Technische Universität München Parametrischer Entwurf ... · Geometrie Maximale aerodynamische Lasten Empirisches Wissen Strukturmasse Abmessungen lasttragender Teile Torsionsbox

Technische Universität München

Praktikum Flugzeugentwurf WiSe 2013/14

Praktikum WiSe 2013/14

Parametrischer Entwurf einer elektrisch angetriebenen Modellflugzeug-Schleppmaschine


Praktikum Flugzeugentwurf WiSe 2013/14 Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme24.03.2016, Folie 1

• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt


Dr. Christian RößlerPraktikum Flugzeugentwurf WiSe 2013/14

Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme24.03.2016, Folie 2

• Motorisiertes Modellflugzeug mit lösbarer Seilanbindung kann

Segelflieger auf Flughöhe (≈ 250 m) bringen, Segler löst dann die

Seilverbindung

Modellschleppmaschine – Was ist das?



Grundidee: Modellschlepp

• Motivation:

– Alternative zu Winde, Hochstartgummi

– Spaßfaktor Flugzeug-Schlepp als Teamsport

• Einsatzgebiete:

– Vereinsflugtagen

– Wettbewerben

– Leicher Kunst-/Showflug

– Bonbon- oder Fallschirmabwurf



Requirements

• Max. Startrollstrecke = max. Landerollstrecke: 80 m

• Maximales Abfluggewicht der Schleppmaschine 5 kg

• Materialkosten pro Flugzeug unter 500 Euro

• Gut dämpfendes Fahrwerk, auch für kurz gemähte Wiese geeignet

• Transportabmessungen maximal 1,7 x 0,9 x 0,5 m

• Beförderung von 2 kg Nutzlast

– Abmessungen 25x15x15 cm

– Fallschirmspringer

• Elektrischer Antrieb

• Ansprechendes, außergewöhnliches Design



Repräsentative Schleppaufgaben

Die häufigste Schleppaufgabe:

• 4 m Semiscale/ Zweckmodell

• 5 kg Abfluggewicht

• Steiggeschwindigkeit > 5 m/s

Typischer Vertreter: Alpina 4001

Zweithäufigste Schleppaufgabe:

• 5 m Semiscale/ Zweckmodell

• 10 kg Abfluggewicht

• Steiggeschwindikeit > 2 m/s

• Typischer Vertreter: ASH-26

Für Zwischendurch:

• 2 m RES/HLG - Klasse

• 0,4 kg Abfluggewicht

• Geschwindigkeit < 10 m/s

• Typischer Vertreter: FutuRES



Missionsdiagramm



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt




Anforderungsanalyse

• Seilfreiheit

• Seilmontagepunkt nahe am Schwerpunkt

• Gutes Handling

• Kunstflugtauglichkeit

• Breites Geschwindigkeitsspektrum




Erste Konzepte




Favorisierung




Finales Konzept

Pro:• Schleppkupplung nahe am Schwerpunkt

• Hohe Seilfreiheit

• Hohe Manövrierbarkeit durch getrennte Motorsteuerung

• Innovativ

• Unnötiger Widerstand wird „abgenommen“

• Einfache Umsetzung und Kinematik eines gedämpften Fahrwerks

Contra:• Inverse Schiebe-Roll-Kopplung des Seitenleitwerks

• Viele Einzelteile

• Hohes Torsionsmoment im Mittelfügel

• Aufwendige Verkabelung




• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Struktur

Aufgaben:

• Bewertung und Festlegung der Bauweisen

• Statische Festigkeitsrechnung

• Entwicklung eines Simulationstools zur Massenberechnung

• Auslegung von Holm, Steckung und Torsionsbox



Bauweisen

• Grundgedanke: „Das geeignete Material an der richtigen Stelle“

• Mission Schleppflug:

Niedriges Gewicht hat höhere Priorität als Aerodynamik.

