Für Freunde, die das Besondere lieben!

Wer als Freund von größeren Scale-Seglern nicht gerade GPS-Ambitionen hegt und lieber ein geruhsameres Segelflugmodell mit dem Charme ästhetischer und unverwechselbarer Formen hätte, dem wird mein Fliegerfreund Willi Helpenstein (HKM) noch in diesem Jahr mit einem Modell im Maßstab 1:2,5 der MÜ 31, konstruiert und gebaut von der Akaflieg München, ein besonderes bajuwarisches Schmankerl anbieten. Es  soll sozusagen das Sahnehäubchen auf seinen erfolgreichen ASW 27-, ASW 28-, ASH 31- und AS 33-Großseglern werden.

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Charakteristische Eigenschaften des Originals

Bei der Geschwindigkeit, mit der heutzutage neue Segelflugzeuge in allen FAI-Klassen von verschiedenen Herstellern förmlich über Nacht wie Pilze aus dem Boden wachsen und wir Modellflieger mit Scale-Nachbauten kaum hinterherkommen, scheint die Entwicklung der MÜ 31 vom Ende der 90er Jahre bis zum  Erstflug  am 15. September 2017 in Königsdorf geradezu schneckenhaft gemächlich. Die grundsätzliche aerodynamische Zielsetzung für diesen Forschungssegler, nämlich eine deutliche Reduktion des Interferenzwiderstandes von Tragfläche und Rumpf, ist immer eine besondere konstruktive Aufgabe für jedes Segelflugzeug, wurde aber bei der MÜ 31 paradigmatisch in Angriff genommen:

1. Die Schulterdecker-Konfiguration der Tragfläche mit durchgehender Flächenoberseite sorgt dafür, dass es hauptsächlich nur auf der Unterseite des Flügels zu Interferenzwiderständen kommen kann. Sie sorgt dafür, dass der Strömungsnachlauf der Tragfläche oberhalb des hinteren Rumpfes verläuft und verhindert so schädliche Reibungswiderstände.

2. Im Bereich des Rumpfes erhielt die Fläche eine Aufschränkung bis zu 3° in der Rumpfmitte. Dies erforderte auch einen Profilstrak hin zu einem relativ dicken Profil. Diese Profilierung im  Rumpfbereich soll für eine möglichst elliptische Auftriebsverteilung mit geringem induziertem Widerstand über die ganze Tragfläche sorgen. Dagegen führt die Auftriebsverteilung bei anderen Konfigurationen im Rumpfbereich meist zu Auftriebsverlusten und höheren Widerständen.

3. Die starke Einschnürung des Rumpfes, die schon am Flächenanfang beginnt, sorgt dafür, dass die Tragfläche auf einer Art Pylon sitzt, der sich zum Flächenende hin zuspitzt, was wiederum der Verringerung des Interferenzwiderstandes zugute kommen soll.

Im Jahr 2005 konnten die Vorteile dieses Konzeptes mittels eines Modells im Windkanal an der Uni Delft/NL bei wiederholten Messungen verifiziert werden.

Für den Bau des Seglers ab 2008  wurden zum großen Teil, außer im rumpfnahen Flächenbereich, Teile der ASW 27 von Alexander Schleicher Segelflugzeugbau  verwendet: vorderer Rumpf, Leitwerk und Flächenaußenteile.

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Konstruktion des MÜ 31-Modells für HKM

Der grandiose Einfall, ein Modell der MÜ 31 im Maßstab 1:2,5 zu bauen, ist Willi und seinem Freund Ingo v.d.F. wohl bei einem Feierabendbierchen (oder auch zwei?) gekommen. Als sie darüber fachsimpelten, was als nächstes Projekt, nun, da die neue AS 33-HKM in Produktion und Markt gut angelaufen ist, wohl künftig unter Einbeziehung bestehender Ressourcen für das HKM-Portfolio am ehesten infrage käme, müssen sie auf das noch relativ neue  Segelflugzeug der Münchener Akaflieg gekommen sein.

