ist ein 25-g/qm-Glasgewebe außen, im hinteren Teil des Flügels ein HM-Kohle-Spreadtow (65 g/qm). Vorne in der D-Box liegt 140-g/qm-HM-Kohle und im inneren Bereich vor dem Schwerpunkt doppelt. Dann kommt Herex und ein 50-g/qm-Glasgewebe als Innenlage hinten. In der D-Box vor dem Schwerpunkt ist die Innenlage ein 140-g/qm-HAT-Kohlegewebe. Also richtig hart vor dem Schwerpunkt und sehr leicht dahinter.

Der Flügelverbinder ist im Schwerpunkt. Weil das relativ weit hinten in dem dünnen Profil ist, kann er nur acht Millimeter hoch sein. Um dennoch genügend Steifigkeit zu erreichen, ist er 50 Millimeter breit und in HM-Kohle gebaut. Durch Ersetzen des Kohleverbinders mit einem Stahlverbinder kann man "Moxie" bis auf das FAI-Limit der Flächenbelastung aufballastieren. Da die maximale Flächenbelastung gemäß FAI auf die Gesamtfläche bezogen ist - also normalerweise mit Höhenleitwerksfläche - hat man beim Nurflügel die Möglichkeit, die Tragfläche allein mit dem Maximum von 75 g/qdm zu belasten. Ob das ein Vorteil ist, sei dahingestellt, obwohl die meisten F3F-Piloten wohl mehr als erlaubt zuladen würden, wenn die Bedingungen super sind. Leider kann der geringere maximale Auftrieb der "Moxie" da einen Strich durch die Rechnung machen, da die optimale Flächenbelastung am Brettnurflügel wohl immer etwas unter dem der "normalen" F3F-Modelle liegt.

Die erste "Moxie" wurde sehr hart gebaut und deshalb leider recht schwer - 3,6 Kilogramm Leergewicht! Das sind immerhin 58 Gramm/Quadratdezimeter Flächenbelastung. Der reine Materialeinsatz ist zwar heftig und sicher auch überdimensioniert, aber es wurde versucht, nur vor dem Schwerpunkt richtig schwer zu bauen. Trotzdem war fast ein Kilogramm Trimmgewicht notwendig, aufgrund des sehr geringen Abstandes zum Schwerpunkt von nur 132 Millimeter. Dieses Trimmgewicht ist der "Torsionsstab": 40 Zentimeter langer Stahl, 15 x 30 mm. Das ist im Moment der Preis, der für die rumpflose Konzeption bezahlt werden muss. Die nächste "Moxie" wird bestimmt leichter werden, denn wo viel Trimmblei ist, kann auch viel gespart werden. Ich bin recht zuversichtlich das Modellgewicht ein Stück unter drei Kilogramm zu halten. Das ist immer noch recht viel, obwohl die "Moxie" deutlich mehr Fläche ausweist, als die F3F-Leitwerkler haben (62,1 qdm). Für leichtere Versionen wird man um einen kleinen Rumpf wohl kaum herumkommen.

Ich hatte beim Erstflug recht viel Angst, dieses doch recht schwere Teil bei wenig Wind zu starten. Aber das Werfen war überraschenderweise total einfach. Beim Hochheben aus dem Gras hatte ich ein ungutes Gefühl aufgrund des Gewichtes. Aber wenn "Moxie" dann einmal auf der Hand liegt und gegen den Wind ausgerichtet ist, dann stabilisiert sich das Modell. Werfen ist dann einfach und auch ein Durchsacken passiert kaum, obwohl man nicht allzu stark werfen kann. Wirklich toll!

