AM13 - "Tanto"

Vorgeschichte

Nach einem ausgezeichneten Ergebnis der Air Cargo Challenge im August 2011 war die AkaModell wieder auf der Suche nach einem neuen Projekt, das an die großen Erfolge der Vergangenheit anknüpft.

Mit den neuen Mitgliedern zum Semesterstart war im Oktober 2011 auch Jakob Karpfinger in die AkaModell eingetreten. Als mehrfacher Deutscher Meister und Weltrekordhalter in F3Speed lieferte er den entscheidenden Impuls, ein Projekt in dieser Wettbewerbsklasse zu beginnen.

Schon in der Vergangenheit haben die Mitglieder der Akademischen Modellfluggruppe München Erfahrung mit schnellen, elektrisch angetriebenen Modellflugzeugen gesammelt. In der Wettbewerbsklasse F5D Pylonrace fuhr Christian Rößler mit dem von der AkaModell eigens entwickelten Modell „AM09 Batleth“ einen Weltmeistertitel ein. Darauf basierend sollte nun ein neues Flugzeug entworfen werden, welches an die Reglementierungen der Klasse F3Speed optimal angepasst ist.

Die Klasse F3Speed

Das Reglement mit der offiziellen Bezeichnung FAI Nr.175, F5 Open ist simpel: 5 kg Maximalgewicht, maximal 75 g/dm² Flächenbelastung und höchstens 72 V Klemmspannung. Ziel: eine 200 m lange Messstrecke möglichst schnell beidseitig zu durchfliegen. Ist die gemittelte Wert für die Geschwindigkeit höher als je zuvor, liegt ein neuer offizieller Weltrekord vor - der aktuelle Weltrekord von 2013 liegt bei 476 km/h!

Obwohl es sich um eine internationale Klasse handelt, nehmen hauptsächlich europäische Piloten daran teil, wegen der hohen finanziellen und technischen Anforderungen ist F3Speed nur gering verbreitet. Obwohl es sich hier ganz klar um eine fast unbekannte Disziplin des Modellflugsports handelt, ist sie sicherlich eine der spektakulärsten. Neben dem elektrischen F3Speed (FAI Nr. 175) existieren noch andere Highspeed-Klassen, vor allem Geschwindigkeitsweltrekordversuche mit elektrischen Modellhubschraubern und Flugmodellen mit Verbrennungsmotor.

Das Projekt „Tanto“

„Tanto“ ist japanisch und bezeichnet das Kampfmesser der Samurai und stellt eine Weiterführung des Begriffs „Batleth“ dar, dem Kampfschwert der Klingonen. Ursprünglich war der Name Xtab angedacht, abgeleitet von Ixtab, einer Göttin der Maya; dieser wurde jedoch verworfen. Z

iel war es, das Projekt von Oktober 2011 bis September 2012 durchzuführen, jedoch wurde der Wettbewerb 2012 aus organisatorischen Gründen vom Veranstalter abgesagt und erst im September 2013 war die Teilnahme am Speedcup in Ballenstedt möglich. Von Oktober 2011 bis Februar 2012 befand sich das Modell in Entwicklung, von da ab im Bau und seit August 2013 wurden Testflüge durchgeführt. Im September 2013 fand schließlich der vorgesehene Wettbewerbseinsatz statt.

Neben der technischen Arbeit ist es genauso wichtig, eine Finanzierung für ein derartiges Projekt aufzustellen, da die wenigsten Posten von Studiengeldern abgedeckt werden können. So beschäftigten sich einige Teammitglieder ausschließlich mit dem Finden von Sponsoren und der Organisation von Material und Dienstleistungen. In den verschiedensten Bereichen ließen sich Firmen für unser Projekt gewinnen, diesen möchten wir an dieser Stelle noch einmal herzlich danken!

Zeitweise waren bis zu 20 Studenten und Mitarbeiter der TU München am Projekt beteiligt, das Kernteam bildeten circa fünf Personen. Sehr erfreulich ist, dass viele Neueinsteiger der AkaModell direkt mit einbezogen wurden und mithelfen konnten. Aktuell besteht das Team aus ungefähr sieben Modellfliegern, welche am Wettbewerbseinsatz 2014 arbeiten.

