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Wie Ornithopter Fliegen

Flagge flag vlag pavillon

Gewindespindelantrieb
des Ornithoptermodells EV8

1. Komponenten

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2. Antriebsmechanik

  1. 1. Die Einheit aus Antrieb und Flügelmittelstück (AF) ist im Bereich der Flügelendleiste so im Rumpf gelagert, dass sie für einen zusätzlichen Anstellwinkel der Flügelwurzel (z. B. + 6 Grad) nach oben geschwenkt werden kann.
  2. Die Rolle bewegt sich durch den Schlagflügelantrieb auf und ab.
  3. Die seitliche Bewegung der Steuerkulisse wird für die Steuerung des zusätzlichen Anstellwinkels beim Flügelaufschlag verwendet. Sie muss entweder durch einen Hebel, einen Bowdenzug oder durch eine Schnur in eine Auf- und Abbewegung der AF nahe der Flügelvorderkante umgewandelt werden.
  4. Die seitliche Bewegung der Steuerkulisse muss leicht gängig und verkantungsfrei in einer Führung erfolgen, die am Antriebsrahmen befestigt ist.
  5. Die Form der Führungsbahn entspricht etwa dem Verlauf des Anstellwinkels α in dem Aufsatz Auftrieb beim Flügelaufschlag, Version 10.1, Bild 21, PDF 1.0 MB.
  6. Im Bereich der Schlagendlagen muss die seitliche Bewegung der Steuerkulisse unterstützt werden. Bei Umlauf der Rolle entgegen dem Uhrzeigersinn,
    • nahe der oberen Rollenendlage nach links,
      z. B. durch eine weitere Steuerkulisse mit diagonal verlaufender Führungsbahn und einer Feder oder durch eine Winkelhebel-Feder-Konstruktion
    • nahe der unteren Rollenendlage nach rechts,
      z. B. durch vorstehende, zweite Steuerkulisse mit diagonal verlaufender Führungsbahn und einer Feder oder durch den ständigen Federzug von folgendem Pkt. 7.
  7. Die AF sollte durch eine Feder in die Nullstellung des Anstellwinkels gezogen werden (entgegen der Auftriebskraft).

Auch andere Anstellwinkel direkt am Flügel kann man damit vom Antrieb aus steuern.

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3. Antrieb-Funktionsbeschreibung

Bei Anwendung eines Kugelgewindetriebs muss bei jedem Wechsel der Flügelschlagrichtung auch der Motor die Drehrichtung wechseln. Dies erscheint zunächst recht nachteilig. Wird der Drehrichtungswechsel aber weitgehend durch mechanische Kräfte von außen bewirkt, so halten sich die Motorverluste dabei in Grenzen. Der Vorteil dieser Antriebstechnik ist ein relativ hoher Wirkungsgrad im Bereich der Schlagmitte.

Auch bei den bisherigen EV-Mechaniken arbeitete der Antriebsmotor im Bereich der Schlagendlagen nicht sehr effektiv (Leerlauf).

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3.1 Funktionsdiagramm

EV8 Antrieb Funktionsdiagramm
Funktionsdiagramm

Beim EV8 erfolgt die Bewegungsumkehr der rotierenden Antriebs- und Flügelmassen hauptsächlich durch mechanische bzw. aerodynamische Kräfte.

  • in der unteren Flügelendlage durch die Auftriebskräfte des Flügels und
  • in der oberen Flügelendlage durch eine sogenannte Endlagenfeder.

Die während der Umsteuerung auftretenden elektromechanischen Motorkräfte sollen die Bewegungsumkehr nur geringfügig unterstützen.

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3.2 Wechsel der Schlagrichtung

3.2.1 Bewegungsumkehr in der unteren Flügelendlage
Flügelrohbau freitragend in Aufschlag-Verwindungsstellung (EV8b)
Flügelrohbau in Aufschlag-Verwindungsstellung

Das Schlagflügel-Holmgerüst ist wie beim EV6 und EV7 so konzipiert, dass es durch seine innere Vorspannung immer versucht die Aufschlag-Verwindungsstellung einzunehmen. Zur Veranschaulichung der inneren Vorspannung ist das Flügelgerippe in nebenstehendem Bild freitragend in Rückenlage aufgestellt. Diese Vorspannung ist für die Bewegungsumkehr in der unteren Schlagendlage wichtig. Die Bewegungsumkehr spielt sich etwa wie folgt ab: (Nr. wie Punkte im Funktionsdiagramm)

  1. Die Motorumschaltung erfolgt, wenn die Flügel beim Abschlag die untere Vorendlage erreichen. Durch die Verzögerungszeit im Drehzahlsteller wirkt sie zunächst wie eine Abschaltung.