Zu Rumpf und Leitwerk

Da dieses Fluggerät weitgehend Komponenten der ASW 27 von Alexander Schleicher verwendet und bis auf die bereits oben erwähnte Änderungen zu Forschungszwecken mit dieser identisch ist, bot sich für das Modell an, das vordere Rumpteil der ASW 28-HKM und das Leitwerk der AS 33-HKM zu verwenden. Für beide sind ja die Formen verfügbar, nur das Rumpfteil zwischen Flächenanfang und Leitwerk war neu zu gestalten.

Das Leitwerk der AS 33 ist im Original mit dem der ASW 27 nahezu identtisch. Meine Nachrechnungen der statischen Längsstabilität für das AS 33-Modell hatten aber ergeben, dass eine moderate Vergrößerung des Höhenleitwerks beim Modell mit seinen ungünstigeren Strömungsverhältnissen am HLW, vor allem im Langsamflug, erforderlich war, um stabil fliegen zu können. Auch das Seitenleitwerk wurde optisch unmerklich vergrößert. Diese Änderungen am Leitwerk sind sicher auch von erheblichem Vorteil für die Flugstabilität des MÜ 31-Modells.

Zu den besoderen Charakteistika des Modelldesigns

Einen Eindruck des von mir anhand von Unterlagen der Akaflieg Mü und unter Berücksichtigung modellseitig erforderlicher aerodynamischer Änderungen entworfenen MÜ 31-Modells liefert die linksseitig zu sehende 3-Seitenansicht. Zu erwähnen ist hier noch, dass die Winglets der MÜ 31 wohl gegenüber denen der ASW 27 etwas vergrößert wurden. Da keine Unterlagen hierfür zu bekommen waren, habe ich sie hinsichtlich ihrer aerodynamischen Effizienz ähnlich gestaltet wie beim AS 33-Modell, nur nicht sichel-, sondern trapezförmig.

In der nachfolgenden Tabelle werden die geometrischen Maße des MÜ 31-Modells im Vergleich mit denen der AS-33- und ASW 28-Modelle aus Willis Produktion,  alle im Maßstab 1:2,5 zu den Originalen, wiedergegeben:

Grundsätzlich wäre bei einer zumeist üblichen Tragflügelanordnung im Mitteldeckerformat wegen  geringerer Spannweite und Flügelfläche mit etwas verminderten Gleit- und Sinkleistungen im Vergleich zu den beiden anderen Modellen zu rechnen. Es wird aber spannend sein zu sehen, ob die Hochdecker-Anordnung des Tragflügels mit einem speziellen Profilstrak im Flächenmittelteil, analog wie beim MÜ 31-Original, und die gute Streckung des Flügels diesen Verlust auch beim Modell wenigstens teilweise kompensieren können. Warten wir`s ab!

Zum Entwurf der Tragfläche

Wegen der guten praktischen Erfahrungen mit den Leistungen des Profils HQ/DS-2,25/13 sowohl für den langsamen Gleit- und Thermikflug als auch für den dynamischen Vorflug, stimmte Willi mit mir überein, dieses Profil für den Hauptteil des Flügels, außer im Rumpfbereich und an den Flügelenden, einzusetzen. Auch wenn der Originalsegler für den Einsatz in der Rennklasse konzipiert wurde, so rechnen wir doch damit, dass der an diesem Modell interessierte Kundenkreis eher nicht ein Modell für schnelles GPS-Fliegen, sondern ein Allroundmodell für Thermik und/oder flotten Vorflug sucht.

