Randbogen - Die Standardlösungen
Schräge Typen: TNT, Tiplets, Winglets, Winggrid und ganz krumme Dinger!
Sichelrandbogen
Das ist die wohl mit Abstand eleganteste Variante, einen Flügel zu beenden. Sieht nicht nur cool aus, sondern es beweist zudem, daß wir trendbewußt sind: Anfang der 90er traute sich niemand ohne TNT Randbogen sein Haus zu verlassen. Derselbe Trendeffekt scheint sich nun dank der CNC Fräsen beim Sichelrandbogen zu manifestieren. Im Gegensatz zum TNT Randbogen kann der Sichelrandbogen einen sehr sanften Umgang mit der Grenzschicht vorweisen, da er übergangslos weich und rund aus dem Flügel herauswächst. Die Randbogenwirbel dürften sich weicher vom Flügel verabschieden, als das sonst der Fall wäre. Das Aufrollen des Tragflügelwirbels wird sinngemäß unterstützt, sauber, sauber.
Insgesamt also schön widerstandsarm, da die Tiefe außen kontinuierlich auf 0 runtergeht. Oops! Da wird uns ja ganz übel, Tiefe=0??? Nun, die Randbogenumströmung aufgrund der hinlänglich bekannten Druckdifferenz enthebt uns der Sorge um den Abriß oder gar die Effizienz der Umströmung an dieser Spitze. 3D Aerodynamik vom allerfeinsten.
Die lokal starke Pfeilung der Nase sorgt für eine frühzeitige Destabilisierung der Grenzschicht, es erfolgt also der Umschlag laminar-turbulent bereits kurz hinter der Nase. Deswegen ist diese Rückpfeilung nicht nur schön, sondern für die Funktion elementar wichtig! Dadurch verhindern wir sicher eine Strömungsablösung am Randbogen, die sowohl die Leistung, als auch das Handling extrem negativ beeinflussen würde. Apropos Handling. Rückpfeilung stabilisiert im Langsamflug! Merke: Modelle mit Sichelrandbögen brauchen daher etwas weniger Flügel V-Form als Modelle mit normalen Randbögen. Nur ein klein wenig, aber immerhin.
Für F3B Modelle baut man keine Schränkung oder Verwindung ein. Das sind Modelle mit 4 Flügelklappen (Quadroflap), die schnell fliegen sollen. Aufgrund der geschilderten Effekte benötigt man keine Verwindung zur lokalen Reduktion des Auftriebs, um einen Abriß am Randbogen zu vermeiden. Die Profilierung läßt man einfach durchlaufen, das Wirbelsystem infolge der Pfeilung der Nase enthebt uns der Sorgen um die kritische Reynoldszahl bei diesen Minitiefen. Weberschock/Lang (Ariane Team) haben also dementsprechend keine Schränkung oder Verwindung eingebaut. Bei F3J und Thermikmodellen würde ich den Einbau einer Verwindung wegen des Kurvenflugverhaltens in Erwägung ziehen. Außerdem wird die Auftriebsverteilung dann bei gesetzten Flaps etwas sauberer. Aber notwendig ist es nicht.
Einer der entscheidenden Vorteile des Sichelrandbogens ist neben der aerodynamischen Güte mit Sicherheit der V-Formeffekt. Dadurch kann die Flügel V-Form reduziert werden, ohne das Handling zu verschlechtern. Der Trendsetter war hier ganz klar der Caracho (s. Foto) von Martin Weberschock und Florian Lang, unterstützt von einem wohlbekannten Besitzer einer CNC Fräse, die das ermöglichte...
 Bild 2: Dornier 228 (Bildquelle: totavia.com) |
TNT Randbogen
Das Konzept dieses Randbogentyps stammt von der Firma Dornier. Die "Dornier TNT" (Tragflügel Neuer Technologie) basierte auf einer modifizierten Do 28 D-2 "Skyservant" und hier wurde neben einer neuen Bautechnologie für den Flügel dieser neue Randbogentyp entwickelt und getestet. 1981 wurde dann diese Entwicklung kommerziell in der Do 228 umgesetzt - mit ungeahnten Folgen für F3B-Modelle aus Negativformen, die waren Jahre später auf F3B Wettbewerben unübersehbar: TNT Randbögen, so weit das Auge blickte. Niemand traute sich mehr, normale Randbögen einzusetzen. Was ist das Konzept dahinter?
