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500km/h


(noch in Bearbeitung!)

© Dr. Ralph Okon 25.12.2018

 

Wie muss ein Antrieb aussehen, mit dem der Weltrekord auf über 500km/h verbessert werden kann?

Im Jahr 2015 hatte ich dazu geschrieben:

"Der "störanfälligste" und unberechenbarste Faktor im System "Speedfliegen" ist und bleibt btw. der Pilot.
Allein dessen Fähigkeiten werden imo darüber entscheiden, wer als erster die 500km/h in die Messstrecke knallt."

Dieses Statement ist nach wie vor in vollem Umfange zutreffend.

 

Schon am 11.06.2016 hat Christian Hidde (links im Bild)hat mit seinem Taifun XS bei den Weltrekordversuchen in Rothenburg als erster eine volle Wertung mit mehr als 500km/h in die im Prinzip 300m lange WR- Strecke gebracht. 511km/h aus der einen und 497km/h aus der anderen Richtung ergaben einen Durchschnitt von 504km/h.
Eingesetzt wurde dabei ein von Thomas Schmidt selbst getunter Scorpion HK 4540 mit 14S SLS APL-V2 Zellen und einer 11" x 27" - Dreiblattklappluftschraube in einem 2-Durchflüge-"Sprintsetup".
Fast wäre der Versuch sogar FAI-Regelkonform gewesen, aber der Einflug von einer Seite war zu hoch.
Dennoch wurde damit der Beweis erbracht, dass die 500km/h FAI-(Rekord)regelkonform erreichbar waren!

Bemerkenswert ist, dass alle dabei benutzten Komponenten schon seit 2013 zur Verfügung gestanden haben!
Das unterstreicht nochmals, dass vor allem die Pilotenleistung entscheidend ist, um das Optimum aus einem Setup herauszukitzeln.

Zum 01. Juni 2017 hat die FAI ihre Rekordbedingungen massiv geändert.
Die maximale Klemmenspannung wurde deutlich reduziert. Die nun nur noch erlaubten 10S erfordern eine völlig andere Antriebsauslegung, als die bisher zulässigen 17S.

Betrachtet werden muss stets das Gesamtsystem - der Propeller oder der Motor fliegen ja nicht einzeln.
Flugtaktik und Pilotenfähigkeiten sind zwar grundsätzlich von entscheidender Bedeutung, sollen hier aber nicht Gegenstand der Diskussion sein.
In der Regel wird zuerst ein Modell existieren, zu dessen Antrieb man sich ein "Pflichtenheft" erstellt.
Wichtiger Ausgangspunkt für Auslegungsüberlegungen der Antriebskomponenten sind Modellgröße- und Gewicht sowie die Größe und das Gewicht des einzusetzenden Akkus.
Da die 10S "gesetzt" sind, bleibt bei einer bestimmten Modellgröße nur wenig Spielraum hinsichtlich der Akkuauswahl.
Diese wiederum bestimmt den maximal zur Verfügung stehenden Strom, dieser wiederum die Anforderungen an Regler und Motor.
Addiert man diese "gesetzten" Gewichte zusammen und zieht es vom maximal zulässigen Gewicht (einzuhalten sind 75g/dm 2 Flächenbelastung) erhält man das möglich Maximalgewicht für Motor und Steller.

Hinsichtlich des Motors ist auch zu beachten, dass er unter den geplanten Lastbedingungen das optimale Drehzahlniveau für die eingesetzte Luftschraube hat.
Geometrisch gesehen sollten Motorgröße(Durchmesser) und auch die Größe des Stellers den Querschnitt des eingesetzten Akkupacks nicht überschreiten, um den Flugwiderstand nicht unnütz zu erhöhen.

In diesem Konfliktfeld gilt es nun, einen sinnvollen Kompromiss (den besten!) zu finden.
Mein Ansatz ist es, von der Blattspitzengeschwindigkeit, bis zu der eine Luftschraube mit einem vernünftigen Wirkungsgrad arbeitet, "rückwärts" zu rechnen.
Für die Blattspitzengeschwindigkeit des Propellers setze ich grob 0,8 - 0,85 Mach an.

