Verlängerung eines Gleitflugs mit Zusatzantrieb

[Dierk]

Hallo,

 

Angenommen ein Fluggerät habe eine Gleitzahl von 10 (ohne Motor).

 

Wenn nun mit einem Antrieb Leistung generiert wird, und so getan wird, als sei der Antrieb Teil des Systems, wie ändert sich dann die Gleitzahl (unter der Annahme, die Leistung sei so schwach, dass ein Halten der Höhe oder ein Steigen nicht möglich ist). Oder anders: wie hoch muss die Leistung sein, damit die Höhe gerade gehalten (die Gleitzahl also unendlich) wird?

 

Wenn ich mir mal dieses Fluggerät anschaue:

 

https://youtu.be/zzx4SU_VikU

 

Unter der Annahme, der Pilot wiegt 75 kg, das Velo mit Propeller und der Schirm wiegen zusammen 25 kg, dann wäre die Systemmasse 100 kg. Wenn das Ding mit 45 km/h fliegt und eine Gleitzahl von 10 hat, dann würde es ohne Antrieb in der Minute 750 m geradeaus fliegen und dabei 75 m sinken. Theoretisch müsste also, um nicht zu sinken, pro Minute eine Energiemenge zugeführt werden, die der Lageenergie von 100 kg in 75 m Höhe entspricht. Das wäre dann (100 kg * 75 m * 9.81 m/s^2)/60 s = 1,226.25 Watt (wenn der Wirkungsgrad des Antriebssysteme inklusive Propeller 100 % wäre).

 

Um die Gleitzahl zu verdoppeln müsste eine Last von 100 kg um 37.5 m angehoben werden, es wäre also noch die Hälfte der obigen Leistung fällig. Ein Profiradfahrer auf Tour de France-Niveau kann bestenfalls 500 Watt über eine Stunde leisten. Damit würde sich die Gleitzahl immerhin von 10 auf 16,88 verbessern... Ohne den zusätzlichen parasitären Wiederstand des Velos gerechnet.

 

Möglicherweise würde man aber mit einem Gleitschirm eine Gleitzahl von 10 ohnehin nur mit den Körper im Sack und nicht aufrecht mit angehängtem Velo erreichen.

 

Bei Segelflugzeugen mit Gleitzahlen von 60 sieht es natürlich viel günstiger aus. Eigentlich könnte man da doch einen muskelkraftgetriebenen Antrieb einbauen?

 

Edit: ah, sehe gerade es geht nicht. Systemmasse wäre viel höher, und wenn das Segelflugzeug seine Gleitzahl von 60 bei 100 km/h erreicht, dann sinkt es auch 27 m pro Minute. Daher aufgrund der mehr als doppelt so hohen Systemmasse sogar ungünstiger...

Bearbeitet 8. Oktober 2016 von Dierk

[Chipart]

Edit: ah, sehe gerade es geht nicht. Systemmasse wäre viel höher, und wenn das Segelflugzeug seine Gleitzahl von 60 bei 100 km/h erreicht, dann sinkt es auch 27 m pro Minute. Daher aufgrund der mehr als doppelt so hohen Systemmasse sogar ungünstiger...

 

 

Genau: Auch wenn Deine Rechnung richtig ist, klappt das auf Grund des hohen Gewichts und der relativ hohen Geschwindigkeit für bestes Gleiten nicht mit einem Segelflugzeug. Hinzu kommt ja auch noch der Eigenwiderstand des Antriebssystems, der umso höher ist, je schneller man fliegt.

 

Muskelkraftgetriebene Flugzeuge sind deswegen deutlich langsamer und haben eine relativ schlechte Gleitzahl.

 

Florian

[Volume]

Du kannst einfacher rechnen, Die Gleitzahl ist das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, und dein Gewicht ist Wurzel(auftrieb² + widerstand²), damit kannst du die Gleichung nach dem Widerstand auflösen, dein Leistungsbedarf ist dann Geschwindigkeit mal Widerstand.

