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          Ein RC Modell konstruieren
RC Modellflug

 

Ein RC Modell konstruieren


1. Festlegung von 
Grösse und Gewicht

2. Modellberechnung
mit einer Tabelle

3. Das Flügelprofil
 
4. Komponenten- Gewichte abschätzen 5. Konstruktionstipps

 

Ich möchte hier eine Hilfe geben für diejenigen, die das erste Mal ein eigenes Modell konstruieren möchten. Als ich das vor vielen Jahren erstmalig versuchte habe, halfen mir einige Bücher, um die theoretischen Grundlagen zu begreifen. Schnell einmal wurde aber klar, dass dies ein riesiger Themenkomplex ist, der dominiert wird von der "Aerodynamik". Natürlich ist es immer gut wenn man davon Ahnung hat. Aber für ein erstes, einfaches Modell mit akzeptablen Flugeigenschaften, reicht es schon aus, wenn man sich anhand einfacher "Faustformeln" und der im folgenden vorgestellten Excel- Tabelle von mir, ein eigenes Modell "erarbeitet".

Ich werde vieles sehr vereinfacht darstellen. Aber es gibt im Internet viele Seiten die tiefer, und auch viel genauer in diese Themen einsteigen.

An Bücher kann ich empfehlen: Das Segelflugmodell, Teil 1 (ISBN 3-7883-1154-1), Teil 2 (ISBN 3-7883-0160-6), Teil 3 (ISBN 3-7883-0197-X). Es sind alte Bücher, aber sie sind (teilweise) immer noch beschaffbar im Internet (Amazon, Antiquariate...). Meine Auslegungs- Tabelle jedenfalls beruhen, von den Formeln her, auf diesen Büchern.

Noch ein wichtiger Punkt; bei meinen Beispielen beziehe ich mich immer auf Motorflugmodelle. Natürlich gelten die Grundlagen auch für Segler. Aber damit habe ich persönlich keine Erfahrungen, was das Auslegen und Berechnen angeht.

...

1.  Festlegung von Grösse und Gewicht

Zusammenfassend die Empfehlungen: 
  • Spannweite grösser 1 Meter
  • Flügelbreite grösser 150mm
  • Flügelstreckung zwischen 4-8
  • Max. Fluggewicht festlegen nach Flügelfläche und angepeilter Flächenbelastung

Als erstes sollte man sich darüber klar werden; was für ein Modell will man überhaupt bauen? Das heisst Segelflugzeug, Motorflieger, Hoch- oder Tiefdecker, mit oder ohne Fahrwerk usw. Im folgenden werde ich einen möglichen Weg aufzeigen um ein Motorflugmodell auszulegen. Analog gilt das gleiche natürlich auch für ein Segelflugzeug, nur das dort die Profilwahl und Flügelform einen deutlich grösseren Stellenwert haben (um brauchbare Flugeigenschaften zu erzielen).
Wir werden, in diesem Beispiel, zusammen ein gutmütiges, einsteigerfreundliches Motorflugmodell "erarbeiten".

Erste Frage: Wie gross soll das Modell werden (Spannweite)? Es ist ein Irrtum wenn man meint, es sei einfacher ein kleines Modell zu fliegen. Sicher, es gibt heute (2014) wirklich kleine RC- Modelle mit teilweise kaum mehr als 300mm Spannweite. Aber das sind entweder super leichte Saalflugmodelle, oder dann Modelle die ein "3-Achsen- Kreisel- Autopiloten" eingebaut haben um diese kleinen "zappeligen" Dinger beherrschen zu können.
Um ein einigermassen gutmütiges Flugverhalten zu bekommen, sollte man nicht gross unter einem Meter Spannweite gehen (besser mehr). Gleichzeitig soll der Flügel auch nicht zu schmal werden. 
Das ist aerodynamisch bedingt und hängt mit der so genannten Reynolds- Zahl zusammen. Weniger als 150mm an Flügelbreite sollte man eher vermeiden, wenn es ein gutmütiger fliegendes Modell werden soll. Das ist vor allem bei langsamer fliegenden Modellen wichtig; bzw. es wirkt sich im Langsamflug positiv aus, z. B. bei der Landung...
Neben der Spannweite ist also auch die Flügelbreite ein wichtiger Faktor, denn daraus ergibt sich am Schluss die Flügelfläche die da gesamte Modellgewicht "in der Luft tragen muss".

Wenn man nun die gewählte Spannweite durch die gewünschte Flügelbreite teilt, bekommt man eine Zahl die Flügelstreckung genannt wird.
Die Flügelstreckung errechnet sich aus der Spannweite geteilt durch die Flügelbreite. Bei Motorfliegern liegt die Streckung meist in einem Bereich von 4-8..., hingegen kann sie bei Segelflugmodellen leicht 15, 20, 30 oder sogar noch mehr betragen. Für ein Motorflugzeugen spielt es (meistens) keine so grosse Rolle, wenn der Flügel einen relativ grossen Strömungswiederstand erzeugt. Bei Segelflugzeuge hingegen ist das eine sehr wichtige Grösse. Am  Strömungswiederstand einer Tragfläche hat der so genannten induzierten Widerstand einen grossen Anteil (Randwirbel).