Theoretisch und empirisch ist je nach flugmechanischer und aerodynamischer Auslegung der Modelle für das Hauptprofil HQ/DS-2,25/13 etwa eine Einstellwinkel-Differenz von EWD=2° für Flügel und Höhenleitwerk bei optimaler Schwerpunktlage für den Langsamflug erforderlich. Wie schon erwähnt, wurde beim Original in der Flächenmitte ein sehr dickes Profil eingesetzt, das eine Aufschränkung von +3° erlaubt. Leider wäre so eine starke Aufschränkung wegen der ungünstigeren Strömungs-Verhältnisse im kleineren Modellmaßstab nicht ohne große Leistungsverluste zu realisieren. Nach etlichen Profilanalysen und reiflicher Überlegung wurde schließlich für die Flügelmitte das Profil HQ/DS-3/15 (siehe Polarengrafik) gewählt mit dem eine positive Schränkung von +2° möglich ist. Damit hat der Flügel in der Mitte bei Hochauftrieb etwa eine Einsrellwinkel-Differenz von EWD=4°. Aus den Auftriebs-Widerstands-Polaren links ist zu ersehen, dass es bei Maximalauftrieb am Hauptteil des  Flügels auch in der Flügelmitte am Profil HQ/DS-3/15 bei 2°mehr Anstellwinkel theoretisch noch nicht zum Strömungsabriss kommt.

Von der Flügelmitte mit dem Profil HQ/DS-3/15 und mit 3,5° Einstellwinkel zur Rumpfbezugslinie wurde der Flügel zu beiden Seiten über je 280 mm in Spannweitenrichtung stetig zum Profil HQ/DS-2,25/13 mit 1,5° Einstellwinkel hin gestrakt. Um die Formenherstellung für den Schränkungsbereich des Mittelflügels zu erleichtern, wurden 9 Zwischenprofile   erzeugt (s. Grafiken Flügel-Rumpf-Übergang und Profilstrak). Dem versierten Leser bedürfen die Grafiken wohl keiner besonderen Erläuterung.

Das Profil HQ/DS-2,25/13 wird im weiteren Spannweitenverlauf bis zu etwa 250 mm vor den  Winglets beibehalten. Bei einer zu erwartenden Flächenbelastung von m/A = 7 - 8 kg/m2 (m = Masse des Modells, A = Fläche des Flügels) und einem Gesamt-Auftriebsbeiwert von cA=0,75 bei geringstmöglicher Sinkrate errechnet sich eine minimale Fluggeschwindigkeit von etwa V = 12,5  m/s. 250 mm vor den Winglets liegt noch etwa eine Flachentiefe von 150 mm am Außenflügel vor und für das Profil HQ/DS-2,25/13 sind dort lokal noch günstige Strömungs-Verhältnisse mit Re = 200.000 im Langsamflug zu erwarten (siehe Polarengrafik links). Bei noch kleineren Re-Zahlen zum Flächenende hin würden die Strömungsverhältnisse für das Profil ungünstiger. Deshalb wurde zum Winglet hin auf das auch bei niedrigen Re-Zahlen sehr strömungsstabile Profil HQ/ACRO-2,25/13 gestrakt.

Für das Winglet kam das Profil HQ/Winglet-3/13 zum  Einsatz, das auch mal einen seitlichen Windsstoß verkraftet. Im Übergangsbogen vom Flächenende zum vertikalen Wiglet wurde stetig vom Profil HQ/A-2,25/13 auf das HQ/Winglet-3/13 gestrakt.

Zum praktischen Flügelaufbau

Nach reiflichen Überlegungen kam Willi aus produktionstechnischen Gründen zu dem Schluss, die Tragfläche des Modells anders als beim Original zu teilen. Er wird sie in 3 Teilen bauen, ein Teil wird das Mittelstück mit der Aufschränkung, die beiden anderen Teile werden die daran anschließenden Flächenstücke bis zu den Winglets. Die Winglets werden als aufsteckbare Einzelstücke gebaut werden.

Zum Design des Rumpfes

Zur Gestaltung des Rumpfes ist eigentlich im Vorhergehenden schon genügend gesagt worden. Eine  Vorstellung davon geben die Grafiken mit der 3-Seiten-Ansicht und dem Flügel-Rumpf-Übergang.

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Im Laufe des Baufortschritts werde ich nachfolgend diesen Bericht mit Fotos ergänzen!

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