Der Flieger „Tanto“

Konzept

Wie schon erwähnt, konnte bereits an vergangene Projekte angeknüpft werden, um jedoch die bisher unerreichten Geschwindigkeiten zu erzielen, musste ein fein abgestimmtes Gesamtkonzept gefunden werden. Dazu mussten Softwaretools erstellt und weiterentwickelt werden, die für die generische Flugbahn-, Geometrie- und Antriebsoptimierung dienen. Das bedeutet: Die Flugbahn wurde in einem Programm für verschiedene Flügelgeometrien simuliert und auf maximale Durchschnittsgeschwindigkeit in der Messstrecke optimiert. Ähnliche Methoden wurden für andere Bauteile verwendet, beispielsweise beim Propeller.

Bei den ersten Designsessions am Whiteboard war schnell klar, wie ein Weltrekordflieger nach den Vorstellungen der AkaModeller auszusehen hatte: Die Akkus werden im Flügel platziert, anstatt wie üblich im Rumpf. Gleichzeitig führt eine Freistellung des Rumpfes am hinteren Teil des Flügels ebenfalls zu einer geringeren umspülten Oberfläche, was Widerstand reduziert. In Kauf musste dafür ein dickeres Flügelprofil genommen werden, was augenscheinlich zunächst einen Nachteil darstellt. Durch das größere Flächenträgheitsmoment der neuen Bauhöhe lässt sich der Tanto – Flügel aber leichter bauen und das von Christian Rößler entwickeltes Profil weist bei sehr hohen Geschwindigkeiten sogar einen geringeren Widerstand auf, als bei gängigen Fliegern verwendete Profile (siehe Polaren).

Beim Leitwerk handelt es sich um ein klassisches T-Leitwerk, in dem das Höhenruderservo verbaut ist und das Höhenruder direkt anlenkt. Das Seitenleitwerk wird separat vom Rumpf gebaut, was eine nachträgliche Änderung des Leitwerks erlaubt. Hier könnte also noch getestet werden, ob es vielleicht bessere Konfigurationen gibt, als ein T-Leitwerk.

Der Propeller wurde mit einem komplett selbst geschriebenem Programm entworfen. Besonders daran sind sicherlich die 6-Blatt Konfiguration und ein turbinenartiges Geräusch. Hier besteht in Zukunft noch die Möglichkeit, mithilfe von Messflügen optimierte Varianten davon zu entwickeln, Windkanalversuche sind für uns bei Geschwindigkeiten um 500 km/h nicht möglich.

Bau

Die gewonnenen geometrischen Daten wurden in CATIA V5 umgesetzt und daraus Formen erstellt. Außer den Flügelformen wurden alle anderen Formen im Keller auf der AkaModell eigenen Fräse gefertigt, bei den Rumpfformen musste sogar abschnittweise gefräst werden, da die Fräse zu klein für die komplette Rumpflänge ist. Eine weitere Schwierigkeit durch die Rumpflänge war, dass das Aufblasverfahren nicht mehr mit den sonst verwendeten Luftballons möglich war, diese waren zu kurz. Daher werden seitdem Säcke aus Folien geschweißt, die sich als Ersatz für Luftballons bereits bewährt haben. Ansonsten gestaltete sich der Bau der einzelnen Strukturteile nicht unähnlich zu Flugmodellen wie dem Bathleth oder F3K-Modellen, wenngleich etwas zeitaufwändiger wegen des komplexen Innenlebens des Flügels.

Mithilfe von Lehren und einem digitalen Lagesensor wurden die einzelnen Bauteile ausgerichtet und verklebt, geringfügige Winkelfehler würden ein Austrimmen des Fliegers notwendig machen, was mehr Luftwiderstand bedeutet.

Daneben stellte auch die Ausrüstung mit Mess-, RC- und Antriebskomponenten einen großen Teil der Arbeit dar, beispielsweise die Motoren wurden von Hand gewickelt und die Akkus komplett umgebaut, damit sie in die Tragfläche auswechselbar integriert werden konnten.

Tests

Vor dem Erstflug wurde ein Motortestlauf auf einem extra gebauten Prüfstand durchgeführt, bei dem das Antriebssetup das erste Mal erprobt wurde, dabei sollte vor allem die Stabilität des Mittelstücks und der Propellerblätter getestet werden, um eine Gefährdung des Starthelfers auszuschließen. Außerdem waren erste Daten zum Betrieb im Stand verfügbar, allerdings ließen sich davon keine Schlüsse auf das Verhalten im Flug ableiten.

