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5 3D-Flug

5.1 Allgemeines

Die Unterschiede zum Vorwärtsflug
Im dynamischen Flug (Flächenflug und Messerflug) verhält sich das Modell simpel: kein Schwingen, kein Driften, wenig gegenseitige Beeinflussung der Funktionen, sofortiges und reproduzierbares Umsetzen der Steuerbefehle mit geringer Verzögerung.Im 3D-Flug ändert sich das Verhalten grundlegend: Das Modell schwingt um alle Achsen, es driftet, jeder Ruderausschlag hat Einfluss auf alle drei Raumachsen, das Motordrehmoment wird ein wichtiger Faktor. Das Flugverhalten wird weicher und dynamischer, gerade bei grossen Modellen spürt man viel besser was man da eigentlich für einen Brocken am Knüppel hat :-).

Ob dieses 3D-Flugverhalten dem Piloten optisch und "gefühlsmässig" zusagt ist eine Frage des persönlichen Geschmacks. Ich liebe es und kann nicht genug davon bekommen :-).

Modellanforderungen
Der 3D-Flug stellt bezüglich Antriebsleistung, Leichtbau, mechanische Stabilität und Servokraft erheblich höhere Anforderungen als der Vorwärtsflug. Mit der heute verfügbaren (und bezahlbaren ;-)) Technik ist es jedoch möglich in allen im Modellkunstflug vorkommenden Grössenklassen Modelle zu bauen die diesen erhöhten Anforderungen genügen.

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5.2 Bauchharrier, Rückenharrier

[->] Zur Übungsbeschreibung.

Das Pendant zum Flächenflug bildet im 3D-Flug der Flächenharrier, und der kam aufgrund der gleichen Überlegungen wie beim Flächenflug auch als erstes dran. Der Harrier allgemein ist die Vorübung zum Hovern/Torquen, gleichzeitig können sie im Harrier beliebig langsam fliegen und haben so praktisch das Freiticket für Turnhallen und andere enge Flugumgebungen.

Varianten
Der Harrier findet, ähnlich wie der Flächenflug mit Seitenruder, zwischen zwei Extremformen statt. Die eine Extremform ist der Harrier nur über Querruder, Höhenruder und Motor gesteuert, die andere der Harrier über Seitenruder, Höhenruder und Motor gesteuert. Beide Extremformen funktionieren im Geradeausflug ganz ordentlich, aber die Kurven sind ein elendes Geschiebe und Geschwanke. Das Optimum liegt irgendwo dazwischen, also in der Kombination von Quer- und Seitenruder.

Pendeln
Alle meine bisher geflogenen Modelle neigten im Harrier zum Pendeln um die Längsachse. Dieses kann man entweder durch einen kurzen Schlenker mit dem Höhenruder, durch Gegensteuern mit dem Seitenruder (Heck in Richtung hängende Fläche bewegen) oder durch Gegenquerruder unterbinden. Die Höhenrudervariante scheidet wegen dem geforderten konstanten Anstellwinkel schon mal aus. Die Seitenrudervariante funktioniert zwar bis etwa 60 Grad Anstellwinkel, ergibt aber ein unruhiges Flugbild und sie erlernen eine falsche Ruderkoordination. Wenn ihr Modell später in der Torque-Rolle um die Längsachse wegdreht würden sie aufgrund dieser falsch gelernten Koordination mit dem Seitenruder gegensteuern wollen, und das ist da völlig falsch! Das Gegensteuern mit dem Querruder ist die schwierigste und trainingsintensivste, aber auch zweifelsohne die eleganteste und im Hinblick aufs Torquen die einzig sinnvolle Methode, das Pendeln um die Längsachse zu unterbinden.

Die Reihenfolge in den Harrierübungen
Zur Reihenfolge bei den Übungen: Sie können auch zuerst den Harrier bis 85 Grad erlernen und nachher erst mit dem Rückenharrier beginnen. Beim Bauchharrier bis 85 Grad werden sie jedoch anfangs oft unfreiwillig auf den Rücken kippen, und dann sind sie froh, wenn sie den Rückenharrier bis 45 Grad schon beherrschen. Daher trainieren sie in den Übungen letztere Variante.