• Robustheit

• Günstige Fertigung

• Auswahl unterschiedlicher Bauweisen mittels Bewertungstabelle je Baugruppe



Balsa-Rippenbauweise

• Leichteste Bauweise bei geringen Lasten

• D-Box zur Aufnahme von Torsionslasten & Verbesserung der Profiltreue

• Bauraum für Servos, Anlenkungen

• Minderung des Fertigungsaufwands durch Eigenbau vom Endkunden



Sandwichschalenbauweise

• Hohe Beulstabilität

• Hohe Torsionssteifigkeit

• Bauraum für Seileinzug, Aktuatoren, Mechaniken

• Einfache Integrierbarkeit der Steckung



Hartschalenbauweise

• Hohe Torsionssteifigkeit

• Bewährte Bauweise für Rümpfe

• Bauraum für Antriebsstrang, Fahrwerk

• Symmetrie in der Leitwerksaufnahme

Günstige Fertigung bei hohen Stückzahlen



Bauweisen am Schleppmodell

Balsa-Rippenbauweise

Hartschalenbauweise

Sandwich-schalen-bauweise



GeometrieMaximale

aerodynamische Lasten

Empirisches Wissen

StrukturmasseAbmessungen

lasttragender Teile

Torsionsbox Holm Leitwerke Rümpfe

Simulationstool Strukturmasseberechnung



Parametervariation – Abstand der Rümpfe

• Starke Massenzunahme durch hohe Torsionslasten bei zunehmendem Rumpfabstand

• Rumpfabstand möglichst im Optimum wählen, mit Rücksicht auf weitere Kriterien

Stufen: höhere Dicke der Torsionslage gewählt



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Subsysteme

Aufgaben:

Konstruktion/Dimensionierung und Massenabschätzung von:

- Komponenten der Elektrik

- Fahrwerk

- Nutzlastabwurf

- Schleppkupplung



Komponenten der Elektrik



Fahrwerk

• Anforderungsprofil

• Brainstorming zu Lösungen

• Ideen skizziert und diskutiert

• Dämpfervarianten recherchiert und diskutiert

• Diverse Wirkungsweisen betrachtet

• Energiebilanz



Fahrwerk – ausgewählte Konfiguration

φ

100



Fahrwerk – Auslegung mit Simulationstool



Nutzlastabwurfbox – Die MUFUBO (Multifunktionale Box)

• Diskussion: Integrierte oder externe Montage

• extern an Tragflächenunterseite

• Entwurf einer multifunktionalen Abwurfbox (Synergieeffekte!)

• Ermöglicht Aufnahme von Nutzlast oder Fallschrimspringer

• Adaptive Seitenklappen je nachNutzung

• Auslösung eines federvorgespannten

Mechanismus durch einen Aktuator



MUFUBO - Skizze

250

15

01

50

75

DraufsichtDetail A - Auslösemechanismus

Deta

il A

Seitenansicht



Schleppkupplung

• Integration in Tragfläche

• Einfache Umsetzung

• Keine Zuglast auf Aktuator

• Geringe Fehleranfälligkeit

Schnitt Tragfläche Seitenansicht

Löse-zylinder

AktuatorFührungsrippe

Tragflächenoberseite



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Aerodynamik

Aufgaben:

• Widerstandsabschätzung / Polaren Rechnung

• Leitwerksdimensionierung

• Profilauswahl

• Festlegung der Flügelgrundriss-Tiefenverteilung

• Dimensionierung Steuerflächen, und sonstiger aerodynamischer Klappen



Widerstandsanteile

Interferenz-widerstand

(Hoerner)

Induzierter-widerstand

Fahrwerks-widerstand

(Torenbeek)

Rumpf-widerstand

(Schemensky )

Profil-widerstand (XFLR5 Quabeck)



Gleitzahlen der Segelflugzeuge



Auftriebsverteilung

Cl x

Cho

rd/

MA

C [-]

Elli

pse [-]

Halbspannweite [-]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1.2



Lokaler Auftriebsbeiwert

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Cl m

ax

[-]

Cl [

-]

Halbspannweite [-]



Profildesign

• Problem RG15:

– Geringes Ca bei kleinen Geschwindigkeiten

• Ziel:

– Steigerung von Camax.

– Verbesserung um Ca0

sowie bei negativenCa Werte

• Ergebnis:

– Neu entwickeltes Profil „Schleppi 2010“

Schleppi 2010:Klappenunterstützung

Re = 150.000

RG 15 Klappenunterstützung

Re = 150.000

Schleppi 2010:Re = 350.000

RG 15 Re = 350.000



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Aufgabenstellung

• Berechnung der Antriebsmasse

• Modellierung des Schubs

• Auswahl der einzelnen Antriebskomponenten

Definition der Zusammenhänge durch Simulations-Software

Aufbau eines Antriebsstrangs



0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3

Ma

sse

de

s M

oto

rs [

g]

Elektrische Leistung [kW]

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3

Ma

sse

de

s M

oto

rs [

g]

Elektrische Leistung [kW]

Motor: Masse pro Leistung

Datenerhebung:

Motorreihe Turnigy Aerodrive SK3

Linearer Zusammenhang:

Leistungsgewicht: 250 g/kW



Akku: Energiedichte

Existierende und theoretische Energiespeichersysteme im Überblick

Aussichtsreiche Technologien im Entwicklungsstadium oder ungeeignet

Lithium-Polymer-Akku (LiPo)

