Antriebsabschätzung für Tragflügelboot

[Hansen-Bengel]

Hallo,

 

ich kann denn Link irgendwie nicht öffnen.

 

Gruß Tim

Bekommst ein "Forbidden" angezeigt?

Klick einfach mit der Maus nochmal in die Adresszeile und drück <Enter>...

[RuhrPirat]

Auch "403 forbidden"

[Schifferlfahrer]

Jo, die Lösung von Hansen-Bengel funktioniert, warum auch immer:lol:

 

Und das Bild schaut, ganz der Problemlösung angemessen, gruselig aus:D

[Guest Mugen]

Hallo,

 

jo habe ich angezeigt bekommen aber durch den Tipp von Hansen-Bengel hat's funktioniert.

 

Sehe ich das richtig? Ist das ein Amphibien-Fahrzeug? Und aus Land klappen sie die Tragflächen hoch? Und die lange Welle?

 

Gruß Tim

[Guest Jo_S]

Interessantes Projekt. Aber auch sehr ambitioniert. Die Auslegung eines Hydrofoils entspricht aero-/hydrodynamisch im Grunde sehr genau der Auslegung eines Flugzeugs. Da entscheiden die gleichen Faktoren über Sieg oder Niederlage. Die Motorisierung halte ich für das geringste / kleinste Problem; die hydrodynamische Auslegung ist ganz erheblich komplexer. Du wirst also entweder sehr viel ausprobieren müssen (halte ich nicht für zielführend), oder sehr viel lesen und noch mehr rechnen. Ohne gute (Grund-)Kenntnisse von Profilpolaren, Re-Zahlen, elliptischer Auftriebsverteilung, Auftriebs- und Widerstandsbeiwert, Einstellwinkel und -differenz etc. wird das Ganze sicher außerordentlich schwierig bis unmöglich.

 

Ich würde an so eine Aufgabe mit einem asymmetrischen Allround-Profil mit ca. 10% Dicke drangehen, z.B. NACA 4310. Ein symmetrisches NACA 0010 wird sicher auch gehen, liefert aber ein vergleichsweise geringeres Auftriebsmaximum. Die üblichen Profile für z.B. Ruder und Kielschwerter (oft NACA 0006) sind zu dünn, dickere Profile machen unnötig viel Widerstand. Für die Längsstabilität wäre vermutlich auch ein Profilstrak (z.B. von 4310 auf 0010) hilfreich.

 

Diese Profile sind zwar für die erheblich(!) höheren Geschwindigkeiten von Flugzeugen entwickelt worden. Sie verhalten sich jedoch im Wasser bei geringeren Geschwindigkeiten praktisch identisch, weil das Medium viel dichter ist (= höhere Re-Zahl). Der Auftrieb entsteht zu 2/3 auf der Oberseite des Foils (Sog) und nur zu 1/3 an der Unterseite, das Ganze hat also nichts mit dem "Wasserski-Prinzip" bzw. mit dem Aufgleiten von Rennbootrümpfen zu tun.

 

Die Profile würde ich - im Gegensatz zur Flugzeugaerodynamik - mit einem Anstellwinkel recht nah am maximalem Auftriebsbeiwert einsetzen, wobei das vordere Foil deutlich stärker angestellt sein muss als das hintere (Einstellwinkeldifferenz). Ein hoher Anstellwinkel erleichtert dir das Aufgleiten (hohes ca), begrenzt aber gleichzeitig die Maximalgeschwindigkeit (hohes cw).

 

Bei einem Flugzeug ist üblicherweise die Tragfläche mit einem positiven Anstellwinkel versehen und das Höhenleitwerk (= 2. "Tragfläche") mit 0° angestellt (minimaler Widerstand). Der Schwerpunkt liegt je nach Profil bei ca. 25-45% der Flächentiefe. Ein Hydrofoil ist anders ausgelegt: es entspricht im Grunde einem Tandemflugzeug mit zwei Tragflächen. Die hintere Tragfläche ist dabei stärker angestellt als ein HLW, weil sie im normalen "Flugzustand" zum Geamtauftrieb beiträgt. Der Schwerpunkt liegt deshalb deutlich hinter der vorderen Tragfläche. Die Position des Schwerpunkts ist relativ kritisch, d.h. du hast nur einen kleinen Bereich, in dem der Schwerpunkt verschoben werden kann.

 

Über die NACA-Profile (und diverse andere) gibt es im VTH-Verlag ein Buch mit allen Profilkoordinaten und Polaren. Interessant sind auch die Versuche und Berechnungen von Stephan Brunker, der einen TopCat mit Hydrofoils versehen hat. Es gibt zwar nur sehr wenig Literatur über Hydrofoils, dafür aber sehr viel über Aerodynamik allgemein und auch einiges über Tandems speziell. Das wird dir den Einstieg erheblich erleichtern. Vorab ist auch http://aerodesign.de/ ganz hilfreich.

 

Ganz generell zu beachten ist auch, dass das Gesamtgewicht mit dem Quadrat in den Widerstand eingeht, (extremer) Leichtbau ist also bei so einem Projekt angesagt. Die Motorisierung halte ich wie gesagt für sehr unkritisch, da du mit ganz erheblich geringerem Rumpfwiderstand unterwegs bist. Ein manntragendes 400kg-UL-Flugzeug kriegst du mit einem kleinen 80PS-Rotax-Motor auf über 200km/h - versuch das mal mit vergleichbarem Leistungsgewicht bei einem "normalen" Boot. ;-)

Edited July 29, 2010 by Jo_S

[Guest Tiefseetaucher]

Moin Forum,

 

die auf dem Garda See herumfahrenden Hydrofoils sind glaube ich von Supramar. Guckst du hier. http://www.classicfastferries.com/cff/pdf/cff45200610.pdf

Ich habe zufällig den Plan hier rumliegen.