Aerodynamik
Im Harrier ist die Strömung an den Tragflächen vollständig abgerissen, auf der Unterseite ist sie noch verhältnismässig Linear und strömt normal von einem Punkt etwas unter der Nasenleiste zur Nasenleiste/zur Endleiste, auf der Oberseite ist sie dagegen voll Turbulent, an der Profilvorder- und Hinterkante lösen sich periodisch grosse Wirbel.
Die halbwegs lineare Strömung auf der Unterseite ist zusammen mit dem Propellerwind für die Verbleibende Querruderwirkung verantwortlich, die periodischen Wirbel auf der Oberseite rufen starke Auftriebsschwankungen und diese das bekannte Pendeln hervor.

Strömungsabriss
Nach dem Strömungsabriss, ab 20-30 Grad Anstellwinkel, verhalten sich Modelle mit Plattenprofilen (Shockflyer) und Modelle mit Vollprofilen sehr ähnlich. Auch die Strömungen über die Proflitypen ähneln sich jetzt stark.

Der Auftrieb des Plattenprofils nimmt bei steigendem Anstellwinkel weniger stark zu als beim Vollprofil. Dies liegt u.A. daran das die Strömung beim Plattenprofil auch bei geringen anstellwinkeln nie richtig anliegt, folglich weniger "in Schwung" kommem kann (geringere Druckdifferenz).

Beim Strömungsabriss bricht der Auftrieb beim Vollprofil schlagartig um über 20 Prozent ein. Beim Platternprofil ist dagegen keinerlei Einbrechen zu beobachten. Lediglich an der Querruderreaktion merkt man, das man im Hattier ist und die Strömung offiziel "abgerissen" ist.

Wenn man beim Plattenprofil nach dem Strömungsabriss den Anstellwinkel wieder reduziert, legt sich die Strömung brav und mit geringer Verzögerung wieder an. Beim Vollprofil dauert es eine Weile (1-2 Sekunden), bis die Strömung die "Hürde" des Wiederanlegens genommen hat.
Der Auftrieb wird durch ein recht komplexes Wirbelsystem um, neben und hinter den Tragflächen hervorgerufen. Diese Wirbel enthalten Bewegungsenergie (beim Vollprofil deutlich mehr als beim Plattenprofil), beim Anlegen der Strömung muss also eine ganze Menge Energie in dieses Wirbelsystem "gepumpt" werden, und das dauert halt einen Moment.

Beim Strömungsabriss wird das Wirbelsystem um den Flügel zerstört, die Wirbel haben aber eine gewisse "Trägheit", sie wehren sich also eine Weile gegen diese Zerstörung. Deshalb kann man den theoretischen maximalen Anstellwinkel während einigen Zentelssekunden z.T. deutlich überschreiten, wenn man ihn nachher wieder reduziert reisst die Strömung bei diesem Manöver nicht ab, bildlich gesprochen hat sie den kurzzeitig zu hohen Anstellwinkel gar nicht mitbekommen :-).

Modelle mit Plattenprofilen haben an sich keine klar bestimmbare Mindestgeschwindigkeit, macht man sie langsam, get irgendwann zwar der Auftrieb merklich zurück, das Modell bleibt aber voll kontrollierbar und geht in eine Art Sackflug über, aus dem man jederzeit ohne grosse Verzögerung wieder in den Normalflug kommt.
Modelle mit Vollprofilen reissen nach dem Langsammachen abrupt ab. Die Spanne reicht dabei vom starken Durchsacken mit Pendeln und knapper Kontrollierbarkeit (Abriss im Geradeausflug) über leichtes Abkippen über eine Fläche bis zum schlagartigen Abkippen mit nachfolgendem Trudeln.