Energiedichte: 135 Wh/kg

Ener

gied

ich

te [

Wh

/kg]

Ener

gied

ich

te [

Wh

/kg]

Ener

gied

ich

te [

Wh

/kg]

Ener

gied

ich

te [

Wh

/kg]



• Regler: ca 85 g

• Luftschraube CFK ca 60 g

• Luftschraube Holz ca 75 g

Luftschraube und Motorregler: Masse



Aus JavaProp:

Wirkungsgrad als Matrix über Fortschrittsgrad und Verhältnis Steigung-zu-Durchmesser

Simulations-Programm:

direkter Zugriff auf die Rohdaten

Propellerwirkungsgrad



Schubmodell

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Sch

ub

kra

ft [N

]

Anströmgeschwindigkeit [m/s]

Sta

nd

sch

u

Sch

ub

bei h

öh

ere

n

Gesc

hw

ind

igkeiten



GeschwindigkeitMaximale

WellenleistungEnergiebedarf

Größe der Luftschraube

Masse des Antriebs

Schubkraft

MatLab und die „Blackbox“ Antrieb



Konfigurationen

693 Preis [€] 153

1372 Masse [g] 1412

2 x 1100 Leistung [W] 2 x 1300

• 16x8 APC Electric E

• Hacker A40-12L-14P-V2

• Kontronik KOBY 55 LV

• 2x ROCKAMP classic 35C

• Turnigy APC Propeller 16x8R

• Turnigy Aerodrive SK3 - 4250-410kv Brushless Outrunner Motor

• Turnigy Plush 60amp Speed Controller

• Turnigy 1800mAh 6S 40C LiPo

High-End Low-Cost



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Aufgabenstellung

• Missionssimulation

• Erstellung eines Optimierungsprogrammes

• Zusammenführung der Optimierungstools sämtlicher Abteilungen

• Parametervariation zur Energieminimierung

• Einhaltung der Requirements





Missionsberechnung: Allgemeines

• Annahmen und Vorraussetzungen

– Flug bis Ausklinken mit max. elektrischer Leistung

– Weg und Geschwindigkeit werden numerisch integriert

– Für Energie und Stallgeschwindigkeit wurden Reserven eingeplant

Startbahnlänge(max. 80m)

Landebahnlänge(max. 80m)

Hindernishöhe(5m)

Missionshöhe (250m)



Missionsberechnung: Startvorgang

• Phasen

– Anrollen

– Rotation am Boden

– Steigflug auf Hindernishöhe

– Beschleunigung auf Endgeschwindigkeit

– Steigflug auf Ausklinkhöhe



Hindernishöhe(5m)




Missionsberechnung: Abstieg und Landung

• Ausklinken, antriebloser Sinkflug und Landung

– Geht nicht in die Energieberechnung ein

– Überprüfung Landebahnlänge

– Gleiten ab 5m Höhe angenommen, reale Länge daher deutlich kürzer



Hindernishöhe(5m)




Fazit: So klein wie möglich bauen (Masseneinsparung)



Fazit: So kurze Flügel wie möglich bauen (Masseneinsparung)



Fazit: Optimum bei ca. 20 m/s (resultiert aus Widerstand und Flugzeit)



Fazit: Leistung in diesem kleinen betrachteten Bereich einflussarmer Parameter



0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

5

10

15

20

25

30

Fluggeschwindigkeit in m/s

Gle

itzah

l

Gleitpolare

RES

Allround

Scale

Schlepper

Schlepper mit Klappen

Vergleich der Schlepper- und Seglerpolaren



Ergebnisse

• Minimale Energie: 67 Wh

• Schleppermasse: 3.723 kg

• Flügelfläche: 0.65 m²

• Streckung: 9

• Geschwindigkeit: 20 m/s

• Leistung: 1800 W

• Bestes Profil: „Schleppi 1020“

Quelle: CAD-Gruppe



Gesamtmissionsdiagramm



Massenanteile

• Massenanteile der verschiedenen Systemkomponenten

• Systemmasse (Servos etc.) konstant angenommen (unbeeinflusst von Parametervariation)

1,28 kg

0,6 kg0,87 kg

0,61 kg

0,36 kg

Struktur

Batterie

Antrieb

Systeme

Fahrwerk

10%

23%

16%

16%

35%

Gesamtmasse: 3,72kg



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Abteilung CAD - Parametrischer Modellaufbau mit Catia

Aufgaben:

• Erstellen der CAD-Zeichnungen• „Virtueller“ Zusammenbau – Assembly• Abschätzen des Schwerpunkts



