Eigenbau eines Senkrechtstarters

 

Physik | Technik

 

Timon Meyer, 2002 | Jona, SG
Louis Sikkema, 2001 | Wattwil, SG

 

Senkrechtstarter sind eine der schwierigsten Disziplinen der Fliegerei, da sie nicht nur die Vorteile, sondern auch die Probleme von Flugzeug und Helikopter vereinen. Diese Herausforderung hat uns dazu motiviert, für diese Arbeit ein einzigartiges Konzept eines Senkrechtstarters zu erarbeiten. Er besitzt lediglich zwei Antriebe an den Aussenflügeln, welche für den vertikalen Start 90° nach oben geneigt werden können und deren Luftstrom zur Lagesteuerung umgelenkt wird. Dadurch kann auf zusätzliche Hub- und Steuerantriebe verzichtet werden, welche mehr Gewicht, Kosten und Komplexität bedeuten würden. Da der Schwebeflug ein äusserst labiles Gleichgewicht ist, wurde auch eine Fluglagesteuerung von Grund auf selbst entwickelt und eingestellt.

Fragestellung

Das Ziel dieser Wettbewerbsarbeit ist es, einen Modell-Senkrechtstarter zu bauen. Dieser soll senkrecht starten und landen können, im Normalflug fliegen können und den Übergang zwischen den Flugzuständen beherrschen. Es gibt verschiedene Vorbilder, sowohl manntragend als auch im Modellbau, doch hier soll ein eigenständiges Konzept erarbeitet werden, bei dem Konstruktion und Steuerungssoftware von Grund auf selbst entwickelt werden.

Methodik

Im Verlauf der Arbeit wurden fünf Prototypen gebaut und die Software laufend weiterentwickelt. Die ersten beiden Prototypen waren nicht vollständig flugfähige Testträger, doch ab dem dritten Prototyp fanden Schwebetests statt. Alle Prototypen haben eine Spannweite von 1.2 m und wiegen zwischen 1 kg und 1.2 kg. Als Antrieb sind zwei Elektromotoren mit einer Leistung von je 300 W im Einsatz. Die Antriebe sind an den Flügelenden befestigt, welche für den vertikalen Start 90° nach oben geneigt werden können. Um das Konzept technisch einfach zu halten erfolgt die Steuerung in beiden Flugmodi über Differenzialschub und Klappen im Luftstrom der Antriebe.
Für die Stabilisierung wird von der Software ein PID auf die Steuerungswerte der Querruder und Motoren gerechnet. Die Software ist auch für Sicherheitsmassnahmen verantwortlich, wie zum Beispiel das Einleiten eines Failsafe-Modus bei Softwareproblemen.

Ergebnisse

Zum Zeitpunkt der Anmeldung bei SJF war an einen stabilen Schwebeflug des 4. Prototyps noch nicht zu denken. Nachdem der dritte Prototyp bereits ein halbes Jahr zuvor erste instabile Hopser gemacht hatte, wurde sehr viel Zeit in das Tuning der Fluglagesteuerung investiert. Mehrere Abstürze und Ausfälle in der Technik führten aber dazu, dass sich diese Tests über eine längere Zeit hinstreckten als geplant in Anspruch nahmen und mehrmals ein neuer Prototyp erstellt werden musste. Beim 5. Prototyp kann der Pilot bei schwachem, gleichmässigem Wind die Hand für bis zu 10 Sekunden vom Steuerknüppel nehmen und das Modell stabilisiert sich selbst.
Was den Senkrechtstarter aber ausmacht, ist der Übergang in den Normalflug. Dieser konnte bisher noch nicht getestet werden, da erst jetzt der Schwebeflug genügend stabil ist, um diese Tests durchzuführen. Es wurden jedoch schon in der Turnhalle und draussen Tests gemacht, bei denen der Flügel halb nach vorne gekippt ist und das Flugzeug machte in diesem Modus bodennahe Flüge.
Diese Tests zeigten auch die Möglichkeiten des Kurzstartverfahrens auf. Dabei befinden sich die Flügel in einer Zwischenposition und der Start kann viel energieeffizienter erfolgen, da der Schwebeflug entfällt. Gleichzeitig beträgt die Startdistanz voraussichtlich unter 50 cm in diesem Modus.

Diskussion

Das Ziel, einen Senkrechtstarter zu bauen, der das gesamte Flugspektrum abdeckt, wurde noch nicht ganz erreicht, da der Übergang noch nicht getestet wurde. Die grösste Arbeit wurde erledigt und die vielen Kleintests stimmen zuversichtlich für die endgültigen Tests, welche leider aufgrund von Zeitbegrenzungen noch nicht stattfinden konnten. Ein Sorgenbereich ist momentan noch der präzise Schwebeflug. Das Gefährt kann zwar gut mehrere Minuten stabil gehalten werden, doch zeigen sich vor allem in Bodennähe leichte Oszillationen. Sie konnten durch Verkleinerung des Spielraumes im Kippmechanismus zwar schon stark minimiert werden, doch ein Stück weit bleiben sie aufgrund der ungünstigen Masseverteilung eines Senkrechtstarters ein Problem. Dazu kommen in Bodennähe Verwirbelungen, welche mehrere Abstürze bewirkten, da sie sehr unerwartet auftreten können.

Schlussfolgerungen

Das erarbeitete Konzept erwies sich als funktionsfähig und umsetzbar. Sehr wichtig für den Erfolg dieses sehr grossen Projekts war die Arbeit zu zweit, da das Projekt so in einen Hardware- und einen Softwarebereich unterteilt werden konnte.

 

 

Würdigung durch den Experten

Andreas Reinhard

Tatsächlich verfolgten Louis Sikkema und Timon Meyer mit ihrer Arbeit einen Ansatz, der in der aviatischen VTOL-Szene (vertical takeoff & landing) weltweit nicht nur neu ist, sondern durchaus attraktive Vorteile bietet. Gleichermassen mutig wie pragmatisch bauten sie insgesamt fünf elektrisch angetriebene Modelle, deren Steuerungssoftware sie paralell mitentwickelten. Zwar gelang es ihnen knapp nicht, die Transition – den heiklen Wechsel vom Schwebe- in den Horizontalflug – „in den Kasten“ zu kriegen. Dafür beeindruckte mich umsomehr, wie schnell lernend sie nach einem Crash wieder aufstanden.

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Kantonsschule Wattwil
Lehrer: Simon Schälli