Die Todeszohne
Im Harrier gibt es verschiedene Fluglagen, bei denen die Strömung an den Tragflächen eine Chanche hat sich wieder anzulegen:
-   Ganz klassisch, wenn sie den Anstellwinkel im Flächenharrier auf unter 12 Grad reduzieren. Tun sie dies langsam (=fliegen eine Weile mit z.B. 11 Grad durch die Gegend) weiss die Strömung nicht so recht was sie soll, da sie wegen Turbulenzen vor dem Modell nie ganz von vorne kommt und wegen Bauabweichungen an den Tragflächen nie überall gleich Strömt legt sie sich meistens punktförmig und asymmetrisch an, um dan beim resultierenden Flügelwackeln gleich wieder abzureissen. Das Resultat ist ein mehr oder weniger ausgeprägtes Gerüttle und Geschwanke, beim Plattenprofil (Shockflyer)gut kontrollierbar, bei Vollprofilen wegen der Abkipp- und Trudelgefahr höchst gefährlich.
- Bei einer Drehung um die Längsachse aus dem Flächenharrier heraus reduziert sich der Anstellwinkel der Tragflächen ebenfalls (der Anstellwinkel der Rumpfmittelachse bleibt dagegen bestehen!). Der Extremfall ist der Messerflug, hier haben die Tragflächen unabhängig vom Anstellwinkel der Rumpfmittelachse immer Null Grad Anstellwinkel. Dreht man also zu weit aus dem Flächenharrier raus, Legt sich die Strömung wieder an, mit allen weiter oben beschriebenen unangenehmen Effekten.

Diese Beiden Effekte lassen mehrere Schlussfolgerungen zu:
-   Da jedes Modellflugzeug im Harrier leicht um die Querachse und die Längsachse pendelt, und gleichzeitig die Tragflächen durch den ständigen Querrudereinsatz ständig verwölbt werden (dadurch wird die effektive Profilnullinie relativ zum Rumpf verdreht!) braucht man im Harrier etwas "Anstellwinkelpolster" nach unten, damit sich die Strömung auch bei mittelstarkem Pendeln, wie es z.B. in einer engen Kurve unweigerlich auftritt, sicher noch nicht anlegt. Bei Shockflyern sind das ca. 20 grad (hier sind die Auswirkungen des Strömungswiederanlegens weit weniger heftig), bei Modellen mit Vollprofil ca. 30 Grad.
- Wenn man in den Harrier geht sollte man mittels beherztem Höhenrudereinsatz möglichst schnell durch dieses diffuse Gebiet zwischen 10 und 30 Grad Anstellwinkel durchrauschen. Einerseits ist die Wahrscheinlichkeit eines Abkippers wegen der kurzen Aufenthalts in dieser Zone kleiner, andererseits reisst die Strömung wegen der Trägheit etwas verspätet ab, so dass die frisch abgerissene Strömung bereits 30 und nicht wie bei langsamem Ziehen vielleicht 13-15 Grad Anstellwinkel vorfindet.
- Umgekehrt gehts genau gleich, beim Übergang vom Harrier in den Flächenflug muss man sogar noch etwas weitergehen. Wirklich stressfrei (= ohne Pendeln und abkippen) legt sich die Strömung nur bei Anstellwinkeln unter 5 Grad wieder an. Geben sie daher im Harrier mit 30 Grad soweit Gas dass das Modell mit max. 5 Grad Anstellwinkel nach oben wegsteigt.
- Sobald ihr Modell einige Zehntelssekunden durch Abkippen in einer Fluglage gerät, wo sich die Strömung an den Tragflächen wieder anlegt, dann wirds bei Modellen mit Vollprofil gefährlich. Als Fortgeschrittener können sie durchaus probieren sowas auszusteuern, als Einsteiger brechen sie den Harrier sofort ab, neutralisieren sie die Ruder und lassen sie die Maschine Fahrt aufholen. Ein direktes Zurückbefördern in den Harrier mit teilweise wiederangelegter Tragflächenströmung ist extrem schwierig, das Flugverhalten der Maschine ist dabei anfangs höchst anspruchsvoll und für den Umsteiger nicht berechenbar.

Schwierigkeitsgrad
Der Harrier mit beliebiger Flugbahn ist deutlich schwieriger als der Flächenflug mit beliebiger Flugbahn, rein deshalb weil das Modell im Harrier instabil fliegt und nur durch ständige, gezielte Steuerkommandos am Himmel bleibt. Weiter hängt der Schwierigkeitsgrad stark vom Anstellwinkel ab, je höher der Anstellwinkel desto schwieriger die Figur. Der Harrier entlang einer festen Flugbahn ist brutal schwer, dagegen ist der Harrier mit beliebiger Flugbahn ein Spaziergang.