Wenn von diesem Punkt ausgeht und weis, dass die aktuellen Rekordmodelle etwa. 80-82% der Fortschrittsgeschwindigkeit des Propellers erreichen, kann man sich die notwendige Drehzahl für die angestrebte Geschwindigkeit ausrechnen.

Da die Blattspitzengeschwindigkeit gleichermaßen von Durchmesser und Steigung des Propellers abhängt, kann man nun mit einer Optimierungsrechnung anfangen.
Dabei muss man beachten, dass einerseits die selbst festgelegte maximale Blattspitzengeschwindigkeit nicht überschritten wird und andererseits der generierte Schub noch ausreicht, um das Modell im Horizontalflug auf der angestrebten Geschwindigkeit zu halten.

Um Leistungsdurchsatz, Drehzahl und Blattspitzengeschwindigkeit in ein günstiges Verhältnis zu bringen, sind bei den von uns verwendeten hohen Propellersteigungen Mehrblattsysteme ein probates Mittel.
Die hohe Steigung schützt davor, dass wie bei niedrigsteigenden Propellern beobachtet, das nachlaufende Blatt nicht in "frischer Luft" arbeitet, sondern in der Wirbelschleppe des vorigen Blattes.
Die Weltrekordversuche 2015 haben gezeigt, dass ein Unterschied in der Geschwindigkeitsausbeute am gleichen Modell zwischen 2-Blatt und 3-Blattpropeller praktisch nicht existent ist.

Wenn man so den Leistungsbedarf des Propellers überschlagen hat, kann man an die Auslegung des Motors und des Stellers gehen.
Dabei gilt vor allem das Prinzip:
"Keep it simple"
Es hat sich gezeigt, dass Motor und Steller für den besten Wirkungsgrad und beste thermische Stabilität unter Berücksichtigung der durch die Regeln (maximale Flächenbelastung) gesetzten Grenzen so groß bzw. schwer wie vertretbar sein sollten, um ihre Fähigkeiten zur Wärmespeicherung und -Abfuhr optimal auszunutzen.

Hinsichtlich des Stellers ist der "normale" Speedpilot an das gebunden, was der in diesem Leistungsbereich doch schon sehr enge Markt hergibt.
Im Einsatz bewährt haben sich die Steller von YGE. Aber auch der neue Kosmik 250, der Tribunus300 von Scorpion (mit Zusatzkondensatoren!!) oder der 300A Steller von APD könnten in Zukunft eine Alternative bieten.
Hinsichtlich der Motoren kommen Typen von Rolf Strecker, Kontronik, Xnova oder Skorpion in Frage. Sie müssen jedoch alle überarbeitet werden, um mit den nun nötigen extrem hohen Strömen umgehen zu können.
Wirklich große (entscheidende) Unterschiede im Wirkungsgrad am Arbeitspunkt sind bei diesen Motoren nicht zu erwarten - die Streuung von Modellqualität und Pilotenleistungen oder gar der Wettereinfluss sind deutlich größer.
Ich persönlich bevorzuge die Hardware der Motoren von Skorpion Powersystems, die sich seit Jahren im Einsatz bewährt haben.
Hinsichtlich des Motortunings ist die Auswahl an "Lohntunern" inzwischen wieder enger geworden, nachdem einige dieses Hobby aufgegeben haben.

Man kann sich bei seinen Rechnungen auch von den Daten des verwendeten Akkus her dem anzustrebenden Optimum nähern.
Die aktuell besten Akkus sind die 5100er Speedzellen von SLS.
Sie sind mit 70C angegeben und sind auch in der Lage, diesen Entladestrom (350A!) für 70% ihrer Kapazität sinnvoll zuzulassen.
Das bedeutet aber, dass der Akku nach ca. 37sec so leer ist, dass nur noch eine Reserve für einen mißratenen Landeanflug verbleibt. Mehr als 2 Vollastdurchflüge sind damit also nicht drin.

