Über die Konstruktion von Flügelholmen grosser Segelflugmodelle

Zum Zeitpunkt, wo immer mehr Modellbauer beträchtliche Beiträge in den Kauf von fertig konstruierten grossen Segelflugzeugen investieren, kann man sich fragen, ob es noch sinnvoll ist, eine Konstruktionstechnik von Holmen zu beschreiben. Die folgenden Zeilen bestätigen dies, weil man noch auf «reine und zähe» Modellbauer trifft, die ihre eigenen Modelle entwickeln und bauen, sowohl im Hinblick auf Ersparnisse als auch aus Freude an ihrer Kreation. Wenn es sich zudem um aussergewöhnliche Modelle handelt, möchte man lieber die Konstruktion selbst vornehmen und damit vermeiden, ein Trojanisches Pferd zu kaufen, von dem man nicht weiss, was es im Bauch oder vielmehr in den Tragflügeln hat. Ich hatte Gelegenheit, einen Flügelbruch einer Duo Discus mit 6,7 m Spannweite

im Flug mit mittlerer Geschwindigkeit mitzuerleben, die aus einem deutschen Werk kam, das für seine grossen Segelflugzeuge bekannt war. Die Konstruktion des Flügels war so gestaltet, dass ich sie nicht für den Bau eines Modells mit 4 m Spannweite verwendet hätte. Man sollte jedoch nicht ins andere Extrem verfallen, das man manchmal in Spezialzeitschriften beschrieben findet und wo der Modellbauer sehr stolz von seinem Betonflügel spricht (das Weglassen von Eisen ist erstaunlich: nicht bewehrter Beton ist nicht sehr widerstandsfähig!). Wenn ein Flügel «betoniert» werden muss, um der Beanspruchung eines heftigen Flugs standzuhalten, dann bedeutet das, dass seine aerodynamische Auslegung falsch ist, häufig aufgrund der Kombination aus Profilen mit Wölbungen und Auftriebswingeln, die in keinsten Weise unterschiedlich sind.

Wir bezeichnen hier als Holm die Gurte, die mit dem Steg den Holm bilden. Die Flügel eines Segelflugzeugs sind zwei wesentlichen Beanspruchungen ausgesetzt: der Biegung und der Torsion. Der Biegewiderstand wird zu 90% vom Holm aufgenommen, die restlichen 10% von der Verkleidung des Flügels. Die Torsion dagegen wird vollständig durch die Verkleidung des Flügels übernommen²⁾. Bei der «Sandwich»-Konstruktion unserer Modelle erlaubt der Einbau eines korrekt ausgelegten Holms, von grossen Beanspruchungen aufgrund der Biegung auszugehen. Diese Beanspruchungen werden im Wesentlichen durch den Auftrieb des Flügels hervorgerufen. Bei horizontalem Flug entspricht der Auftrieb annähernd dem Gewicht des Modells. Da der Auftrieb und das Gewicht des Flügels über die gesamte Spannweite verteilt sind, kann man in Betracht ziehen, dass das Gewicht des Flügels kein Biegemoment im Flügel bewirkt (Moment = Produkt einer Last mit dem Hebelarm am Drehpunkt). Im Gegensatz dazu stellt der Rumpf, der keinerlei Auftrieb erzeugt, die Last dar, die der Auftrieb bei horizontalem Flug ausgleichen muss. Jedoch führt jede

Änderung des Flugzustands zu einer Änderung der Belastung durch den Rumpf aufgrund der Zentrifugalkraft (Spiralflug, schnelle Kurve, Abfangen usw.). Denken wir nochmals daran, dass die Zentrifugalkraft direkt vom Gewicht des Modells und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit abhängt und sich zum Beispiel beim Verdoppeln der Geschwindigkeit das Gewicht um das Vierfache erhöht. Zu oft realisiert man nicht, dass unsere Modelle, und besonders die der Kategorie F3B, Belastungsfaktoren ausgesetzt sind, die Werte über 30 erreichen können, das heisst das Dreissigfache des Modells. Zur Erinnerung: Der Lastfaktor g entspricht der Beschleunigung der Schwerkraft; g = 10 entspricht zehnmal dem Gewicht des Modells. Hier muss angemerkt werden, dass grosse Flugzeuge nicht für die Aufnahme von solch hohen Lastfaktoren ausgelegt sind wie die unserer Modelle, weil der menschliche Körper diese nicht lange aushalten könnte, und dies trotz der sogenannten Anti-g-Kombinationen. Aufgrund dieser Überlegungen stellt man fest, dass die Holme unserer Modelle sehr grosse Beanspruchungen aufnehmen müssen; es geht also darum, sie solide zu bauen, nicht zu starr und zu leicht. Diese Quadratur des Kreises wurde dann nach dem Erscheinen von Kohlenstofffasern gelöst. Die Stränge (Rovings oder geschichtete Fäden genannt) bestehen aus unendlich vielen Kohlenstofffäden, die sich wiederum aus einzelnen Fasern zusammensetzen. Die Masseinheit ist der tex (1 tex = 1 g pro 1000 m) oder die Anzahl der einzelnen Fasern, zum Beispiel NF24 = 24000 einzelne Fäden im Strang (NF = Normalfaser). Zur Herstellung eines Holms muss man eine bestimmte Anzahl von Strängen verwenden, die für die Flügelwurzel bestimmt sind, dies anhand einer einfachen Näherungsformel:

Ich habe die Methode unter Verwendung von Kohlenstoffbändern anstelle von Strängen folgendermassen angepasst:
Ich möchte ein sehr grosses Segelflugzeug vom Ty ASG-29 im Massstab 1:2 bauen, das heisst mit 9 m Spannweite. Das vorgesehene Maximalgewicht wird auf 29,999 kg geschätzt, womit wir vermeiden konnten, vor der grossen Jury der OFAC-Spezialisten zu erscheinen, die ab 30 kg die Modelle Torturen aussetzen, die niemals beim Flug auftreten würden, um schliesslich ein Flugbuch auszustellen, in dem sämtliche durchgeführten Flüge mit Daten aufgeführt sein müssen. Das gewählte Profil, HQ 2,5/16–12, ist relativ niedrig, mit einer Höhe an der Flügelwurzel von 58 mm, auf 55 mm für die Berechnungen reduziert. Die Anzahl der Stränge NF24 ist also:

Anzahl der Rovings NF24

$$= 1,5 \frac{12 \times 30 \times 9}{55} = 88$$

Diese Formel, die über 20 Jahre alt ist, wurde für Stränge NF24 berechnet, eine Einheit, die heute fast in Vergessenheit geraten ist und durch den tex ersetzt wurde. Man findet im Katalog von Swiss-Composite³⁾ das Äquivalent, das heisst 24 000 Fäden = 1600 tex (1 km dieses Strangs wiegt 1600 g). Also 88 Stränge NF24 = 88 × 1600 = 140 800 tex. Um so viele tex zu erreichen, muss man mehrere Stränge verwenden. Gemäss diesem Katalog findet man einen Strang Typ 60K, der 3600 tex enthält.

Es braucht also:

$$\frac{140\,800}{3600}$$

= 39 Stränge Typ 60K an der Flügelwurzel

Diese Technik ist jedoch schwer anzuwenden, weil ein Schlitz in den Kern eingebracht werden muss, dessen Volumen genau dem Volumen von 39 Strängen entspricht, die mit Epoxydharz getränkt wurden und durch die Befeuchtung zerfasert waren. Ich habe diese Technik für die Konstruktion einer ASH-25 von 8,3 m verwendet: Sie ist möglich, aber kompliziert. Für die Konstruktion meiner folgenden Modelle habe ich den Holm separat konstruiert und ihn dann zum Zeitpunkt der Verschalung des Flügels in den Kern eingeführt. Anstelle der Stränge habe ich flache Kohlenstoffbänder verwendet, die in Längsrichtung aus mehreren Faserbündeln bestehen und quer durch Glasfasern zusammengehalten werden, zwecks einfacherer Verarbeitung. Die Breite des Holms ist durch die Breite der Bänder vorgegeben. Ich habe ein Band gewählt mit 350 gm², 25 mm Breite, 800 tex 12K, das heisst, es besteht aus 12 einzelnen Faserbündeln von je 800 tex. Ein solches Band enthält also 800 × 12 = 9600 tex. Da der

Holm 140800 tex an der Flügelwurzel enthalten muss, braucht man also

140800

9600

= 15 Bänder

Die Funktion des Holms ist es, das Biegemoment des Flügels aufzunehmen, das am grössten auf Höhe der Flügelwurzel ist und sich an der Flügelspitze bis auf einen Wert null verringert. Diese Verringerung muss man also berücksichtigen. Man kann sie berechnen, indem man die Spannweite in mehrere Bereiche teilt und für jeden das Biegemoment berechnet. Durch grafisches Auftragen der erhaltenen Werte (y-Achse der Grafik) in Abhängigkeit der Spannweite (x-Achse der Grafik) erhält man nicht eine Gerade, sondern eine Kurve, die sich asymptotisch der x-Achse nähert (Asymptote). Praktisch heisst das, dass die Abnahme der Anzahl der

Bänder der berechneten Kurve folgen muss. Ich habe langwierige Berechnungen vermieden, indem ich eine Grafik im Massstab 1:200 gezeichnet habe, in der ich auf der x-Achse die Spannweite eines Flügels, das heisst 450 cm, aufgetragen habe und auf der y-Achse die Anzahl der Bänder, das heisst 15. Mithilfe eines Kurvenlineals habe ich eine Kurve gezeichnet, die zur Abszisse bis auf einen Wert von 2 Bändern auf Höhe der Flügelspitze abfällt. Anschliessend habe ich bei jeder Zahl von Bändern (von 1 bis 15), wie sie auf der y-Achse angegeben waren, horizontale Linien gezogen. Und an jedem Punkt der Schnittstelle mit der Kurve habe ich eine senkrechte Linie auf die x-Achse gezogen. So habe ich die Verteilung der abnehmenden Anzahl der Bänder erhalten, verteilt über die Spannweite, dabei zwei Bänder auf Höhe der Flügelspitze behalten (**s. Grafik**).