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5.3 Messerharrier

[->] Zur Übungsbeschreibung.

Zur Reihenfolge
Auf den Flächenharrier würde jetzt nach der Vorwärtsfluglogik der Messerharrier folgen, auch vom Hovern/von der Torque-Rolle her wäre das konsequent, da das seitliche Hovern auf dem Messerharrier aufbaut und die Torquerolle ein fliessender Übergang aller Hoverlagen inkl. des seitlichen hovern darstellt.
In dieser situation ergibt sich der einzige Spezialfall in der ganzen Übungsfolge: Aufgrund von einigen aerodynamischen Ekligkeiten (im Messerharrier fliegt das Modell quasi eine komplette Tragfläche vor sich her) ist das Modell im Messerharrier um die Längsachse extrem instabil. Dadurch ist der Messerharrier mit Abstand die härteste Nuss der Big Three (Flächenharrier, Messerharrier, Hovern/Torquen), je nach Modell ist das Bewegungsmuster aus dem Hovern/Torquen sogar Voraussetzung, um den Messerharrier innert nützlicher Frist hinzubekommen... Ich hatte doch lange meine Zweifel ob das Ding überhaupt fliegbar ist. Nach meiner ersten kontrollierten Messerharrieracht 2m über dem Boden hatten sich diese Zweifel erledigt :-). Er ist fliegbar, sicher nicht mit jedem Modell, aber er ist fliegbar .

Knackpunkte
-   Der grösste Knackpunkt bei dieser (instabilen!) Fluglage ist das Zusammenspiel von Seitenruder/Gas, Höhenruder und Querruder, um das Modell überhaupt in der Flugbahn zu halten. Das dauert einfach seine (Trainings-)Zeit bis das sitzt.
- Die Querruder-Höhenruderkoordination in der Kurve ist neben der Ruderkoordination im Geradeausflug der zweite Knackpunkt im Messerharrier. Das Timing für den richtigen Quer-Höheneinsatz ist von Modell zu Modell etwas unterschiedlich. Wenn sies einmal mit einem (einigermassen schwierig zu fliegenden Modell) können, können sie sich aber recht schnell auf andere Modelle umgewöhnen.

Schwierigkeitsgrad
Der Messerharrier ist nochmals schwieriger als der Flächenharrier, da das Modell hier nochmals ekliger fliegt.

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5.4 Hovern, Torquen

[->] Zur Übungsbeschreibung.

Hat man zumindest den Flächenharrier intus dann sind Hovern und Torquerolle keine neuen Fluglagen im eigentlichen Sinn, sondern eine Angewöhnungssache von 15-30 Flugminuten (!). Das erlernen der Torquerolle VOR dem Harrier ist ein elender Krampf und dauert, falls sich der Erfolg überhaupt einstellt, massiv länger.
Um Hovern zu können müssen sie den Harrier nicht perfekt beherrschen, mein Hovern funktionierte bereits, als mein Harrier mit 85 Grad noch ein ziemliches Geschwanke war. Wichtig ist nur, dass sie die Ruderkoordination richtig im Kopf haben. Sobald das klappt, können sie die ersten Hoverversuche starten, beim Harrier mit 85 Grad trennen sie ja nur 5 Grad Anstellwinkel vom hovern. Wenns noch nicht klappt, nicht verzagen, nochmals 1-2 Akkus im Harrier leerfliegen und dann nochmal versuchen.
Die Torquerolle ist rein vom Steuern her nichts anderes als ein Flächen/Messerharrier mit 90 Grad Anstellwinkel. Im Harrier lassen sich die 3D-typischen Bewegungsabläufe langsam und schrittweise erlernen, der Übergang auf die Torquerolle ist dann wirklich nur noch klein. Wenn man die Torquerolle vor dem Harrier erlernt muss man die gesamte Harriermotorik in der Torquerolle erlernen, und da die Torquerolle keine Steuerfehler verzeiht (der Harrier schon!) ist das schier ein Ding der Unmöglichkeit. Ich selbst habe mit dem Torquerollentraining direkt nach dem Bauchflug mit Seitenruder begonnen, habe es aber wegen fehlender Fortschritte wieder aufgegeben. Nachdem ich den Anstellwinkel im Bauchharrier auf 95 Grad hochschrauben konnte ging das Rückenhovern nach 10 min Eingewöhnungszeit. Das Bauchhovern ging noch überhaupt nicht, das besserte sich erst, als ich den Rückenharrier soweit im Griff hatte. Seitenhovern klappte auch erst nach beherrschen des Messerfluges vernünftig.