Die Form des Flügels ist auch eine Grösse die es zu berücksichtigen gilt. Der einfachste ist der rechteckige Flügel, gefolgt von einer Trapeztragfläche und Flügel die aus mehreren Trapezen, oder auch geschwungenen Formen gebildet werden. Hier begnüge ich mich mit dem rechteckigen und trapezförmigen Flügel.
Die Flügelfläche [FA] berechnet sich immer aus Spannweite [SW] mal (mittlere) Flügelbreite [b].

FA = SW x b

FA = SW x ( (Fba + Fbi) / 2)

Welche der drei einfachen Trapezformen man wählt ist dabei unerheblich. wichtig ist hier nur, dass die äussere Flügelbreite [Fba] nicht fiel kleiner als 150mm gewählt wird, sonst kommt man auch hier in einen ungünstigeren, tieferen Reynolds- Zahlenbereich, was zu plötzlichem "abschmieren" eines Modells im Langsamflug beitragen kann.

Neben dem "besseren Aussehen" einer Trapez- Tragfläche wird hier auch die Auftriebsverteilung positiv beeinflusst, solange man es nicht übertreibt und den Aussenbereich zu schmal macht.
 

Reynolds- Zahl

Die nach dem Physiker Osborne Reynolds benannte Zahl, ist eine einheitenlose Grösse die sich für jeden umströmten Körper berechnen lässt.
Die Reynolds- Zahl "Re" eines Tragflächenprofils lässt sich direkt mit folgender Formel berechnen:

Re = v x b x 70 (gültig für Flügelprofile) 

v = Geschwindigkeit in [m/s]
b = Flügelbreite in [mm]

Bei einer Flügelbreite von 180mm und einer angenommen Fluggeschwindigkeit von 30 km/h (8.33 m/s) ergibt das zum Beispiel eine Reynolds- Zahl von:

8.33m/s x 180mm x 70 = 104'999.99 [Re]
 

Flügelstreckung

Die Flügelstreckung ist eine dimensionslose Zahl die sich aus der Spannweite und der Flügelbreite errechnet:  

Beispiel: 
Spannweite [SW]: 1400mm
Flügelbreite [b]: 180mm
>> Flügelstreckung [Fs] = 1400 / 180 = 7.77

 

Induzierter Widerstand einer Tragfläche

Das Flugzeug erzeugt seinen Auftrieb, indem sich seine Tragfläche durch die Luft bewegt. Dadurch entsteht oberhalb des Flügels ein relativer Unterdruck und unterhalb des Flügels ein relativer Überdruck. An den Flügelenden findet nun ein Druckausgleich statt,  in dem die Luft mit höherem Druck (unten) zur Oberseite mit niedrigerem Druck fliessen möchte. Es entstehen an den Flügelenden zwei gegenläufige Randwirbel. Diese Randwirbel entziehen dem "Auftriebssystem Tragfläche"  jedoch Energie, und das wird „induzierter Widerstand“ genannt. Der Widerstandsbeiwert ist bei optimaler Auftriebsverteilung (siehe unten) nur abhängig von der Flügelstreckung .
>> je grösser die Flügelstreckung um so kleiner wird der induzierte Widerstand, darum haben Segelflugmodelle vergleichsweise schlanke Flügel mit hoher Streckung.
 

Randwirbel

Der Randwirbel ist ein sich drehender Wirbel an den Flügelenden. Er entsteht durch den Druckunterschied von der Unterseite zur Oberseite der Tragfläche. Diese Wirbel drehen sich immer "nach innen". Mann kann sie sich auch als liegende Tornados vorstellen, die sich konisch erweitern mit steigender Distanz zum Flugzeug/Modell.


 

Diese Wirbelschleppen können ein nachfolgendes Flugzeug gleicher Grösse in erhebliche Schwierigkeiten bringen. Darum sind auch die Abstände von grossen Passagieremaschinen beim Landen sehr wichtig (Stichwort: wake turbulence)

Weitere grundlegende Fragen; Abfluggewicht und Flächenbelastung:

Das geplante Abfluggewicht ist zusammen mit der Flügelfläche ein wichtiger Indikator dafür, wie sich ein zukünftiges Modell fliegen lässt. Eng verknüpft dazu, ist hier die Flächenbelastung. Das ist ein guter Indikator dafür, wie sich ein Modell verhält. 
Generell gilt, dass je geringer die Flächenbelastung ist, es einfacher wird ein Modell zu fliegen. Das vor allem darum, weil man es langsamer fliegen kann. So ganz pauschal kann man das aber nicht sagen, denn ein kleines Modell kann fast unfliegbar sein mit einer Flächenbelastung von Beispielsweise 80 g/dm2. Hingegen ein doppelt so grosses Modell, mit der gleichen Flächenbelastung, lässt sich noch sehr angenehm fliegen. Das liegt daran, dass beim grösseren Modell die Aerodynamik am deutlich breiteren Flügel einen viel Besseren "Wirkungsgrad" aufweisst, was sich in der viel grösseren Reynolds Zahl ausdrückt (sehr vereinfacht gesagt). 