    Der Auftrieb am Flügel ist gegen den noch laufenden Abschlag gerichtet. Die bewegten Massen werden dadurch immer langsamer. Auch die Auftriebskraft und die Flügelverwindung lassen nach.

  2. Kommt der Abschlag in der unteren Endlage zum Stillstand, entspricht die Flügelverwindung theoretisch derjenigen im Gleitflug. Ebenso die Auftriebskraft. Sie beschleunigt nun den Flügel wieder nach oben.

    Etwa zu gleichen Zeit beginnt auch der elektrische Hochlauf des Motors in die neue Drehrichtung. Noch arbeitet er aber weitgehend ohne Belastung. Über den Kugelgewindetrieb wird die Motorbeschleunigung hauptsächlich von den Flügelkräften bewirkt.

  3. Mit zunehmender Aufschlaggeschwindigkeit lassen die Auftriebskräfte weiter nach. Der Flügel nimmt immer mehr die maximale Aufschlag-Verwindungsstellung ein. Er erreicht sie etwa in der unteren Vorendlage.

    Der Motor hat dort die volle Drehzahl erreicht. Er übernimmt nun mit seiner elektromechanischen Kraft den Antrieb für den weiteren Flügelaufschlag und das Spannen der Kompensationsfeder.

Für den ganzen Vorgang ist der hohe Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs bei Umwandlung der linearen in die rotierende Bewegung von großer Bedeutung.

Die Bewegungsumkehrarbeit - auch die der rotierenden Antriebsteile - wird hauptsächlich von der Flügelauftriebskraft verrichtet.

Zu den rotierenden Teilen des Antriebs zählen Gewindespindel, Zahnriemenräder und Motor (Rotor). Der Drehimpuls des Motors ist wegen seiner hohen Drehzahl beträchtlich.

Man kann in der unteren Flügelendlage die Bewegungsumkehr des Flügels wie beim Triebstockantrieb auch durch eine Endlagenfeder unterstützen. Für die Schuberzeugung ist das ohne Bedeutung, für den Auftrieb aber eher nachteilig.

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3.2.2 Bewegungsumkehr in der oberen Flügelendlage
Stahlfeder
Endlagen Stahldruckfeder

In diesem Bereich übernimmt anstelle des Flügelauftriebs eine so­genannte Endlagenfeder aus Stahl die positive und negative Beschleunigung der Massen. Der Bewegungs­ablauf funktioniert sonst analog wie vorstehend.

Im Bereich der oberen Flügelendlage arbeitet der schon beim Aufschlag dort anwachsene Auftrieb ständig gegen die Bewegungsumkehr. Die Endlagenfeder muss daher auch diese Kraft überwinden. Entsprechend kräftig ist ihre Dimensionierung (Federkraft max. 976 N).

Bei gutem Rückführungswirkungsgrad der Flügelmassen- Bewegungsenergie über den Kugelgewindetrieb und den Motorsteller in den Antriebsakku kann diese Endlagenfeder später auch schwächer ausgelegt werden.

Der Energiefluss der schwingenden Schlagflügelmasse ist im Handbuch, Abschnitt 5.3 beschrieben.

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4 Testvorrichtung

Testvorrichtung für Schlagflügelantrieb, geöffnet
Testvorrichtung für Schlagflügelantrieb
Testvorrichtung für den
EV8-Schlagflügelantrieb

Zur Erprobung der Antriebsfunktionen beim Zusammenwirken von Elektronik und Mechanik wurde eine Testvorrichtung gebaut.

Das nach unten hängende Pendel hat das gleiche Trägheitsmoment wie die beiden Schlagflügelhälften. Die aerodynamischen Kräfte von Auf- und Abschlag werden durch einstellbare Dämpfungszylinder grob nachgebildet.

Einige Fragen bleiben aber bis zur praktischen Kraftflug-Erprobung noch offen.