 

Im Juni 2018 gab es Welterkordversuche nach den aktuellen Regeln der FAI auf dem Verkehrslandeplatz Ballenstädt.
Kai Koppenburg wollte mit seinem "Taifun" den Rekord in der Klasse F 175 auf über 500km/h steigern.
Max von Prondzinski trat mit einer "Hypercrocoblade" in der Klasse F 196 an.
Er wollte den bereits in 2017 von Tim Moldtmann nach den neuen Regeln erflogenen Weltrekord (453km/h) überbieten und evtl. auch den alten F175er Rekord von 481,56km/h (gehalten von Fabian Wunderlich) übertreffen.

 

Die Planrechnungen ergaben, dass der "Taifun" von Kai Koppenburg neben den 10S 5100mAh "Speed"-Akkus von SLS einen normalen - wenn auch mit 0,1mm dünen Statorblechen etwas "aufgehübschten" 5040er "Speed" würde tragen können. Der Einsatz der dünnen Bleche bringt etwa 2-3% im maximalen Wirkunsgrad. Der Vorteil wird jedoch mit zunehmendem Strom immer kleiner, weil da ja die Kupferverluste ebenso an Bedeutung gewinnen, wie die Eisenverluste abnehmen. Ihr Einsatz ist unter Höchstlastbedingungen also mehr ein "nice to have" denn eine wirksame Leistungssteigerung.
Für die "Hypercrocoblade" war der speziell für diesen Flieger weiterentwickelte 5040 "speed" mit seinen fast 1100g vorgesehen. Von aussen sieht er zwar aus, wie ein normaler "HK 5040", aber sein Inneres ist eigentlich kaum wieder zu erkennen. Aber auch diese Maßnahmen haben (abgesehen der immensen psychologischen Wirkung) keinen wirklich wettbewerbsentscheidenden Vorteil zur Folge.
Da die eingesetzte Fläche der "Hypercrocoblade" ultrastabil und damit sehr schwer (eigentlich als Trainingsfläche für meine Wiese) gebaut worden war, ergab sich, dass der 5040er Motor im vollen Ausmaß zu schwer gewesen wäre - es musste ja für F196 auch noch die "Combo"-Batterie in der Gewichtsrechnung berücksichtigt werden!
Das "Problem" wurde auf die einfachst mögliche Weise durch eine genau auf das Zielgewicht ausgerichtete Kürzung des Statorpaketes bei unverändertem Gehäuse erreicht.
Da die 5000er SLS "Speed" Akkus dauerhaft gut und gern bis zu 350A für 70% der Akkukapazität abgeben können, mussten Bewicklung und Kühlung auf diese Stromstärke ausgelegt werden.
Der mögliche Leistungsdurchsatz aus 350A und 35-36V Lastspannung beträgt bis zu 12.5kW für ca. 45sek wenn die 10 Zellen zu maximal 70% entladen werden, um ihnen eine sinnvolle Lebensdauer zu gönnen.
Zur Optimierung des Kühlluftstromes wurde der (für den Helibetrieb konstruierte) Radiallüfter der Skorpion-HK 50XX in der bereits bewährten Weise deaktiviert und die interne Luftstromrichtung umgekehrt.
Als Steller kamen beim Taifun ein serienmäßiger YGE 320HV, bei der "Hypercrocoblade" ein speziell für >400A umgebauter YGE-HV Regler zum Einsatz.
Die Testflüge ergaben, dass diese Maßnahmen die angestrebten Folgen zeigten.
Die Akkus konnten mit der gewählten Auslegung tatsächlich in einem Rutsch entladen werden.

Am 24.Juni 2018 war das Wetter auf dem Verkehrsflugplatz Ballenstedt zwar nicht optimal, aber durchaus brauchbar.
Kai wurde nach gelungenen 515,1km/h durch abgerissene Querruderanlenkungen vorerst gestoppt.
Im Flug wurden die Akkus bei Strömen von bis zu 340A bei durchgehendem "Vollgas" komplett entladen.
Damit sind sie gut zurechtgekommen.
Auch der Motor sieht nach mehreren Einsätzen mit "full power" aussen und innen völlig unbeeindruckt aus.
Es gibt derzeit also keinen wirklichen Grund, die Kühlung mit irgendwelchen exotischen Maßnahmen zu verbessern, jedenfalls so lange, bis evtl. noch bessere Akkus auf den Markt kommen.
Aber auch dafür haben wir schon einen Plan. Die Motorbefestigung mittels Formteil und / oder "Aussenbecher" (Flächenkühlung und Statorträger als quasi "heatpipe" ist eine sehr einfach und kostengünstig zu realisierende Maßnahme, die in der Vergangenheit gezeigt hat, dass sie super funktioniert (vgl. 4235 für Dzhamal und 5035 für die Harpyie).