Langsam Fliegen ist einfacher als widerstandsarm fliegen (einfach Flächenbelastung runterbringen), der Schlüssel zu wenig Energie ist daher vor allem wenig Gewicht. Wie Florian schon sagt, sind Muskelkraftflugzeuge deshalb filigrane Riesen.

 

In erster Näherung (Sinus = Tangens...) ist die Gleitzahl auch das Verhältnis von Vorwärts- zu Sinkgeschwindigkeit. So vereinfacht betrachtet verschiebt Leistung deine Polare parallel aufwärts.

Die Flächenbelastung streckt deine Polare um den Nullpunkt (die Gleitzahl bleibt näherungsweise gleich).

 

Hochleistungssegelflugzeuge sind in der Regel nicht eine optimale Basis für energiearmes Fliegen, den hohe Streckung geht nur mit wenig Flügeltiefe, also mit hoher Flächenbelastung, da die Spannweite begrenzt ist. Gerade wenn man langsam fliegt, wird die Steuerbarkeit in Kurven dann schnell kritisch, weil der Innenflügel dann wirklich langsam wird.

 

Gruß

Ralf

[Dierk]

Wenn Gewicht das Hauptproblem ist, müsste man Ansätze aus dem "Leichter als Luft"-Bereich mit "schwerer als Luft" kombinieren.

 

Z.B. gibt es aufblasbare Flügel.

 

https://youtu.be/C6CvycZux0E

 

Aber warum mit Luft aufblasen? Vorausgesetzt, das Gewebe ist so stark, dass es ein Bar Druck aushält, könnte man auf den Druckausgleich beim Höhengewinn (Ablassen, damit das Ding nicht platzt) verzichten und den Flügel vor dem Start ähnlich wie ein Fahrradreifen mit Helium aufpumpen. Bzw. das Helium immer drin lassen, ist schließlich teuer.

 

Das würde auch Hangarkosten sparen, wenn der Flieger ganz ohne Lift an der Hangardecke schwebt und man ihn mit einem Seil einfach herunterziehen kann :lol:

 

Es gibt ja diese HPPE-Fasern (z.B. Dyneema in Schnüren und Geweben), die sind ziemlich kräftig, allerdings bräuchte es noch eine Abdichtung...

 

Interessant ist die aufblasbare Flügel-Idee auch für den Wintersport. Man kann z.B. auf diese Weise als Skifahrer bei Schneemangel einfach die schneelosen Bereiche überspringen. Das dürfte Otto Lilienthal's Traum gewesen sein ;-)

 

https://youtu.be/gVTA-qLgevQ

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von Dierk

[PeterH]

Warum mit Helium aktiv aufblasen? Geht doch mit der anströmenden Luft viel einfacher:

Jeder Matratzenschirm oder Paragleitschirm bekommt sein Profil dadurch, daß er vorne Öffnungen hat, die ihn "aufblasen". Und bei vielen Drachenfliegern sind vorne ein, zwei mehr oder weniger große Löcher, in die Luft strömt und wegen der Umwandlung der kinetischen Energie in Druck (mal Volumen, da potentielle Energie pro Volumen = Druck) das Profil bildet. Und man kann nochwas erreichen, wenn man die Öffnungen passend anordnet: Das Profil wölbt sich beim Langsamflug stärker, was natürlich sehr nützlich ist.

 

Flexible Profile werden also schon lange eingesetzt.

 

Gruß

Peter

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von PeterH

[Dierk]

Wenn das Fluggerät einen Teil seines Auftriebs nicht aerodynamisch generieren muss, wird der induzierte Widerstand abnehmen und sich die Gleitzahl ganz ohne Kraft/Energieaufwendung verbessern... Das war die Idee. Es muss ja nicht gleich ein Luftschiff werden.

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von Dierk

[PeterH]

Das Ding wird aber doch ziemlich groß, wenn's nenneswerten Auftrieb liefern soll: Sebst Wasserstoff trägt ja nur rund 1 kg pro Kubikmeter und Helium ist da noch deutlich schlechter...

 

Gruß

Peter

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von PeterH

[Dierk]

Wirklich so deutlich schlechter?