Um  das besser zu verdeutlichen habe ich die folgende Tabelle dazu erstellt:

Modell Spannweite Gewicht Flügelfläche Flächen- Belastung Lande- Geschw. Einstufung
Pilatus Turboporter 1440 mm 560 g 25.2 dm² 22.22 g/dm² Sehr langsam extrem gutmütig
Piper Cub L-4 1050 mm 335 g 15 dm² 22.33 g/dm² Sehr langsam extrem gutmütig
Nimbus (Segler) 3600 mm 2656 g 80 dm² 33.2 g/dm² langsam sehr gutmütig
Piper Cherokee 1050 mm 679 g 18.58 dm² 36.54 g/dm² langsam gutmütig
Speedy 2012 NG 869 mm 615 g 16.51 dm² 37.25 g/dm² langsam gutmütig, wenn nicht zu langsam
Speedy NG 2XL 1430 mm 1562 g 36.46 dm² 42.84 g/dm² langsam sehr gutmütig
CalMod one E 1550 mm 2308 g 42.6 dm² 54.18 g/dm² langsam gutmütig
Partenavia 1330 mm 1361 g 24.6 dm² 55.33 g/dm² gut beherrschbar gutmütig
Pegasus 1800 mm 2720 g 47.7 dm² 57.02 g/dm² langsam gutmütig
Twin Otter DHC-6-300 1345 mm 1545 g 20.17 dm² 76.58 g/dm² gut mit Klappen Mit Erfahrung; gutmütig
Robin Dauphin 4 / DR400-140B 1740 mm 4698 g 54.2 dm² 86.7 g/dm² gut beherrschbar gutmütig
Tecnam P2002-JF 1547 mm 3287 g 36.25 dm² 90.67 g/dm² Schnell Mit Erfahrung und Klappen; gut beherrschbar
Millenium (Elektro- Twin) 2000 mm 6285 g 65 dm² 96.69 g/dm² gut beherrschbar gutmütig
Cessna 310 2350 mm 7107.4 g 68.9 dm² 103.16 g/dm² langsam Mit Erfahrung; gutmütig
Pilatus PC-12 1890 mm 5810 g 40.7 dm² 142.8 g/dm² relativ langsam Mit Erfahrung und Klappen; gut beherrschbar
kritisch beim Starten…
Robin Dauphin 4 (Grossmodell) 2400 mm 15150 g 105.24 dm² 143.96 g/dm² Schnell Mit Erfahrung und Klappen; gut beherrschbar

Ich habe hier versucht einen Anhaltspunkt zu geben, wie sich verschiedene Gewichts/Grössenverhältnisse auswirken können. Natürlich ist es schwierig das in Worte zu fassen, aber zumindest gibt sie einen "Bereich" an (Farben), was man in etwa erwarten kann, bei verschiedenen Verhältnissen.

Allgemein darf gesagt werden, dass alles was unter 40 g/dm2 Flächenbelastung liegt, keine all zu grossen Schwierigkeiten geben sollte. Wenn sogar 20-25 g/dm2 Flächenbelastung unterschritten werden, dann fliegt fast alles, solange nicht die elementarsten aerodynamischen regeln ignoriert werden . Bei Modellen mit Spannweiten um die 1300mm sind etwa 60 g/dm2  die Grösse, wo man sich Gedanken über die eigenen  (Fliegerischen) Fähigkeiten machen sollte. Ein schönes Beispiel dazu ist meine kleine Twin Otter; Das Modell ist für mich gut zu beherrschen, aber für die Landungen sind die Landeklappen ein wichtiger Faktor. Das liegt hauptsächlich daran, dass es für seine Grösse eine hohe Flächenbelastung von rund 76 60 g/dm2 aufweisst (i st kein Anfängertaugliches Modell).
Die deutlich grössere Elektro- Robin hat mit ihrem breiten, 1740mm spannenden Flügel wohl eine deutlich grössere Flächenbelastung (86.760 g/dm2); das Modell lässt sich aber relativ langsam und viel einfacher landen wie die Twin Otter.

Wenn nun also die Grösse, das heisst Spannweite und Flügelbreite, wie auch das geplante Abfluggewicht festgelegt sind, kann es mit der eigentlichen Modellberechnung losgehen.

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Letzte Aktualisierung: 02. Februar 2017        

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