Beim Fliegen war ich überrascht, wie eng sich die "Moxie" kurven lässt, angesichts der Flächenbelastung, der geringen Wölbung der Profile und bei so geringem Wind. Ich hätte da eher einen Eiertanz erwartet. Ich bin zunächst immer mit etwas Snap-Flap geflogen (max. +2 Grad). Das kann man tun, da die innere Klappe momentenneutral ist. Das scheint ganz gut zu passen. Damit wird auch das Überziehverhalten besser, weil der Flügel bei Höhenruderausschlag geschränkt wird. Das Querruder wirkt sehr gut, die inneren Klappen gehen um ein Drittel mit und man braucht keine großen Ausschläge - sicher eine Folge der Massenkonzentration. Das Überziehverhalten ist prima, wenn man das Modell langsam aushungert. "Moxie" wippt dann schnell auf und ab, ein sogenannter Wag-Stall. Dynamisch ist mir das Modell einmal über den Flügel weggeschmiert - allerdings war das bei hinterer Schwerpunktlage und wahrscheinlich war ich einfach zu langsam bei dieser Flächenbelastung. Das negative Wendemoment ist sehr gut gedämpft und eventuell kann der Hebelarm zum Seitenleitwerk noch etwas kleiner werden. Die Bremsklappe mit 80 Grad Ausschlag wirkt sehr leicht aufrichtend bei der derzeitigen Schwerpunktlage und dürfte gut für F3F zu gebrauchen sein. Wenn man die Klappe als Wölbklappe benutzt und fünf Grad setzt, wirkt sie ganz leicht abnickend.

So weit so gut, aber ist die "Moxie" wettbewerbstauglich? Einerseits scheint mir, dass wir etwas näher an das Leistungsniveau der F3F-Leitwerksmodelle herangekommen sind. Die volle Größe war wohl nötig. Anderseits sind wir immer noch ein Stück davon entfernt, ein praxistaugliches F3F-Modell zu haben. Dazu zählen das zu hohe Gewicht und das im alltäglichen Gebrauch etwas problematische Seitenleitwerk. So kann man zum Beispiel den Flieger nicht einfach ins Gras legen, weil der Leitwerksträger nach oben ausweichen kann und nur mit Tape gesichert ist. Daher muss "Moxie" immer auf dem Senderkoffer liegen.

Tja, und dann war da noch der Schluss des einen Fluges. Ich freute mich schon auf die Landung mit der großartigen Bremsklappe. Im Flug drehte sich leider das Seitenleitwerk - das sollte es eigentlich nur bei der Landung tun - und woll-te Höhenruder spielen. Das mochte "Moxie" als Nurflügel nun gar nicht und so war die Steuerbarkeit folglich recht eingeschränkt. Ich bin zuerst gegen den Wind vom Hang weggeflogen, weil ich erwartet habe, dass man einigermaßen weiterfliegen kann. Die Kurve wirkte aber sehr träge und ich dachte, ich setz ihn in die Büsche unterhalb der Hangkante, anstatt auf das Meer hinauszufliegen. Dann kam diese nette, aber leider ungesteuerte Fassrolle . wie geht das denn? Ich habe das Modell dann noch über den Gartenzaun gezogen und in den Boden gesteckt, weil hinter mir Zuschauer waren. So ein Einschlag hätte an einem gewöhnlichen F3F-Modell sicher großen Schaden angerichtet. Bei "Moxie" ging aber nur der Stift zum Seitenleitwerk kaputt und der Hilfsholm in der Tragfläche war gespalten. "Moxie" ist schon wieder fit!

Peter Wick


Bei der Belegung wurde darauf geachtet, dass es vor dem Schwerpunkt hart und hinter dem Schwerpunkt leicht ist


Der vordere "Torsionsstift" besteht aus 40 Zentimeter Stahl 30 x 15 mm


Die ungewöhnliche Form des Seitenleitwerks ist maßgeblich an den Flugleistungen und -eigenschaften beteiligt


"Moxie" bereit zum Erstflug, der nicht ganz ohne Bedenken startete


Beim Fliegen lässt sich die "Moxie" eng manövrieren, was angesichts der Flächenbelastung überrascht


Prozentuale Verteilung der geflogenen Ca-Werte im F3F. (Quelle: RC-Network.de "Flugvermessung bei F3F")


Das optimierte Seitenleitwerk bei maximalem Anstellwinkel. Die grüne Linie ist die Verteilung der Auftriebsbeiwerte (Ca). Die roten Bereiche zeigen, wo der maximale Auftrieb überschritten wird



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