Rechenprogramme
für Ornithoptermodelle
Inhalt:
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- Titelbild des Handbuches
Für Schlagflügel gibt es kein allgemein übliches Rechenverfahren. In jeder Literatur-Fundstelle werden andere Rechenwege beschritten.
Alle hier aufgeführten Orni-Rechenprogramme basieren auf dem
Rechenverfahren, dass im Handbuch Wie
Ornithopter fliegen
beschrieben ist. Damit können insbesondere
die Leistung und die Flügelverwindung bei stationären Flugzuständen
bestimmt werden. Außerdem ermöglicht das Rechenverfahren zumindest
näherungsweise eine quantitative Beschreibung der Dynamik und Aerodynamik
von profilierten Schlagflügeln. Vor allem der zahlenmäßige
Vergleich diverser Schlagflügel-Einflussgrößen ist damit möglich.
Es werden profilierte Schlagflügel und quasistationäre Strömungsbedingungen vorausgesetzt. Die Berechnungen führen also nur beim schnellen Vorwärtsflug mit relativ kleinen Schlagfrequenzen zu brauchbaren Ergebnissen (z. B. große Vögel; siehe Bescchreibung vom Fliegen mit dem Auftrieb).
Die mathematischen Modelle sind nur mit der jeweiligen Anwendersoftware lauffähig.
Ein Rechenschema zur Erstellung eines eigenen Rechenprogramms ist im Handbuch, im Anhang D zu finden.
1. Orni 1
Einfaches Rechenprogramm
Insbesondere zur Berechnung der Schlagflügelverwindung
Die Gleichungen aus dem Handbuch werden in einem kleinen Excel-Rechenprogramm angewendet:
Download orni1.xlsx Version 5.0 (mit Kurzanleitung, 0,1 MB)
Dieses Werkzeug ermöglicht hauptsächlich die Berechnung der Flügelverwindung bei gegebener Auftriebsverteilung und gegebenen Flügelabmessungen.
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- Prinzipieller Kraftverlauf während einer Schlagperiode
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- Rechenschema für Schlagfügelkräfte
Die zusätzliche Ermittlung von Flugmodelldaten ist in diesem Rechenprogramm stark vereinfacht. Die detaillierte Berechnung des Kraftverlaufes während einer Schlagperiode ist durch die Annahme eines sinusförmigen Kraftverlaufes ersetzt. Die exakte Kopplung von Schlagbewegung und Verwindung bleiben also unberücksichtigt. Nur die Bezugslinie (wie Gleitflug) und die Amplitude der Sinushalbwelle in der Mitte jedes Flügelschlags werden ermittelt. Auf diese Weise werden die Fläche unter dem Kurvenzug und damit die Größe der Kräfte näherungsweise berechenbar.
2. Orni 2
Rechenmodell für Ornithopter
Das grundsätzliche Rechenverfahren des Handbuch Wie
Ornithopter fliegen
wird Schritt für Schritt nachvollzogen.
Die aufgeführten Gleichungen entstehen mit begleitenden Texten,
Diagrammen und Bildern.
Die Einhaltung des zulässigen Auftriebsbeiwert-Arbeitsbereiches des verwendeten Profils wird im Rechenprogramm automatisch gewährleistet. Auch die Herstellung des Kräftegleichgewichts im Flug erfolgt auf einfache Weise. So gelangt man sicher zu den Flugdaten der gewählten Modellkonfiguration.
Für die Konstruktion eines Schlagflügelmodells beschreibt das Rechenprogramm diverse Kraft- und Momentverläufe am Flügel. Auch die erforderliche Motorleistung und vor allem die Flügelverwindung längs der Spannweite werden berechnet.
Das Rechenprogramm wurde hier mit der Software Mathcad
geschrieben.
Infolge des Daten- und Seitenumfangs, ist seine Handhabung etwas
gewöhnungsbedürftig.
Webseite
zum Ansehen
PDF-Datei
zum Drucken
Arbeitsblatt
für Mathcad-Anwender
3. Orni 3
Für Vergleiche in Berechnungsserien
Dieses Werkzeug baut auf dem Rechenprogramm Orni 2 auf. Es lassen sich damit die Gleit- und die Kraftflüge eines Schlagflügelmodells einzeln und auch reihenweise untersuchen.
Um ein Ornithoptermodell zu berechnen, wird es zunächst über diverse Eingangsparamter definiert. Einer davon wird als Bereichsvariable festgelegt. Im gewählten Datenbereich erhält man dann die Flug- und Antriebsdaten, unter automatischer Einhaltung der Flügelprofildaten und des Kräftegleichgewichts.
Da das Rechenmodell nur wenige Beschreibungen enthält, sollte vorher das Rechenprogramm Orni 2 bekannt sein.
Das Rechenprogramm wurde mit der Software Mathcad
geschrieben.
Webseite
zum Ansehen
PDF-Datei
zum Drucken
Arbeitsblatt
für Mathcad-Anwender
Hinweis
Die hier aufgeführten Rechenprogramme sind als Open-Source-Software zu verstehen. Damit ist es jedem möglich, Einblick in das Rechenverfahren zu nehmen. Jeder hat die Erlaubnis diesen Quellcode beliebig weiter zu geben, zu verändern und vor allem zu korrigieren und zu verbessern.
4. Vergleich der Transportleistung
eines Schwans mit der von Flugmodellen
Die Flugleistung eines Höckerschwanes wird mit den Leistungen von einem Propeller- und einem Schlagflügelmodell verglichen.
Download Vergleich (xlsx, 28 KB)
Der Höckerschwan benötigt die meiste Energie. Das liegt insbesondere an dem kleinen Wirkungsgrad seiner Muskeln und nicht an seiner Flugtechnik. Dafür hat der Schwan den Vorteil, dass sein Körperfett ein Speicher mit hoher Energiedichte ist. Mit den verwendeten Rechenmodellen ist das Schlagflügelrmodell geringfügig effizienter als das Propellermodell.
Auch das Schlagflügelmodell aus dem Handbuch wird einem entsprechenden Propellermodell gegenüber gestellt.