Mit dieser speziellen Randbogenform sollte der Druckausgleich (und damit der Randwirbel) außen neben dem Profilwiderstand reduziert werden. Wozu soll man außen ein fettes Profil mit voller Wölbung einsetzen, obwohl der ca dort gar nicht benötigt wird? Daher die Idee, lokal auf ein vollsymmetrisches Profil zu straken. Wiederum (s. Sichelrb.) erfolgt die lokal starke Reduktion der Flügeltiefe auf einer kurzen Strecke, damit ist wieder die Pfeilung drin, die lokal die Strömung genau dort turbulent werden läßt, wo wir es brauchen, nämlich am Randbogen und das ganz ohne künstliche Turbulatoren usw.
 Bild 3: TNT Randbogen am Spark V |
Es kommt aber noch hinzu, daß durch den Strak auf ein vollsymmetrisches Profil (im Modellbau zumeist NACA0010 oder ähnliche) ohne Verwindung aufgrund der Nullauftriebswinkeldifferenz zum Flügelprofil eine Reduktion des lokalen ca erfolgt, was den Randbogen entlastet und damit trotz der Verringerung des camax (Flügelprofil auf das Symmetrische) nicht zur Katastrophe in Form eines Strömungsabrisses außen führt. Im endgültigen Speedflug erzeugt der Randbogen also Abtrieb, da muß man aber wirklich sehr schnell sein, fast senkrecht gen Erdmittelpunkt. Das fliegen nichtmal die größten Speedoptimisten und der cwi ist in diesem Punkt dank ca² ohnehin vollkommen egal. Die ersten TNT Randbögen wiesen sogar hochgewölbte (und aufgedickte) Profile nach außen hin auf, aber wir wissen jetzt, daß und warum das nicht notwendig ist. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei auch das Handling: Wer mit viel Auftrieb am Randbogen unterwegs ist, hat ein Modell, das einfach träger bei Wendemanövern reagiert! Es dient also nicht nur dem cw-Haushalt, sondern auch dem Handling, daß wir außen vollsymmetrische Profile einsetzen.
Vorteil der TNT Auslegung: Einfach zu bauen und dennoch gut. Die Strakbauweise im Urmodellbau dürfte der eigentliche Grund für die extreme Verbreitung in den 90ern gewesen sein. Heute werden die meisten Modelle CNC gefräst, da kann man je nach Lust und Laune komplexe Geometrien mit unverschämt hoher Genauigkeit bauen. Der Sichelrandbogen hat damit den Vorteil, daß kein Sprung in der Flügelkontur erfolgt, mithin vermeidet man lokale Grenzschichtablösungen am Übergang zum Randbogen aufgrund mangelnder Stetigkeit der Kontur. Dieser Randbogentyp ist also vor allem aufgrund seiner Realisierbarkeit mit einfachen Mitteln zu dem geworden, was er ist bzw. war. Gegenüber dem Sichelrandbogen ist er jetzt zu Recht aussortiert worden, die Vorteile sollten klar geworden sein.
 Bild 4: Discus 2 (Bildquelle: Schempp-Hirth) |
Tiplets
Das sind diese hochgeknickten Flügelenden, mit einem an dem TNT Randbogen orientierten Tiefenverlauf, nicht Fisch, nicht Fleisch. Das ist eigentlich die Zwischenstufe zwischen den TNT- und Sichelrandbögen. Das Flügelende ist hochgeknickt, was den V-Form Effekt erzielt, speziell bei F3J erwünscht. Die restliche Aerodynamik haben wir bereits besprochen, die TNT Grenzschicht-Problematik wird hier aber noch ein wenig durch den V-Knick verstärkt.