 

Bin jetzt kein Ballonfahrer, aber aus Wiki:

 

"Mit einem Kubikmeter Wasserstoff lässt sich ein statischer Auftrieb von 1,203 kg, mit einem Kubikmeter Helium ein Auftrieb von 1,1145 kg erzeugen; diese Werte gelten jedoch nur unter Normalbedingungen."

 

https://de.wikipedia.org/wiki/Traggas?wprov=sfta1

 

Der Unterschied ist nur 8 %

 

Aber stimmt, es braucht schon Volumen.

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von Dierk

[Chipart]

Geht doch mit der anströmenden Luft viel einfacher:

Jeder Matratzenschirm oder Paragleitschirm bekommt sein Profil dadurch, daß er vorne Öffnungen hat, die ihn "aufblasen". Und bei vielen Drachenfliegern sind vorne ein, zwei mehr oder weniger große Löcher, in die Luft strömt und wegen der Umwandlung der kinetischen Energie in Druck (mal Volumen, da potentielle Energie pro Volumen = Druck) das Profil bildet...

 

Schon - aber diese Arten der "Aufblasmechanismen" erzeugen natürlich gleichzeitig wieder Widerstand, der dem hier verfolgten Ziel, das Fluggerät mit möglichst wenig Energiezufuhr in der Luft zu halten entgegen wirkt...

 

Florian

[DaMane]

Wenn Gewicht das Hauptproblem ist, müsste man Ansätze aus dem "Leichter als Luft"-Bereich mit "schwerer als Luft" kombinieren.

 

Z.B. gibt es aufblasbare Flügel.

 

.................

Rein vom Gefühl her würde ich sagen, daß ein aufblasbarer Flügel, um sich an der Gesamt-Auftriebserzeugung spürbar zu beteiligen, ein so großes Volumen haben müßte, daß er viel zuviel parasitären Widerstand  erzeugen würde.

 

Gruß

Manfred

[Volume]

sowas hat es alles schon gegeben.

http://fly.historicwings.com/2013/03/the-inflatable-plane/

 

Je hydrostatischer das Gerät, desto schwerer wird es natürlich zu steuern.

 

Gruß

Ralf

[DaMane]

sowas hat es alles schon gegeben.

...............

Gruß

Ralf

Ja klar. Und daß es dabei geblieben ist, muß handfeste physikalische Gründe haben :)

 

Gruß

Manfred

[Lausig]

Hochleistungssegelflugzeuge sind in der Regel nicht eine optimale Basis für energiearmes Fliegen, den hohe Streckung geht nur mit wenig Flügeltiefe, also mit hoher Flächenbelastung, da die Spannweite begrenzt ist. Gerade wenn man langsam fliegt, wird die Steuerbarkeit in Kurven dann schnell kritisch, weil der Innenflügel dann wirklich langsam wird.

Das ist auch der Grund, weshalb Solar Impulse Kurven normalerweise mit lediglich 5° Querlage fliegt - 10° ist das Maximum und bei 15° könnte die Kurve nur mit der verfügbaren Muskelkraft gar nicht mehr ausgeleitet werden. Auch im normalen Bereich fliegt die Kreis-innere Flügelspitze fast rückwärts.  :D

 

(Die Zahlenwerte sind näherungsweise, aus meiner Erinnerung.)

[Hans Tobolla]

So sehe ich das:

 

Um ein reines Flächenfluggerät mit einer möglichst geringen Energiezufuhr  in der Luft zuhalten sollte  es bei einem antriebslosen stationären Gleitflug eine möglichst geringe Sinkgeschwindigkeit haben.
Dazu sollte der Gesamtwiderstand es Fluggeräts möglichst gering sein, denn je höher der Gesamtwiderstand ist, desto mehr muss die Flugbahn nach unten geneigt sein, um durch eine Komponente der Schwerkraft  den Gesamtwiderstand auszugleichen, was zu einer höheren Sinkgeschwindigkeit führt. Für eine geringe Sinkgeschwindigkeit ist natürlich auch eine geringe TAS nützlich.  Neben  möglichst  geringen Reibungs- und parasitären Widerständen muss natürlich auch der induzierte Widerstand  durch die üblichen Maßnahmen  möglichst gering gehalten werden, durch eine  hohe Spannweite und ein  geringes Gewicht.  Das alles unter einen Hut zu bringen, ist für den Konstrukteur  keine einfache Sache.
 

