Nurflügel Experimentalflugzeug


Der Nimbus ist ein manntragendes jedoch ferngesteuertes Nurflügelflugzeug, das als Versuchs- und Messplattform zur Weiterentwicklung einer speziellen Nurflügel-Technologie konzipiert wurde. Der gepfeilte Nurflügel wurde mit einer glockenförmigen Auftriebsverteilung ausgelegt und zeigt trotz höherem induzierten Widerstand hervorragende Flugleistungen.

Konzept

Im Jahr 2001 begann die Ausarbeitung des Konzepts, die Entwicklung und der Bau, der nach 8 Jahren mit einem erfolgreichen Erstflug belohnt wurde.

Link zum Video des Zulassungsflugs: https://youtu.be/pmPw-P9ZfHY

Das Nimbus Nurflügel Projekt wurde vom Konzept bis zur flugtechnischen Abnahme erst durch das einzigartige Engagement zahlreicher Studenten ermöglicht. Mit den Initiatoren und Hauptentwicklern Ulrich Schäfer und Helge Hillreiner, den studentischen Entwicklern und Konstrukteuren des Nimbus, der Fachhochschule Aachen als Projektträger und der Unterstützung durch Up2-Tec besteht eine solide Basis zur weiteren Forschung und Entwicklung im Bereich der Nurflügel-Technologie.


 

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  Fachhochschule Aachen   Up2-Tec GmbH

 

Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik
Tel.:       +49 241 6009-52410

 

Hohenstaufenallee 6
52064 Aachen

 

Dipl.-Ing. Roman Holtz
Tel.:       +49 241 412503-40
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Dipl.-Ing. Helge Hillreiner
Tel.:       +49 241 412503-41
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Mit diesem Nurflügel-Konzept wurden zur Gewährleistung eines sicheren und stabilen Flugverhaltens spezielle aerodynamische Theorien in der Praxis umgesetzt. Die numerisch untersuchte, strukturmechanische Auslegung der GFK-/ CFK-Mischbauweise ist schwingungssicher und bezieht aeroelastische Aspekte mit ein.

Ein ultraleichter Berstschutz bietet eine gesteigerte Sicherheit im Falle eines Triebwerksschaden.

Schnitt Triebwerke

Die beiden Triebwerke TJ70 Raptor der Firma Frank Turbine bieten mit jeweils bis zu 160 N einen ausreichenden Schub.

Weitere Details zu den Triebwerken finden Sie unter: http://www.frankturbine.com

 


Daten


  • Rudermomenten
  • Auftriebsverteilungen
  • Auftriebsschwerpunkt
  • Verwindungsverteilung Aeroelastischem Verhalten
  • Teilvariabler Flügelgeometrie
  • Stabilitätsmaßbetrachtung
  • Flugmechanische Untersuchungen

Nach Fertigstellung des Prototypen Mitte 2009 wurde mit der Flugerprobung begonnen. Dabei wurden alle flugrelevanten Daten an Bord erfasst und in Echtzeit mit mehreren Videobildern digital zur Bodenstation gefunkt. Mehrfach redundante Übertragungswege der Telemetrie-Ausrüstung unterstützen dabei einen sicheren Flug. In künftigen Versuchen soll die Ruderentkopplung und notfalls das integrierte Rettungssystem getestet werden.

 Nimbus STart

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nimbus Flug

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Die Fernsteuerung ist vergleichsweise einfach und direkt, es bedarf keiner speziellen Regelungstechnik oder Computerunterstützung zur Durchführung von Flugmanövern. Zusätzlich bietet eine hoch-entwickelte drahtlose Messtechnik die Möglichkeit einer ständigen Überwachung an der Bodenstation. Ein echtzeitfähiger Feldbus (TTP-A) steht für diverse Mess- und Regelungsaufgaben zur Verfügung.

NimbusBodenstation

 

Mini-Autoklav

Die Entwicklung einer „Mini-Autoklav“-Anlage wurde durch das Erfordernis einer effizienteren Nutzung des klassischen Autoklavierverfahrens inspiriert. Dabei wird das Prinzip einer regelbaren Widerstandsheizung genutzt, das in Kombination mit einer unter Druck stehenden Elastomer-Membran ein DIN A4 großes Sample gleichzeitig pressen, tempern und evakuieren kann. Mit dieser Anlage können diverse Arten ebener Faserverbunde hergestellt werden. Auch Verbundglasscheiben mit Heizdrähten können verarbeitet werden.