Bei der Profilierung konnte ich keinen eindeutigen Trend feststellen, oft wird das Flügelprofil einfach weiter verwendet. Zeitlich ist das Tiplet genau zwischen TNT und Sichel einzuordnen, es war aus heutiger Sicht ein vorübergehender Trend der F3J Designer, die mit Eigenbauten in Positivbauweise an F3J Wettbewerben teilnahmen oder auf diese Weise F3B Modelle auf F3J trimmten. Modelle aus den 80ern mit den schwach zugespitzten Einfachtrapezflügeln kann man so recht elegant zu leistungsfähigen Thermikmodellen umbauen.
Bei den Segelfliegern sind Tiplets neuerdings zu bewundern, siehe hier am Discus 2. An Tiplets sind üblicherweise keine Klappen mehr angebracht, so auch am Discus 2. Damit wären auch am Discus 2 Sichelrandbögen einsetzbar gewesen, das kommt vielleicht in ein paar Jahren, manchmal sind Modellflieger ihrer Zeit voraus...
Heute ist dieser Randbogentyp im Modellflugbereich ganz klar durch die Sichel abgelöst worden, die aber in Positivbauweise wohl nur mit geschliffenem Balsa oder Hartschaumkern zu realisieren ist. Der bauliche Mehraufwand lohnt sich wohl nicht in jedem Fall, also sollte man die Tiplets als Variante im Hinterkopf behalten, so schlecht sind die nämlich nicht.
 Bild 4: Winglets am Airbus A340 (Bildquelle: EADS) |
Winglets
Wem jetzt vor lauter -lets ganz schwindelig wird, ja, das
ist das letzte, Versprochen!!! 
Das Winglet ist wohl die bekannteste Lösung für Randbogenabschlüsse, die Großen fliegen sie ja auch. Hier würden wir so richtig ans Eingemachte gehen, wenn wir das hier alles im Detail durchsprechen würden. Zum Glück hat das schon der Martin Hepperle im Rahmen seiner homepage getan. Bitte durchlesen!
Nur
noch ein paar Anmerkungen:
Wir haben uns verstanden, diese zwei Profile über Eck sind einfach
schlecht für eine gesunde Strömung, speziell an der hinteren
Ecke, wo das Querruder endet. Hier haben wir also ein kleines Problem,
für das MH mehrere Lösungsansätze angeboten hat.
Im Rahmen der ASW 27 ist eine recht gute Lösung des Problems gefunden
worden. Lokaler Tiefensprung kombiniert mit einer aerodynamischen Schränkung,
die schon am Flügel vor dem Fuß beginnt, mit einem kleinen
Übergangsradius auf ein an die geänderten Rezahlverhältnisse
angepaßtes Profil übergeht, welches wiederum zur Wingletspitze
nochmals modifiziert wird, im wesentlichen entwölbt. Die Folgen der
Auslegung sind vor allem eine ca-Reduktion am kritischen Wingletfuß
und eine Anpassung an die ca-Verhältnisse an der Wingletspitze.
Denkt bitte dran, nur ein Winglet, das eine aerodynamische Anstellung gegenüber der anströmenden Luft hat, ist wirklich ein gutes Winglet. Erzeugt ein Winglet nur den kleinen Zusatzauftrieb durch die Verhinderung des Druckausgleichs (sogen. Endscheibeneffekt) erzeugt es mehr Widerstand als Gewinn. Erzeugt es hingegen immer etwas Auftrieb, stellt sich der erhoffte Gewinn in Form eines besseren Kreisflugverhaltens und eines ruhigeren Langsamflugs ein. Das scheint mir der eigentlich beste Einfluß zu sein, ein gut ausgelegtes Winglet verbessert und stabilisiert das Flugverhalten, speziell im langsamen Kreisflug. Böse Zungen würden das als Trägheit bezeichnen. Falls jemand ein hypernervöses Modell ruhiger machen möchte, gibt es wohl kaum was besseres als Winglets.
Nun kommt das aber: Was passiert, wenn ich das Flügelstück, was ich als Winglet verbaut habe, in die Ebene klappen würde? Die Flugleistung würde besser werden! Schade eigentlich. Also nochmal langsam zum Mitschreiben: Ein in die Ebene geklapptes Winglet ist leistungsmäßig immer besser als sein senkrecht stehender Freund. Viel mehr ist dazu nicht zu sagen.
