Wie Ornithopter Fliegen

1.1 Flugbilder vom EV7a

Vor dem Start wird die Gasdruckfeder aufgepumpt. Über den Druck lässt sich das Schlagzeitverhältnis von Auf- zu Abschlag be­einflussen. Bei den EV-Modellen wurde meist das Verhältnis 1:1 angestrebt.

Hochstart
Mit dem EV7a wurden erstmals Hochstarts mit einem Gummistrang durchgeführt. Es genügte eine Ausklinkhöhe von etwa 10 Metern. Die Antriebs­mechanik muss dabei in der Gleitflugstellung sicher verriegelt werden.

Im Gleitflug war die Flügelverwindung in Ordnung.

Flügelverwindung beim Abschlag
Im Armflügelbereich stimmt sie etwa. An der Spitze des Handflügels ist die Flügelverwindung aber aus heutiger Sicht viel zu klein. Siehe hierzu:

• - Bericht über Die Entwicklung der EV-Schlagflügelmodelle, Bild 26 (PDF 1,4 MB)
• - Handbuch, Abschnitt 6.5 (ohne Fotos, PDF 3,3 MB)

Flügelverwindung beim Aufschlag

Überschwingung des Anstellwinkels
(Anmerkung wie entsprechendes Bild vom EV6)
In den Flügelendlagen steigt die Flügelverwindung im Handflügelbereich zu stark an. Dies wird insbesondere durch die Massenträgheit der Flügelhinterkante beim Abbremsen der Schlagbewegung und Beschleunigen in Gegenrichtung hervorgerufen. Zum Zeitpunkt des Flügelstillstands in den Endlagen sollte im Interesse der Auftriebs- und Schuberzeugung eigentlich der Anstellwinkel des Gleitfluges vorliegen.
Es gibt aber auch Vorteile der Überschwingung.
Siehe Handbuch, Abschnitt 6.8 und 6.9.

Überlandflug
Dies ist eine der Originalaufnahmen, deren Modellbildausschnitte zu einem Bilderstreifen zusammengesetzt wurden. Alle Bildausschnitte wurden an Hand von Landmarken lagerichtig zueinander ausgerichtet.

Flugbilder im Großformat (136 KB)

1.2 Flugstabilität der Ornithopter

Bei allen EV-Schlagflügelmodellen mussten die Kraftflüge wegen mangelnder Flugstabilität immer wieder vorzeitig abgebrochen werden. Ursachen dafür waren

• Verlust des Kräftegleichgewichtes bei Variation
  der Fluggeschwindigkeit bzw. des Flugbahn-Steigungswinkels
• mangelnde Übung und Nervosität des Fernsteuerpiloten
• Sichtprobleme wegen großer Entfernung bzw. sehr großem Kurvenradius

Wahrscheinlich spielt auch die mit der Flügelverwindung sich ständig ändernde Einstellwinkeldifferenz eine Rolle. Jedenfalls war bei fast allen EV-Modellen nach dem Neubau das Höhenleitwerk erst einmal zu klein konstruiert.

Das labile Kräftegleichgewicht eines hauptsächlich Auftrieb erzeugenden Schlagflügels bei veränderlicher Fluggeschwindigkeit lässt sich auch rechnerisch nachvollziehen. Siehe hierzu Handbuch, Abschnitt 8.6.

Die aufgetretenen Schwierigkeiten werden durch die stark wechselnde Rumpfneigung in einigen der nachstehenden Bilder eines Kreisfluges deutlich.

Bei den Flugversuchen habe ich mehrfach die Erfahrung gemacht, dass das Modell bei Erhöhung der Schlagfrequenz in den Sinkflug überging. Ich habe das damals immer nur auf eine zu geringe Flügelverwindung und einen Strömungsabriss im äußeren Flügelbereich zurückgeführt, insbesondere beim Flügelabschlag. Auch beim Flügelaufschlag kann so etwas vorkommen. Bei einem Strömungsabriss werden Schub und Auftrieb gleichzeitig kleiner. Es gibt aber auch noch andere mögliche Ursachen für dieses Flugverhalten.