Im Rahmen weiterer Forschungen ist die Entwicklung einer Anlage zur Herstellung 3-dimensionaler Formen mit flexibel regulierbaren Heizfeldern geplant.

 

 Mini-Autoklav

Großmodellsegelflugzeug


Mit ihren ausgezeichneten Flugeigenschaften ist die LS-8 ein einzigartiges Hochleistungs-Segelflugzeug und ideale Basis zur Entwicklung einer Versuchsplattform. Zur Durchführung verschiedener Flugmessversuche fertigt derzeit das Studentenprojekt Stuko-LuRa ein ferngesteuertes Modell der LS-8 im Maßstab 1:2, das unter anderem zur Erprobung eines Pilotenrettungssystems für Segelflugzeuge genutzt werden soll.

Im Jahr 2004 begann die Ausarbeitung des Konzepts, die Entwicklung und der Bau mit einer planmäßigen Fertigstellung im Jahr 2016.

LS8 Rendern

Das LS-8 Projekt wird und wurde vom Konzept bis zur Fertigung der einzelnen Bauteile erst durch das einzigartige Engagement zahlreicher Studenten ermöglicht.

Mit der Fachhochschule Aachen als Projektträger, der Unterstützung durch Up2Tec und unter der akademischen Leitung von Herrn Prof. Bauschat, dem Nachfolger von Herrn Prof. Röger, besteht eine fundierte wissenschaftlich-technische Basis zur weiteren Forschung und Entwicklung im Bereich der Segelflugzeuge und Pilotenrettungssysteme.

  Konzept LS8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dieses Projekt erfordert auch weiterhin die Unterstützung der Studenten. Dazu werden unter anderem Studien-, Praxis- und Abschlussarbeiten angeboten. Sollten Sie Interesse oder Fragen haben stehen wir Ihnen gerne zu Verfügung.

Aussichten zur weiteren Nutzung des Großseglers:

  • Untersuchung eines Pilotenrettungssystem
  • Optimierung der Flugleistung durch Fluglagekontrolle
  • Festigkeitsoptimierung (Reduktion der Masse)
  • Gegenüberstellung der Flugeigenschaften von Originalflugzeug zu einem Modellflugzeug
  • Steuerungs- und Regelungstechnik
  • Flugmechanik

Künftig sollen an diesem Projekt Studienarbeiten über die Flugleistungen, die Festigkeit und den „Momentenhaushalt“ angeboten werden.


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Fachhochschule Aachen

 

Up2-Tec GmbH

 

 

Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik
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Dipl.-Ing. Roman Holtz
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Dipl.-Ing. Helge Hillreiner
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Die Entwicklung und die Konstruktion eines Großmodellsegelflugzeuges nach dem Vorbild der LS 8 wurde nicht nur dadurch getrieben ein leichtes Fluggerät zu schaffen sondern vielmehr aus wissenschaftlich-technischen Aspekten heraus. Einen Forschungsschwerpunkt des Projekts stellen die „Pilotenrettungs-systeme“ dar. Derartige Systeme können im Entwicklungsstadium nicht mit Piloten getestet werden, weshalb auf ferngesteuerte Flugzeuge zurückgegriffen wird. Dazu dient ein maßstabsgetreuer Modellnachbau, der ferngesteuert und mit einer Datenerfassung ausgerüstet, für eine gefahrlose Durchführung solcher Flug-Versuchsreihen geeignet ist. Das dynamische Verhalten des Flugzeugs ist dem Original entsprechend anzupassen, wodurch eine Nachbildung des Verhaltens eines Segelflugzeuges samt Piloten im Versuch möglich wird.

Um eine flugdynamische Ähnlichkeit zu gewährleisten ist die Massenträgheit, die durch die Massenverteilung und die Dimensionen bestimmt wird, originalgetreu anzupassen. Zur Wiederholbarkeit der Experimente wird das gesamte Flugzeug in Negativformen gebaut. Mit 9 m Flügelspannweite stellt die LS 8 ein Großmodell dar, das auch für andere flugmechanische Untersuchungen und Projekte zur Verfügung steht. Aufgrund des Gewichts und der Maße, wird das Flugzeug mit einem Klapptriebwerk (E-Motor) ausgerüstet.