Schließlich war es dann soweit, in Weilheim übergaben wir den Tanto seinem Element, nach einer sicheren Landung war ein weiterer Meilenstein erreicht. Weitere Testflüge folgten, dabei wurde festgestellt, dass der Flieger nicht schneller als 420 km/h werden konnte, da die maximale Motordrehzahl noch zu niedrig war. Eine Neuwicklung des Motors brachte zwar die erwünschte Erhöhung der Drehzahl, aber ein Kurzschluss nach wenigen Sekunden Motorlaufzeit beendete auch diesen Test vorzeitig. Um in Zukunft Fehler in der Wicklung zu vermeiden, wurden alle Motoren von Holger Lambertus umgerüstet, der darin jahrelang Erfahrung hat und auch als professioneller Motorenwickler arbeitet.

Wettbewerb Ballenstedt 2013

Als alle Vorbereitungen getroffen waren und zwei Tantos gebaut waren, machten sich acht Teammitglieder auf den Weg von München nach Ballenstedt bei Magdeburg. Dort hatten die Veranstalter des Speedcups 2013 eine komplett neu konstruierte Messanlage aufgebaut, die mithilfe von Highspeedkameras äußerst genaue und sauber dokumentierte Messergebnisse lieferte.

Das Gelände selbst war ein eigens für die Weltrekordversuche gesperrter Sportflugplatz, mit Ausnahmegenehmigung für Geschwindigkeiten über 250 Knoten, was 463 km/h entspricht.

Besonders bedanken möchten wir uns bei den Verantwortlichen vom Flugplatz Ballenstedt/Quedlinburg, die uns ihre Sitzungsräume als Übernachtungsmöglichkeit zur Verfügung gestellt haben und uns damit vor Zelten in Kälte und Regen bewahrt haben, zudem hatten wir viel Platz für Arbeiten an den Flugmodellen.

Die AkaModell ist mit dem Tanto als große Unbekannte in einen hart umkämpften Wettbewerb eingestiegen und das in kürzester Zeit, dementsprechend neugierig waren alle anderen F3Speed Piloten. Auf großes Unverständnis stieß dabei, dass wir im Vorfeld sehr wenig Details über den neu entwickelten Flieger herausgeben wollten. Dabei sollten zum einen natürlich die vielen Innovationen am Flieger geschützt werden, zum anderen wollten wir nichts versprechen, ohne offizielle Ergebnisse in der Hand. Im Nachhinein vom Wettbewerb in Ballenstedt scheint diese Vorgehensweise auch gerechtfertigt.

Am Freitag, den 13. September 2013 war dann der erste Wettbewerbstag um 10.00 Uhr eröffnet, kurz darauf war schon der alte Speed-Weltrekord für Helis gebrochen und der neue Weltrekord uneinholbar aufgestellt. Um 12:50 hieß es dann: Start frei für den Tanto! Doch nur wenige Sekunden später verlor der Flieger beim Anstechen den Funkkontakt und wir konnten nur mit ansehen, wie der Flieger senkrecht einschlug. Beeindruckend war, dass sogar die winzige micro-SD Karte im Regler, welche Logs aufzeichnete, beim Aufschlag auseinandergebrochen war.

Damit war das A-Modell verloren, es war an der Zeit, das B-Modell aufzurüsten und die Empfangsanlage dort noch einmal intensiv zu kontrollieren.

Samstag Mittag konnte dann der zweite Flug mit dem Ersatz-Tanto angetreten werden. Der Motorregler regelte den maximalen Strom allerdings wegen Überhitzung herunter, so dass mit 60% Leistung keine Geschwindigkeiten erreicht wurden, die ausreichend für einen neuen Weltrekord waren. Daraufhin wurde die Luftkühlung des Reglers verbessert und verschiedene Softwareeinstellungen in Bodenläufen ausprobiert. Zu einem dritten Flug war es allerdings zu spät, denn um 17.00 Uhr wurde der Flugplatz wieder an die bemannten Sportflieger übergeben und das Modellfliegen eingestellt.

Um doch noch zu Testflügen zu kommen, mussten wir also zu einem benachbarten Modellfluggelände fahren. Gegen 18:00 Uhr abends dann erreichten wir den Modellflugplatz Ostharz, wo wir mit großem Interesse willkommen geheißen wurden und die Möglichkeit erhielten, Flug drei und vier zu absolvieren. Den Temperaturproblemen konnte dabei allerdings nicht bei gekommen werden, sodass die einzige Alternative der Austausch des Reglers durch ein Modell eines anderen Herstellers war. Dieser hatte in den Testflügen zwar die benötigte Leistung abgegeben, neigte im Zusammenspiel mit dem 14-poligen Motor aber zu Fehlkommutationen.