Gruß!

Hans

Bearbeitet 18. Oktober 2016 von Hans Tobolla

[Hans Tobolla]

Das ist auch der Grund, weshalb Solar Impulse Kurven normalerweise mit lediglich 5° Querlage fliegt - 10° ist das Maximum und bei 15° könnte die Kurve nur mit der verfügbaren Muskelkraft gar nicht mehr ausgeleitet werden. Auch im normalen Bereich fliegt die Kreis-innere Flügelspitze fast rückwärts.  :D

 

(Die Zahlenwerte sind näherungsweise, aus meiner Erinnerung.)

 

 

Fast  rückwärts?  Das ist übertrieben, jedoch ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der inneren Flügelspitze und der äußeren Flügelspitze erheblich. Eine annähernde Berechnung:

 

Geschwindigkeit v  = 70 km/h = 19,44 m/s,   Spannweite b =  63,4 m,  Querlage phi = 10°,

 

damit berechne ich die Winkelgeschwindigkeit  Omega:

 

Omega  =  tan phi * g/v.   Mein Ergebnis ist 0,088 Rad/s, jetzt brauche ich noch den  Kurvenradius:

 

r = v/Omega, das ergibt 220,9 m.     Näherungsweise bewegt sich die  kurveninnere Flügelspitze auf einer Bahn mit dem Radius r innen  220,9m – 31,7m =  189,2 m, für die äußere Flügelspitze beträgt der Radius r außen  dann 252,6 m.

 

v innen =  Omega *r innen,  das Ergebnis beträgt  16,64 m/s  oder 59.9 km/h für die innere Flügelspitze. Für die äußere Flügelspitze beträgt der Wert 80 km/h.

 

Die kurvenäußere Tragfläche liefert also erheblich mehr Auftrieb als die kurveninnere.  Ich vermute,  dass man eine  Querlage von 10° schon ordentlich abstützen muss. Also besser mit so wenig Querlage wie möglich kurven.

 

Falls etwas nicht stimmt, bitte ich um Nachsicht und um eine  Richtigstellung.

 

Gruß!

Hans

[Volume]

Um ein reines Flächenfluggerät mit einer möglichst geringen Energiezufuhr  in der Luft zuhalten sollte  es bei einem antriebslosen stationären Gleitflug eine möglichst geringe Sinkgeschwindigkeit haben.

Dazu sollte der Gesamtwiderstand es Fluggeräts möglichst gering sein, denn je höher der Gesamtwiderstand ist, desto mehr muss die Flugbahn nach unten geneigt sein, um durch eine Komponente der Schwerkraft  den Gesamtwiderstand auszugleichen, was zu einer höheren Sinkgeschwindigkeit führt.

Hmnjanunja... fast.

Wenig Sinkgeschwindigkeit ist natürlich immer gut, aber wenig Gewicht natürlich auch. Dein Leistungsbedarf ist ja wahlweise Gewicht mal Sinkgeschwindigkeit oder Widerstand mal Vorwärtsgeschwindigkeit. Bei halben Gewicht kann man also gut mit 50% mehr Sinkgeschwindigkeit leben.

 

Für eine geringe Sinkgeschwindigkeit ist natürlich auch eine geringe TAS nützlich.

Und die wiederum geht am besten mit wenig Gewicht. Das ist eigentlich das A und O, extrem leicht bauen, selbst wenn es etwas Widerstand kostet. Zum Beispiel durch einen etwas dickeren oder abgestrebten/abespannten Flügel.

 

Damit wird so ein Gerät natürlich nicht gerade praxistauglich. Denn wer will schon langsamer fliegen als er mit dem Fahrad fahren kann. Und natürlich wird die Steuerbarkeit dann zur echten Spaßbremse.