Schwierigkeitsgrad
Wenn man den Harrier bis 85 Grad kann kann man auch Hovern/Torquen, von dem her wird der Schwierigkeitsgrad etwa im Bereich Harrier mit 85 Grad Anstellwinkel liegen.

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5.5 Rollenharrier

[->] Zur Übungsbeschreibung.

Der Rollenharrier ist für den 3D-Flug das was der Rollenflug für den Vorwärtsflug ist: Die Summe aller Fluglagen, das Tüpfelchen auf dem i und ein völlig neues Erlebnis von Raum und Zeit. Und genau so wie der Harrier weicher, dynamischer und vielfältiger ist als der Vorwärtsflug ist auch der Rollenharrier weicher, dynamischer und vielfältiger als der Rollenflug.

Schwierigkeitsgrad
Der Rollenharrier-Geradeausflug ohne genau festgelegte Flugbahn ist, sofern man den Harrier und den Rollenflug sicher beherrscht, mittels Klickschema innert kurzer Zeit erlernbar und nicht sonderlich schwierig. Der Rollenharrier mit genau festgelegter Flugbahn inklusive engen Kurven/Loopings ist im Vergleich zum Rollenflug etwa soviel schwieriger wie der Harrier im Vergleich zum Vorwärtsflug schwieriger ist....
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Wenn sie nach ihrem ersten Gedanken ("Au schei***...") gehofft haben, ich hätte mich verschrieben: dem ist nicht so. Der PRÄZIS GEFLOGENE Rollenharrier ist mit grossem Abstand das Anspruchsvollste, was sie in ihrer Kunstflug-Karriere bisher geflogen sind, und er wird sie viele Flugstunden Angst, Schweiss und Tränen kosten .

Eine gute Nachricht gibts dann allerdings doch noch, das Steuerschema für die Rollen kennen sie ja schon vom Rollenflug her, für den Rollenharrier müssen sie es zwar z.T. stark anpassen aber zumindest nicht mehr neu erlernen.

Der mittlere Anstellwinkel
Wenn sie im Rollenharrier (speziell in den Kurven) mit Seiten- und Höhenruder übersteuern bzw. das Timing verlieren, dann richtet sich ihr Modell entweder in die Senkrechte auf oder taucht in die Horizontale ab. Das Aufrichten ist dabei problemlos, auf dem Weg in die Senkrechte nehmen Rollgeschwindigkeit und Vorwärtsgeschwindigkeit ab, der Höhenverlust ist (sofern man das Gasgeben nicht verpennt ;-)) nicht vorhanden, meistens liegt sogar ein leichter Höhengewinn drin. Das Abtauchen ist dagegen höchst gefährlich, Bahn und Rollgeschwindigkeit (vor Schreck nehmen die meisten Piloten das Querruder nicht zurück) steigen stark an, das Modell sinkt schnell und unkontrolliert. Zusätzlich geraten die Flügel in Anstellwinkelbereche, wo sich die Strömung stellenweise wieder anlegt, auch das ist nicht sonderlich angenehm.
Bei jedem Übersteuern/Timingfehler gibt es eine bestimmte Wahrscheinlichkeit fürs Aufrichten und fürs Abtauchen. Diese Wahrscheinlichkeit ist Anstellwinkelabhängig, bei hohen Anstellwinkeln ist das Aufrichtn wahrscheinlicher, bei tiefen das Abtaufen. Den Anstellwinkel, bei dem die Wahrscheinlichkeit fürs Abtauchen gleich gross ist wie fürs Aufrichten bezeichne ich als "mittleren Anstellwinkel", er ist abhängig von der Modellauslegung, bei der Standardauslegung liegt er meist zwischen 40 und 45 Grad.