Bei Klassen mit Spannweitenlimits sind Winglets ein kleiner Trick, die Regeln zu umgehen. Und zugleich bekommen wir viel V-Form geschenkt. Am Flügel könnten wir erheblich die V-Form reduzieren, ohne Probleme zu bekommen. Bei HLG classic würde ein Winglet seine Vorteile voll ausspielen können. Lediglich die leicht erhöhte Trägheit ist ein Manko, was man aber mit einem vernünftig dimensionierten VLW locker kompensieren könnte (das Wurfmäusle hat z.B. kein vernünftig dimensioniertes VLW). Das ist also eine Sache, die ich schon seit Jahren nicht so ganz verstehe, aber vielleicht bin ich einfach nur zu dumm dafür.
Also: Winglets bringen leistungsmäßig nur Vorteile, wenn wir ein Spannweitenlimit haben, ansonsten nicht. Im Schnellflug erst recht nicht. Einzig das andere Handling ist ein Argument, diese Flügelchen einzusetzen, die Flugleistung absolut nicht. Da ist ein Sichelrandbogen gleicher Größe erheblich besser.
Links
Martin
Hepperle: A close look at Winglets
Christian
Baron: Thermal Talk-F3J Newsletter 94
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Winggrid
Nicht der letzte, sondern der allerletzte Schrei, wenn man dank exklusiver Randbögen auffallen will. Wenn man schon die Frauen mit Modellflug nicht beeindrucken kann, dann wenigstens die lieben Modellfliegerkollegen. Jaja, ich weiß, das Thema an sich ist schon seit einigen Jahren mehr oder minder aktuell, es rumort ständig im Konstrukteurs-Underground. Also habe ich irgendwann beschlossen, das zu testen, um einen Eindruck von den Möglichkeiten dieser Randbogenkonstruktion zu bekommen. Das Ergebnis hat Peter rechts im Bild festgehalten.
Was soll ich sagen??? Nun, ich weiß jetzt, warum sich
der gemeine Geier im Schnellflug seiner Flügelspitzen so schämt,
daß er sie soweit wie irgend möglich versteckt: Er wehrt sich
auf diese Weise seit ein paar Millionen Jahren gegen sein eigenes Aussterben!
Würde er die nicht verstecken, würden sich die Mäuse auf
dem Boden vor Lachen die Bäuche halten, wenn er im Sturzflug auf
sie zuflöge.
Warum? Nun, sie hätten minutenlang Zeit, Schönheitsnoten für
den Sturzflug zu vergeben, sich daran zu erfreuen, warum die Erdbeschleunigung
beim Geier nicht so richtig zu wirken will usw. Deswegen sind wohl Mäuse,
die Lachen können, ausgestorben, weil sie dabei vergessen haben sich
in ihrem Mäuseloch zu verkriechen...
Zurück
zum Ernst des Lebens: Unsere Modelle haben leider keine einklappbaren
Flügel im Flug. Gut, daß die Natur die Vögel entworfen
hat und nicht wir, die wären uns mit schöner Regelmäßigkeit
ausgestorben... In diesem Moment dachte ich, ich wäre intelligent.
An sich schon ein Fehler, aber so ein bißchen Selbstüberschätzung
sei auch mir gestattet: Wenn ich die Flügelchen außen nur gering
genug anstelle, sollte doch der Schnellflug kein Thema mehr sein! Stimmt
auch, bis der Flügel losflattert.
Ein klitzekleiner Nachteil dieser Maßnahme sei nicht verschwiegen:
Die Wirkung im Langsamflug tendiert bei dieser Anstellung zu irgendwas
zwischen gar nicht und schädlichem Zusatzwiderstand durch das aerodynamische
Gitter! Macht also irgendwie keinen Sinn, weil es keinen Vorteil gibt!