 

Gruß

Ralf

[Hans Tobolla]

Wenn der Leistungsbedarf gering sein soll, ist ein geringes Gewicht besonders wichtig, weil der Leistungsbedarf proportional mit der Flugmasse  ansteigt.  Aber ein  abgestrebter /abgespannter Flügel  ist  für einen geringen Leistungsbedarf sicher nicht günstig.

 

Ich war gestern in der Flugwerft Oberschleißheim. Dort ist die Musculair 2 ausgestellt. 

 

http://www.deutsches-museum.de/information/jugend-im-museum/erfinderpfad/luftverkehr/musculair-ii/

 

http://www.deutsches-museum.de/flugwerft/sammlungen/propellerflugzeuge/musculair-2/

 

Die Tragfläche ähnelt der eines modernen Segelflugzeugs.  

 

Gruß!

Hans

Bearbeitet 23. Oktober 2016 von Hans Tobolla

[Hans Tobolla]

Wenn man bei vergleichbaren Geschwindigkeiten den   Leistungsbedarf auf die Flugmasse bezieht,  bekommt man ein Maß für die aerodynamische Güte des Fluggerätes.  Beim Musculair 2 komme ich auf ca. 3W/kg,  beim Gleitschirm sind es ca. 9W/kg. Neben dem Gewicht hat also auch die aerodynamische Güte des Fluggerätes einen erheblichen Einfluss auf den Leistungsbedarf.
 

Gruß!
Hans

[Volume]

Die Musculair, insbesondere aber der Daedalos ist schon deutlich filigraner aufgebaut als ein modernes Segelflugzeug.

Gerade die bespannte Rippenbauweise des Daedalos ist aerodynamisch signifikant schlechter, als eine Schalenbauweise, aber eben auch deutlich leichter.

Viele Muskelkraftflugzeuge benutzen nicht mal Laminarprofile, steigern das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand mehr durch hohe Auftriebs-, als durch geringe Widerstandsbeiwerte.

Das hier zum Beispiel. (Eppler E397 human powered aircraft airfoil)

Bei einer Reynoldszahl von 1 Million kommt es nicht unter ein Cw von 0.01, selbst ein Olles NACA 64(3)618 (Ka 6 E) kommt da auf unter 0.007.

 

Das Geheimnis von Muskelkraftflugzeugen ist: leicht und langsam. Dabei natürlich aerodynamisch so gut wie vertretbar.

Moderne Wettbewerbssegelfluge werden exakt auf das Gegenteil optimiert: Hohe Vorfluggeschwindigkeit und große Wasserballasttanks. Was nicht zuletzt eine Folge der Wettbewerbsformel ist, Wettbewerbe werden an guten, schnellen Tagen entschieden, nicht an denen bei denen man ums Heimkommen kämpfen muss. Darauf optimieren natürlich auch die Hersteller. Von daher sind moderne Segelflugzeuge keine gute Basis für Muskelkraftflugzeuge.

 

Neben dem Gewicht hat also auch die aerodynamische Güte des Fluggerätes einen erheblichen Einfluss auf den Leistungsbedarf.

Ohne Frage. Nur machst du ein Flugzeug einfacher 50% leichter, als aerodynamisch 50% besser.

Und Gewicht hilft dir zweimal, einmal musst du es weniger tragen, und dann wirst du auch noch langsamer, was beides den Leistungsbedarf reduziert.

Bei aerodynamischer Güte musst du immer die Ballance zwischen Auftrieb und Widerstand hinbekommen, und die Profile sind heute bereits so gut, dass du praktisch immer nur das eine zu Lasten des anderen optimieren kannst, du kannst es also auf bestimmte Einsatzbereiche optimieren, aber nicht "generell besser machen". Generell leichter zu werden ist einfacher, auch wenn das natürlich zu lasten der Aerodynamik, und insbesondere zu Lasten der Alltagstauglichkeit geht.

 

Nicht umsonst sieht man Muskelkraftflugzeuge bevorzugt in Museen, und nicht auf den Flugplätzen dieser Welt.