Da ich den Flügel in zwei Teile getrennt habe, um den Transport zu erleichtern, habe ich ebenfalls jeden Holm in zwei Teilen konstruiert, wobei der erste 266 cm lang war. Schraube 2 Aluminium-Winkelpofile mit 300 cm Länge (dünne Gardinenleisten oder anderes) parallel auf ein Brett mit 8×300 cm, das mit Plastikfolie überzogen ist, in einem Abstand, der der Breite des Bands entspricht, im vorliegenden Fall

25 mm. Präpariere eine Holzleiste mit 25 × 15 mm von der Länge des Holms und verkleide sie vollständig mit einem dünnen Klebeband (braunes Paketklebeband). Diese Latte muss genau zwischen die beiden Winkelprofile eingepasst werden können. Markiere auf dem Bodenbrett die Verteilung der Abstände von der Flügelwurzel aus und die dementsprechende Anzahl der Bänder. Behandle mehrmals mit Ausschalungswachs die Holz-

leiste, die Winkelprofile und die Plastikfolie. Befestige die Rolle mit dem Kohlenstoffband, damit sie sich leicht abrollen lässt, und lege dann die aufeinanderliegenden Lagen der Bänder zwischen die beiden Metall-Winkelprofile ab, beginnend mit dem längsten (**s. Foto**): Betupfe sie lange mit einem in Epoxydharz getauchten Pinsel, um so wenig wie möglich Harz zu verwenden. Wenn alle Bänder abgelegt sind, drücke die Holzleiste zwischen die beiden Winkelprofile und schiebe das Ganze in einen Vakuumsack. Verwende die maximale Leistung der Vakuumpumpe (–800 im vorliegenden Fall). Ein hohes Vakuum ermöglicht das Entfernen von überschüssigem Harz aus den Bändern zwischen der Holzleiste und den Winkelprofilen, sodass man ein fast optimales Verhältnis von Fasern zu Harz erhält. Nach der Polymerisation des Harzes ziehe den Holm aus seiner Form heraus und lasse ihn 3–4 Tage auf einer ebenen Fläche aushärten. Manchmal muss man die Winkelprofile abschrauben, um den Holm zu trennen, trotz guter vorheriger Behandlung mit dem Ausschalungswachs. Nun muss man nur noch die Harzreste «putzschleifen» und die Wachsreste mit reinem Benzol entfernen. Man kann noch die Oberflächen des Holms mit Schmirgelpapier Körnung 80 aufrauen, um das Anhaften des Harzes beim Einführen in den Flügelkern zu verbessern.

Für den Rest der Konstruktion mache ich in die Oberseite des Kerns einen Einschnitt, der genau der degressiven Dicke des Holms entspricht, mithilfe eines Schleifklotzes von 25 × 300 mm (Schmirgelpapier Nr. 80, auf ein Brett mit 25 × 300 mm geklebt). Schneide mit einem heissen Draht bis zur Mitte der Dicke des Kerns einen Einschnitt entsprechend der Breite des Stegs. Die Oberseite des Stegs muss mit der unteren Ebene des Holmeinschnitts fluchten. Aushär-

ten lassen. Führe dieselben Arbeitsschritte für die Unterseite durch. Diese Arbeitsweise vermeidet jegliches Risiko der Deformation des Profils, was unter Umständen eintreten kann, wenn man durch die gesamte Dicke des Kerns schneidet, um einen Steg in einem Stück einzuführen. Streiche einen Holm mit Epoxydharz ein und schiebe ihn in den Einschnitt auf der Oberseite. Tränke ein doppeltes Geflecht aus Kohlenstofffasern, mit Ausrichtung 45°, 160 gm², lege es auf den Kern und die Abachi-Verkleidung auf. Fixiere das Ganze mit ein paar Klebebändern, drehe den Flügel herum und wiederhole dieselben Arbeitsschritte. Schiebe das Ganze mit Form in einen Vakuumsack und setze die Pumpe in Betrieb.

Diese Bauweise hat es mir ermöglicht, ein Fluggewicht des Modells von 25,5 kg zu erhalten, einschliesslich 16 Servos, 1600 g Akkus und 1500 g Blei. Es tut mir leid, meine Herren Richter der OFAC, es gibt nichts zu kontrollieren!

Dominique Baer

Fotos: Ludovic Perrenoud

Übersetzung ins Deutsche:

Evi Wagner

(Für weitere Informationen: dominiquebaer@gmail.com)