Eine davon ist die Verlagerung des Auftriebszentrums beim Flügelaufschlag. Ist beim Aufschlag der Auftrieb nahe der Flügelspitze zunächst vielleicht nur wenig negativ, so wird er bei Erhöhung der Schlaggeschwindigkeit noch negativer. Da der Auftrieb nahe der Flügelwurzel nahezu gleich groß bleibt, entspricht das einer Verlagerung des Auftriebs Richtung Flügelwurzel. Das verstärkt zwar den Schub, reduziert aber den Auftrieb. Auf diese Weise geht das Modell, trotz Schubsteigerung, in den Sinkflug über. Erst bei weiterer Erhöhung der Schlagfrequenz reißt dann beim Aufschlag die Strömung ab.

Die Auftriebsminderung beim Aufschlag infolge der Auftriebsverlagerung kann durch größeren Auftrieb beim Abschlag oder durch Höhensteuerung ausgeglichen werden. Dazu muss aber das Flügelprofil über genügend Auftriebsreserven verfügen (z. B. durch große Flügeltiefe). Bei meinen Modellen war das offensichtlich nicht der Fall.

Außerdem wird bei Erhöhung der Schlagfrequenz die Neigung der Auftriebskraft längs des Flügels größer. Beim Aufschlag neigt sie sich mehr nach hinten und beim Abschlag mehr nach vorne. Dadurch wird zwar der Schub größer, aber der Auftrieb kleiner. Wird der größere Schub zur Erhöhung der Fluggeschwindigkeit genutzt, so kann der Auftrieb wieder ansteigen. Die Geschwindigkeitserhöhung erfolgt aber nicht schlagartig. Sie beansprucht insbesondere bei schweren Modellen eine gewisse Zeit. Während dieser Beschleunigungszeit ist der Auftrieb noch zu klein und das Modell verliert an Höhe. Um diesen Effekt zu vermeiden, sollte man die Schlagfrequenz nur in kleinen Schritten bzw. nur sehr langsam erhöhen. Entsprechende Versuche wurden damals aber nicht durchgeführt.

Eine Erhöhung der Schlagfrequenz bietet also keine Gewähr für einen Steigflug. Leider führte bei meinen Modellen auch eine Reduzierung der Schlagfrequenz nicht zu mehr Steigflug. Das Fenster der optimalen Schlagfrequenz war einfach zu klein. Nach neueren Erkenntnissen flog das Modell EV7 wahrscheinlich mehr im Reiseflug- als im Streckenflug-Modus. Die Auftriebsverteilung während des Aufschlags ist dabei ganz anders als ursprünglich vorgesehen (siehe Diagramm der Auftriebsverteilungen auf der Seite Gangartwechsel).

1.3 Videos vom EV7a (1990)

Szene 1

zeigt einen kurzen Kraftflug mit einer Umschaltung zum Gleitflug. Dabei wird ein Triebstockantrieb mit elektronischer Umschaltung verwendet.

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640 x 480 mp4 (0,8MB)

480 x 360 mp4 (0,5MB)

320 x 240 mp4 (0,2MB)

Szene 2:

Bei diesem Kraftflug ist insbesondere die zyklische Änderungen der Flügel­verwindung ist gut zu beobachten.

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640 x 480 mp4 (0,5MB)

480 x 360 mp4 (0,3MB)

320 x 240 mp4 (0,1MB)

Szene 3:

Sie zeigt mit einer Dauer von etwa einer Minute einen der wenigen längeren Flüge. Man sieht insbesondere:

• einen Hochstart auf ungefähr 10 m Höhe,
• einen Übergang von Gleitflug auf Kraftflug mit einem Triebstockantrieb,
• die relativ langsame Schlagbewegung
  (Schlagperiodendauer etwa 1,1 sec.),
• die trotzdem nur geringe auf und ab Pendelbewegung des Rumpfes,
• einen Horizontalflug über eine längere Strecke, ohne Hangaufwind oder Thermik und
• die Folgen des Zusammenbruchs von Auftrieb und Schub durch Strömungsabriss nach einem kurzen Steigflug (siehe oben, Abschnitt Flugstabilität der Ornithopter).

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2.1 Drei-Meter-Vogel im Anflug

- ein Modellflugerlebnis -

Die folgenden Bilder zeigen den EV7b (mit Federn an den Flügelspitzen) im Anflug. Er überwindet mit wenigen Flügelschlägen größere Entfernungen (hier ca. 9 Flügelschläge). Die unterschiedlichen Flügelverwindungen beim Auf- und Abschlag sind gut zu erkennen.