 

Gruß

Ralf

[Hans Tobolla]

Für das Segelflugzeug DG 800 (18m Spannweite, geringstes Sinken, max. Flächenbelastung) habe ich ca. 4,9 Watt/kg Flugmasse ermittelt.  Nanu, dachte ich im ersten Moment, die DG 800 ist ja aerodynamisch um einiges schlechter als die Musculair 2.mit ca. 3W/kg.

Das ist sicher nicht so,  denn die DG 800 fliegt bei geringstem Sinken doppelt so schnell wie die Musculair 2, 

 

Gruß!
Hans

 

 

[Hans Tobolla]

 

 

Nicht umsonst sieht man Muskelkraftflugzeuge bevorzugt in Museen, und nicht auf den Flugplätzen dieser Welt.

 

 

 

Ja, leider, weil man einem dynamischen Auftrieb nicht leistungslos erreichen kann.

Für ein garagentaugliches  muskelangetriebenes  Fluggerät hat ein Mensch viel zu wenig Muskel-PS:

 

Die Luftstrahlleistung  vom senkrechten Anteil des Abwindes  steigt linear mit dem Luftdurchsatz  (kg/s)  und quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit  (m/s) des Luftstrahles.   Für eine möglichst geringe Leistung, die der Mensch per Muskelkraft erbringen muss,  sollte die Strömungsgeschwindigkeit möglichst niedrig sein. Um aber den erforderlichen Auftrieb zu bekommen, muss dafür  der Luftdurchsatz stark erhöht werden.    Viel Luft bei niedriger Geschwindigkeit einzufangen, das  geht nur mit einem  großen, langsam fliegenden  Luftfahrgerät.

 

Mit  genügend PS ist Garagentauglichkeit natürlich  kein Problem:

http://www.golem.de/news/duesenrucksack-das-jetpack-hebt-ab-1502-112559.html

 

Gruß!

Hans

[PeterH]

Ich fand gerade noch eine frisch zertifizierte  Methode, den Gleitweg zu verlängern (EASA September 2016, Ergänzende Musterzulassung STC für den Einbau des PSR T01 Triebwerks in die ASW20):

 

Ein ausfahrbares Turbinentriebwerk (Draline PSR Jet, konstruktiv eine etwas vergrößerte Modellturbine mit entsprechendem "Wirkungsgrad").

Schub 18kp (23kp für max. 5 Minuten), Verbrauch nur  :lol:  0.5 kg Kerosin pro Minute

Es gibt auch ein 40kp-Triebwerk, das ist aber nur für Segler bei denen der Rumpf lang genug ist (damit die Seitenflosse nicht ankokelt).

 

Klasse: Naturkonformes Segelfliegen und ein Nottriebwerk, das 30 kg Kerosin pro Stunde in die Umwelt bläst - ein Rotax 912S verbraucht mit passendem Propeller für 140kp Standschub 20 Liter Benzin pro Stunde... na, dafür macht der Jet immerhin auch mehr Krach...

 

EDIT: Was ist denn so schlecht an einem klassischen Klapptriebwerk mit Kolbenmotor? :huh:

 

Gruß

Peter

Bearbeitet 26. Oktober 2016 von PeterH

[Volume]

Für ein garagentaugliches  muskelangetriebenes  Fluggerät hat ein Mensch viel zu wenig Muskel-PS:

Für mehr als ein paar Versuchsflüge unter idealbedingungen hat ein Mensch einfach zu wenig PS, und vor allem eine zu geringe Dauerleistung...

 

 

Was ist denn so schlecht an einem klassischen Klapptriebwerk mit Kolbenmotor?

Die unterirdische Zuverlässigkeit?

(zum Großteil wohl auf die nicht-idiotensichere Bedienung und die Existenz ebensolcher Bediener zurückzuführen...)

Guck dir mal die Unfallstatistik von Klapptriebwerklern an. Guck dir mal das Verhältnis von Werkstatt- zu Flugstunden an.

 

Gruß

Ralf