Max erreichte mit einem noch sehr zahmen 250A-Setup dennoch 482,1km/h.
Auch ihm gelang dabei zumindest ein Durchflug mit über 500km/h.
Sein folgender wirklich schneller Flug war leider zumindest teilweise ausserhalb der Messtrecke.
Somit kann man feststellen, dass noch nicht alles aus dem vorhandenen Material herausgekitzelt wurde, was damit möglich zu sein scheint.
Dennoch konnten alle Vorhaben realisiert werden und beide Piloten haben für 2019 noch gut Luft nach oben - wenn das Wetter passt.
Da beide Piloten 3-Blatt Systeme benutzt haben, stellt Kais Rekord zugleich den aktuellen 3-Blatt-Klapplattenrekord dar.

 

Ich möchte hier keinesfalls unterschlagen, dass Christian Hidde zwischenzeitlich gezeigt hat, dass mit einem propellergetriebenen Flugmodell ("Taifun Ultra" von Dr. Marcus Koch) bei entsprechender Antriebsauslegung bereits mit dem aktuellen Material ( wenn man rankommt) auch 600km/h für die 200m Strecke erreichbar sind, wenn man sich nicht den Regeln für die FAI Rekorde (speziell hinsichtlich Klemmenspannung und Flächenbelastung) oder für Deutsche Meisterschaften (Flächenbelastung) unterwirft.
Bemerkenswert ist, daß auch diese Geschwindigkeit mit einem Mehrblatt (4) Klapplattensystem erflogen wurde.
Der Antriebstrang bestand aus einem selbst umgewickelten Kontronik Pyro 1000 (Statorgröße 5040), einem selektierten 17S- spannungsfesten YGE Steller sowie 17S ca. 3000mAh Höchststrom-Prototypenzellen.
Man hört, dass inzwischen sogar 18S möglich sein sollen.
Übrigens ist auch bei diesem 14-15kW Antrieb keinerlei Zusatzkühlung nötig!

 

Wer es ernsthaft will, kann sich natürlich auch für die FAI-Regeln ein spezielles Rekordmodell bauen (bauen lassen), ohne dabei irgendwelche Rücksichten auf Kosten und Lebensdauer der eingesetzten Komponenten zu nehmen.
Beim konsequenten Einsatz exotischer Materialien und Herstellungsverfahren an allen Stellen, spezieller Software für den Steller, bzw. eines sensorgesteuerten Stellers und vor allem eines extrem guten Piloten ist unter optimalen Umweltbedingungen ganz sicher noch einiges mehr zu erreichen.
Auf jemanden, der das mal konsequent so durchzieht, warten wir seit vielen Jahren vergeblich.

Ob es tatsächlich so sinnvoll ist, immer dem Material gerade besten hinterher zu hecheln, sehe ich als sehr zweifelhaft an.
Auch mit anderem Material gibt es meiner Meinung nach viele verschiedene Optionen, ans Ziel bzw. aufs Treppchen zu kommen.
Vielleicht findet sich mal jemand, der bereit und Willens ist, ein völlig anderes Antriebskonzept praktisch ausprobieren: Innenläufer direkt, Innenläufer mit Getriebe, Aussenläufer mit Getriebe, viel kleinerer Motor mit Wasserkühlung ;-) oder aber irgendwas wirklich neues!
Und für die, die sowas fliegen können, sind die Konzepte mit kleinen Fliegern nach wie vor interessant. MarkusS, NiklasK und ChristianS waren ja auch nicht langsam!
Man muss sich doch nur mal ansehen, was SaschaW und MaxVP mit ihren u250g FDD's für Geschwindigkeiten erreichen! Und die sind noch sehr weit weg von 75g/dm2!

 

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