Deutlich oberhalb des mittleren Anstellwinkels lässt es sich sehr angenehm trainieren, deutlich unterhalb des mittleren Anstellwinkels ist das Training extrem stressig und gefährlich, bereits kleinste Fehler können hier mehrere Spannweiten Höhenverlust bedeuten. Ich empfehle daher dringend den Rollenharrier zuerst über dem mittleren Anstellwinkel zu erlernen und das erlernte Steuerschema dann auf den Flug unterhalb des mittleren Anstellwinkels anzupassen.

Höhen und Seitenruder
[-] Bei Fast allen Modellkunstflugzeugen ist die Seitenruderwirkung schlechter als die Höhenruderwirkung, folglich müssen sie das Seitenruder im Rollenharrier stärker ausschlagen als das Höhenruder.
[-] Die Benötigten HR- und SR-Ausschläge sind, analog zum Harrier, Anstellwinkelabhängig, irgendwo zwischen 30 und 60 Grad Anstellwinkel liegt das Maximum, darunter und darüber sind sie kleiner, ab 70 Grad Anstellwinkel sind zur Korrektur von Böen auch kurzzeitige negative Ausschläge nötig.
[-] In der Kurve werden grössere HR- und SR-Ausschläge benötigt als auf der Geraden, je enger die Kurve desto grösser die nötigen Ausschläge. Das Seitenruder kommt wegen der schlechteren Wirkung früher ans Limit (=Maximalausschlag) und bestimmt daher die engste mit gleichmässigem Anstellwinkel fliegbare Kurve.
[-] Je grösser der Anstellwinkel, desto enger lässt sich die Kurve fliegen. Bei hohen Anstellwinkeln kann statt dem Seitenruder das Querruder limitierend wirken, nämlich dann wenn man aufgrund zu geringer Querruderwirkung die Rollrate nicht mehr hinbekommt (passiert bevorzugt bei Rollen entgegen des Motordrehmoments).
[-] Ein Harrier-Rollenkreis mit Radius null verlangt 90 Grad Anstellwinkel und heisst Torquerolle :D.
[-] Wenn das Seitenruder am Limit ist kann man durch weiteres Vergrössern des HR-Ausschlages die Kurven noch etwas enger fliegen, allerdings muss man dann den Anstellwinkel kontinuierlich variieren. Diese Flugtechnik ist extrem anspruchsvoll und bereits kleinste Timingfehler schleudern einen übelst aus der Figur. Daher nur für Fortgeschrittene zu empfehlen.

Vierpunkt-Harrierrolle
Hier kommt wieder der gleiche Käse wie bei der Vierpunktrolle, die Endlosharrierrolle wäre eigentlich einfacher als die Vierpunkt-Harrierrolle, aber eben, das Steuerschema... Je nachdem wie gut sich ihr Modell im Messerharrier bewegen lässt kann die Vierpunkt-Harrierrolle von mittelschwer bis fast unfliegbar ungefähr alles sein.

Endlos-Harrierrolle
Hier macht sich ein Effekt bemerkbar, der schon bei den Vorwärtsflug-Rollen da war, nur nicht so ausgeprägt: Die schnellen Rollen sind einfacher als die langsamen, da das Modell in den schnellen Rollen stabiler fliegt. Aber auch hier lernt man das saubere Steuerschema nur in den langsamen Rollen.

Der Bescheisserrollenharrier
Neben dem Rollenharrier gibt es auch den Bescheisserrollenharrier. Mit einem Modell, welches im Messerharrier kaum Seitenruderausschlag braucht, fliegt man relativ schnelle Rollen (1-2 Rollen/Sekunde) und wippt dabei nur mit dem Höhenruder. Beim planlosen Herumfliegen geht das ganz ordentlich, spätestens wenn man den Rollenharrier aber bei Seitenwind entlang einer geraden Linie fliegen muss merkt man das das noch nicht ganz alles ist :D.

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