Fazit: Die erhoffte Wirkung dieser Flügelchen tritt nur auf, wenn man sie für den Langsamflug stark genug anstellt. Das ist leider für den Schnellflug kontraproduktiv, so daß man am Ende weder Fisch noch Fleisch am Haken hat, dafür im schnellen Gleitflug mit angezogener Handbremse fliegt. Der Einsatzbereich ist so klein, daß es nur bei Freifliegern wirklich Sinn machen könnte, für RC sind fix montierte Flügelchen der gezeigten Art deswegen eher ungeeignet. Eine etwas euphorieverseuchte Seite, aber mit vielen Infos zum Thema Winggrid sei hier noch erwähnt: www.winggrid.ch
Die Jungs waren mit meiner Beurteilung des "Winggrid"
Konzepts übrigens nicht ganz einverstanden.
Die Retourkutsche wegen meiner Kritik (Langsamflug top, Speed hop) könnt
ihr hier nachlesen und genießen: Neue
Seite 1 Ich weiß, ich bin gehässig. Der Einwand, daß
ich alles falsch gemacht haben soll, lasse ich natürlich nur ungern
auf mir sitzen 
, denn mein Winggrid funktioniert im Langsamflug einwandfrei und ist sicher
noch ausbaufähig! Aber wer weiß, daß im Speedflug der
induzierte Widerstand irrelevant und zugleich der Interferenzwiderstand
tödlich ist, dem sollte klar sein, daß ich mit meiner Einschätzung
sicher nicht daneben liege. Meine Lösung funktioniert im Langsamflug
ohne jede Frage sehr gut, dennoch denke ich, daß wir in Zukunft
nicht mit diesem Randbogentyp glücklich werden, weil er einen zu
schmalen Einsatzbereich bietet und dabei bleibe ich vorerst. Man soll
niemals nie sagen...
Hm, alles ganz blöd. Bei einem kalten Bier an einem
spätsommerlichen Tag schaute ich den Silbermöwen beim Kreisen
in der Thermik zu und wußte, welches die Lösung der Natur für
den Allroundflügel ist...
 Bild 6: Randbogenversuch HS57 "Eternity" |
Türkensäbel
Nun kommen wir zu meinen eigenen Versuchen. Der Name mag etwas befremdlich klingen, aber so sehen die Teile nunmal aus und der Name ist fürs erste geblieben. Das hier ist eine Randbogenform, die sich im wesentlichen an der Sichel orientiert, aber eine Verwindung und variierende Profilierung (Schränkung) aufweist. Diesen Randbogentyp entwickele ich gerade für Thermiksegler, um das Problem der konkav/konvexen Profilunterseiten im Gleitflug zu lösen, denn die überfordern bei den kleinen Tiefen trotz der in weiten Teilen turbulenten Grenzschicht schlicht die Strömung. Ablösungen sind die Folge. Asymmetrische Turbulatorversuche auf der Profilunterseite deuteten an, daß es hier ein kleines lokales Problem geben könnte.
Im Endeffekt ist dieser Randbogentyp ein Mittelding aus TNT und Sichel, indem die Vorteile beider Konzeptionen ausgenutzt werden, um neben der reinen Optimierung der Aerodynamik die Kurvenflugeigenschaften zu verbessern. Im Rahmen des HS55 Projektes ist das gelungen, der Randbogentyp (detaillierte Beschreibung folgt noch) fliegt sich hervorragend, das vorher nicht zufriedenstellende Kurvenflugverhalten hat sich komplett gewandelt, mit nur geringfügigen Nachteilen in der Wendigkeit. Die geringe ca-Belastung ist, wie ich inzischen weiß, einer der Schlüssel zur Wendigkeit, das war ein Nebenprodukt der Winggrid Versuche.
Im HS55 Projekt hat sich dieser Ansatz als gangbar und erfolgreich erwiesen. Beim zweiten Einsatzmodell, der Eternity, müssen noch andere Probleme (Verzüge) beseitigt werden, bis ich die Randbögen beurteilen kann. Momentan fliegt sich das Modell besch...eiden im Langsamflug, was aber klar am Flügelverzug liegt. Man sollte beide Außenflügel nicht in einem Paket absaugen, sofern keine Spanplatte dazwischen ist. Die Folge sind zwangsläufig Profilverzüge, aber das kann man ja schonmal vergessen, wenn der letzte Fehler dieser Art (mit denselben Folgen!) etwa 15 Jahre zurückliegt. Manche Dinge vergißt man eben doch...
© Hartmut Siegmann 1998-2015
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