Parametrischer Modellaufbau - Vorgehen

• Veränderliche Maße in Parametern festhalten

• Eigenes Achsensystem für jedes Part

• Skizzen auf Variablen Ursprung aufbauen -> Erleichterte Positionierung im Assembly



• Modellierung der infrage kommenden Komponenten mit Masse

• Modellierung des Modells mithilfe zuvor abgeschätzter Maße

• Anordnung der Komponenten im Assembly

=> Bestimmung des aktuellen Schwerpunkts

Parametrischer Modellaufbau -Schwerpunktabschätzung



Parametrischer Modellaufbau -Schwerpunktbestimmung



Parametrischer Modellaufbau -Schwerpunktbestimmung



Parametrischer Modellaufbau – Modellierung des endgültigen Modells




• Abmessungen durch Ergebnisse der Optimierung

• Profil mithilfe Excel Makro: Punkte des DAT-Files in Catia -> Spline

• Maße auf Komponenten abstimmen

• Komponenten platzieren

• Optisch ansprechende Übergänge schaffen









Nächste Schritte:

• Anbindung Fahrwerk-Rumpf

• Befestigung Leitwerk

• Ableiten des Rippensatzes

• Erstellen der Formen für Rumpf und Mittelfläche




• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



Aufgaben

• Kosten überwachen: Materialkosten unter 500€

• Einsparpotenziale aufdecken

• Zu Kostenbewusstsein anhalten

http://www.darkgovernment.com/news/wp-content/uploads/2012/11/plane-cash.jpg



Kostenverteilung

Antrieb

Struktur

Systeme

Fahrwerk

Diverses

202,20 €36%

171,25 €29%

122,00 €21%

52,60 €9%

30,00 €5%



Kostenaufstellung (vereinfacht)

Abteilung Komponenten Gesamt

Antrieb 2x Propeller inkl. Spinner u. Mitnehmer 10,68 €

2x Regler 50,78 €

2x Motor 1300W 53,00 €

LiPo - 3Ah - 3s 87,76 €

Systeme Empfänger 50,00 €

Servos 45,00 €

Fahrwerk Gesamt 52,60 €

Struktur Flügel (innen) 61,25 €

2 Leitwerke 20,00 €

2 Flügel (außen) aus Holz 40,00 €

2 Rümpfe (CFK, AFK (Aramid)) 30,00 €

Kleinteile Gesamt 77,00 €

GESAMT 578,07 €



Schlussfolgerungen

• Sehr ambitioniertes Kostenziel konnte nicht erreicht werden

– Jedoch sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis erzielt

• Hochauftriebssysteme könnten Flügelfläche und damit unter Umständen die Strukturkosten verkleinern

• Ausschließlich Materialkosten betrachtet – Produktion und Zusammenbau nicht berücksichtigt



• Einleitung

• Konzeptfindung

• Abteilungen

– Struktur

– Systeme

– Aerodynamik

– Antrieb

– Simulation

– CAD

– Finanzen

• Zusammenfassung

Inhalt



• Max. Startrollstrecke = max. Landerollstrecke: 80 m

• Maximales Abfluggewicht der Schleppmaschine 5 kg

• Materialkosten pro Flugzeug unter 500 Euro

• Gut dämpfendes Fahrwerk, auch für kurz gemähte Wiese geeignet

• Transportabmessungen maximal 1,7 x 0,9 x 0,5 m

• Beförderung von 2 kg Nutzlast

– Abmessungen 25x15x15 cm

– Fallschirmspringer

• Elektrischer Antrieb

• Ansprechendes, außergewöhnliches Design

Requirements - Check

3,72 kg

MUFUBO

580 €

1 x 0,8 x 0,4 m



Lessons Learned

• Kennenlernen des Flugzeugentwicklungsprozesses

• Konservativere Zeitplanung

• Kommunikation zwischen den Abteilungen ist extrem wichtig!

• Abteilungsübergreifendes Verständnis fördern

• Stemmen großer Aufgaben nur im Team möglich



Old Schlepperhand

Technische Daten:

Spannweite: 2420mm

Rumpflänge: 1414mm

Fluggewicht: 3723g

Flächeninhalt: 66,29 dm2

Profil: Schleppi 1020

Streckung: 9

Großer Freiwinkel - auch für Schleppanfänger bestens geeignet

Multifunktionsbox - Alles kommt nach oben mit geringstmöglicher Masse und

Widerstand

Gut gedämpftes großes Fahrwerk - Startet auch auf groben Graspisten effizient mit

großen Propellerdurchmessern

Differenzielle Motoransteuerung - für die ultimative Showeinlage


Max MustermannKurztitel Vortrag

Stand: Januar 2014Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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