Die strukturrelevanten Bauteile werden zunächst am Computer konstruiert (CAD) und für weitere Untersuchungen der aerodynamischen Eigenschaften (CFD) und der Festigkeit (FEM) herangezogen.

LS8 CFD

Nach der Vordimensionierung aller relevanten Parameter hinsichtlich der Flugleistung und der dynamischen Ähnlichkeit wurde mit der CAD-Konstruktion begonnen. Zur originalgetreuen Abbildung wurde ein realitätsnahes Modell erzeugt, dass eine aufwändige CAD-Konstruktion über mehrere Jahre erforderte. Zur Herstellung der Formen wird ein G-Code erzeugt, der zur Ansteuerung der CNC Portalfräse erforderlich ist. Dadurch werden minimalste Abweichungen zwischen Konstruktion und späterem Bauteil erreicht und eine profiltreue Tragflächen-Kontur garantiert.

Ls8-1

Für die geplanten Versuche des zu integrierenden Rettungssystems sind Notsituationen herbeizuführen, die vorrausichtlich zu Schäden am Modell führen werden. Zwecks Reproduzierbarkeit der Bauteile müssen die Formen somit besonders haltbar sein, weshalb sie in GFK-Bauweise gefertigt werden. Hinzu kommen die – im Segelflug üblichen – hohen Ansprüche an die Oberflächengüte. Aufgrund ihrer Größe, stellten die Flügel- und Rumpfformen eine besondere Herausforderung dar.


 

Spannweite: 7.5 m/ 9 m

Rumpflänge: 3.35

Flügelfläche: 2.79

Streckung: 29.03

Max. Abflugmasse: 25 kg/ 45 kg

 

Flugleistungen (errechnete Werte)

Vmax: 186 km/h

min Sinken (25 kg): 0,395 m/s bei 11.83 m/s

Gleitzahl (45 kg):>1:32 bei 18.05 m/s


Die Formen der Tragflächen werden aus PU-Hartschaum gefräst. Urmodelle als Positivform ermöglichen eine mehrfache Herstellung der Negativformen und vereinfachen zusätzlich die darauf folgenden Arbeitsschritte. Diese Schritte umfassen Lackier-, Schleif- und im „finish“ Polierarbeiten. Von den Urmodellen werden beheizbare Formen aus GFK abgenommen. Weitere Formen werden in MDF gefräst.

Mit den hochwertigen Negativformen wurden bereits diverse GFK- und CFK-Bauteile gefertigt, die den hohen Ansprüchen des Projektes genügen. Darunter sind beispielsweise die Holme, Flügelschalen, Leitwerke und viele weitere Kleinteile.

Nach Herstellung aller Komponenten wird das Modell zusammengebaut, um folgend erste erfolgreiche Probeflüge zu absolvieren.

LS8-FormenLS8-Fluegel

 


Das Modellversuchsflugzeug besteht wie beim Original aus einem zentralen Rumpf, zwei Tragflügeln, einem Seitenleitwerk und dem Höhenleitwerk. Die Struktur des Rumpfes dient der Adaption diverser Komponenten wie dem Fahrwerk, der Energieversorgung, der Telemetrie, dem Datenlogger und dem Rettungssystem. Die Kräfte aus dem Auftrieb werden über die Holme und die Querkraftbolzen auf den Rumpf übertragen. Auch hier stellen die Simulations-Ergebnisse sicher, dass diese Lasten ertragen werden können. Nach Fertigstellen erster Prototypen werden Belastungstests durchgeführt, die nicht nur eine Kontrolle der Simulation darstellen, sondern vielmehr den Nachweis der Belastbarkeit erbringen.

Die Tragflächen werden in Schalenbauweise mit Hilfe von Negativformen hergestellt. Basierend auf den Laminatberechnungen und unter Ausnutzung der Faserverbundeigenschaften wird eine optimale Festigkeit bei minimalster Masse erzielt. Als Kernmaterial des Sandwichverbundes werden leichte und ausreichend feste Schäume eingesetzt.

Der Holm wird untypisch als besonders torsionssteifer Kastenholm gefertigt.


Der erste Prototyp einer Tragfläche wird einem Bruchtest unterzogen. Hierbei wird die Belastbarkeit des Flügels nachgewiesen und die Traglast bestimmt, die zum Versagen führt. Aerodynamische Luftlasten werden simuliert, indem der Flügel an der Wurzel eingespannt ist und über die Fläche verteilte Lasten aufgebracht werden.