Nach nächtlichen Umbauarbeiten war der Antriebsstrang umgebaut und Sonntags stand Flug fünf mit unserem Sorgenkind auf dem Programm. Nach einem sauberen Start erfolgte ein Anflug, in dem für circa drei Sekunden volle Leistung durch den Motor floss, bevor eine Fehlkommutation bei Vollast den Regler zerstörte und Pilot Jakob Karpfinger zur Landung gezwungen wurde.

Für den sechsten Flug wurde der defekte Regler wieder durch den alten Regler mit den Temperaturproblemen ersetzt und diesen entgegnet, indem er zum 3-Blatt Propeller umgebaut wurde, um die Leistungsaufnahme zu reduzieren. Leider zeigten die Logs, dass diese Maßnahme nur geringfügig die kritische Erwärmung des Reglers aufhielt.

Mittlerweile wurde an einem anderen Regler der Versuch unternommen, durch gezieltes Ersetzen eines Shunt-Widerstands die Temperatursicherung zu umgehen, allerdings resultierte das Hacking in einer Fehlermeldung der Software des Reglers beim Einschalten, was unsere letzte Hoffnung zerstörte.

Teamfoto Tanto

Ziele für 2014

Eines stand unmittelbar fest: Mit den Ergebnissen von 2013 kann das Projekt nicht beendet werden und alle Teammitglieder waren sich einig, dass eine Optimierung des Antriebs bis zum nächsten Wettbewerb im Mittelpunkt des Projekts F3Speed „Tanto“ stehen muss. Das Design des Flugzeugs hat sich als praxistauglich erwiesen, wird jedoch aufgrund des Verlusts des ersten „Tanto“ im Bereich der Empfangsanlage verbessert.

Wir sind fest überzeugt vom Potential des „Tanto“ und bleiben unserem akademischen Standpunkt in Hinblick auf die Entwicklung des Fliegers und Propellers treu. Wir lassen uns nicht durch die Ereignisse in Ballenstedt oder angebliche Unterschiede zwischen Theorie und Praxis entmutigen. Die Probleme in Ballenstedt rühren nicht aus den Innovationen des Konzepts „Tanto“, es bedarf einer finalen Abstimmung aller Komponenten aufeinander, so dass uns die volle Antriebsleistung zur Verfügung steht.

Trotz eisernen Kampfwillens mussten sich die AkaModeller den technischen Problemen letztendlich ergeben. Die AkaModell bleibt mit dem Tanto weiterhin eine schwer einzuschätzende Größe im F3Speed, wenn auch keine Unbekannte mehr. Bisher ist für den nächsten Speedcup kein fester Termin bekannt, doch die Organisatoren und Piloten bekundeten starkes Interesse an einem jährlichen Wettbewerbsturnus. Besonders gefreut hat uns, dass wir bei der Verabschiedung oftmals gebeten wurden, am nächsten Speedcup wieder teilzunehmen, denn viele Piloten sind gespannt auf einen 100% funktionierenden Tanto – wir auch.

Projektfortschritt 2016

Nach einer Projektpause 2015, in der wir uns vorrangig mit dem Projekt „Air Cargo Challenge“ beschäftigt haben, gehen wir wieder motiviert an unser Projekt „Tanto“ heran.

Zunächst haben wir beschlossen, einen separaten Trainingsrumpf für Testflüge zu fertigen. Dabei ist das Ziel, die Praxistauglichkeit v. a. beim Akkuwechsel zu erhöhen. So haben wir uns für einen klassischen „Badewannenrumpf“ entschieden, der ausreichend Platz für Akkus und weitere Sensoren bietet. Dieser wird aber nicht unseren aerodynamischen Anforderungen an ein Weltrekordflugzeug gerecht und daher nicht beim Weltrekordversuch eingesetzt. Er dient lediglich dazu das Testprozedere zu vereinfachen.

Der Rohbau dieses Rumpfes ist bereits erfolgreich abgeschlossen. Im weiteren Verlauf wird der Rumpf mit einem Antriebsstrang versehen und für die ersten Flugversuche einsatzbereit gemacht.

Im Zuge der weiteren Entwicklung wollen wir nun die Bauweise des Flügels optimieren und ausgiebig in Flugtests vermessen.



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