 

Gruß

Werner

[Schifferlfahrer]

@Tiefseetaucher: *schnief*

Nee, leider nicht. Die alten Boote am Gardasee waren tatsächlich die in deinem Link gezeigten - die "aktuellen" (Gebaut Ende der 80er) sind von Rodriquez Contieri Navali aus Mesina, eines deren Boote ist am Ende des von dir geposteten PDFs zu finden. Mein "Traum" ist einer der Vorgänger deren aktuellen Schiffe "Foilmaster". Dürfte in die Richtung RHS-160 gehen - genau weiß ich das aber nicht.

Dass die "Goethe" sicher von Rodriquez ist, weiß ich, da es im "Datenblatt" zum Schiff auf der Seite der Navi-Garda steht: Klick

Danke aber trotzdem für das Angebot - vernünftige Pläne wären doch zu schön gewesen.

 

 

@Jo_S:Wow, das ist mal ein ausführlicher Tip - danke:that:

 

Du wirst also entweder sehr viel ausprobieren müssen (halte ich nicht für zielführend), oder sehr viel lesen und noch mehr rechnen. Ohne gute (Grund-)Kenntnisse von Profilpolaren, Re-Zahlen, elliptischer Auftriebsverteilung, Auftriebs- und Widerstandsbeiwert, Einstellwinkel und -differenz etc. wird das Ganze sicher außerordentlich schwierig bis unmöglich.

Ich denke mal, es wird ein bisschen von beidem werden.

Um größere Unglücke zu vermeiden, werde ich auf jeden Fall vor dem Bau der Flügel nachrechnen, welchen Auftrieb etc. ich erwarten kann und welche Winkel ich ungefähr einstellen muss - sonst wirds tatsächlich ein sehr ekelhaftes Try-and-Error Verfahren, das wohl nicht nur an die Nerven sondern auch an den Geldbeutel geht. Und Geld im Mülleimer versenken will ich dann wirklich nicht...

 

Alles von Anfang an durchrechnen wird aber kaum gehen, da durch die verschiedenen Verstrebungen und vor allem Ungenauigkeiten beim Bau (Wenn das Profil "nur" 50-60 mm lang wird, macht ein halber mm u.U schon viel aus, was den Auftrieb angeht) so viele zusätzliche Faktoren in Spiel kommen, dass durch Rechnen, ohne vernünftige Computersimulation, keine exakten Vorhersagen möglich werden. Eher eine grobe Abschätzung, ob das Teil mit den Flügeln überhaupt zum Fliegen kommt, oder obs doch bei der guten alten Verdrängerfahrt bleibt.

 

Ich würde an so eine Aufgabe mit einem asymmetrischen Allround-Profil mit ca. 10% Dicke drangehen, z.B. NACA 4310. Ein symmetrisches NACA 0010 wird sicher auch gehen, liefert aber ein vergleichsweise geringeres Auftriebsmaximum. Die üblichen Profile für z.B. Ruder und Kielschwerter (oft NACA 0006) sind zu dünn, dickere Profile machen unnötig viel Widerstand. Für die Längsstabilität wäre vermutlich auch ein Profilstrak (z.B. von 4310 auf 0010) hilfreich.

Das von mir als Quelle verwendete Buch schlägt entweder ein 63-412 oder ein 4412 vor. Letzteres wäre mir persönlich leiber, weil es eben, gerade bei meiner Größe, leichter herzustellen ist, als das 63-412. Die Auftriebskoeffizienten sind ähnlich, wenngleich das 63-412 etwas besser wäre. Andererseits: Wenn ich die konkave Form hinten an der Unterseite des Profils nicht sauber hinbekomme, dann wird aus dem ursprünglich tollen Profil eher ein Schaumschläger und sämtliche Vorteile wären wieder dahin.

Was hältst du vom NACA 4412 als Profil für Tragflügelboote?

 

Die Profile würde ich - im Gegensatz zur Flugzeugaerodynamik - mit einem Anstellwinkel recht nah am maximalem Auftriebsbeiwert einsetzen, wobei das vordere Foil deutlich stärker angestellt sein muss als das hintere (Einstellwinkeldifferenz). Ein hoher Anstellwinkel erleichtert dir das Aufgleiten (hohes ca), begrenzt aber gleichzeitig die Maximalgeschwindigkeit (hohes cw).

Gut, ein Rennboot soll es ja nciht werden, wenn es mal fliegt, wäre das für mich schon ein rießen Erfolg. Ich werde wohl zunächst mal mit einem großen Winkel anfangen und so lange runter gehen, bis ich mit Vollast noch gut aus dem Wasser komme, schließlich soll das Boot ja auch bei etwas leeren Akkus noch ins Fliegen kommen und nicht stecken bleiben.

 

Was du über die Motorisierung schreibst, beruhigt schon mal ungemein. Weil gerade mit Brushless-Motoren kann man heute ja bei wenig Gewicht viel Leistung rausholen. Damit erhoffe ich mir dann schon, sollte es mit Blechdosen nicht klappen, noch ein bisschen was an Schub und damit doch noch das fehlende Quäntchen Auftrieb raus zu hohlen.

 

Der Link zum Topcat ist übrigens echt gut, zusammen mit meinem Buch ergibt das schon mal ein recht informatives Gesamtbild!

[Guest Jo_S]

Was hältst du vom NACA 4412 als Profil für Tragflügelboote?

 

Die Frage nach dem perfekten Profil für einen ganz konkreten Einsatzzweck beschäftigt die Akademiker, seit Lilienthal das erste Mal vom Mühlenberg gehoppt ist. Zu dieser einfachen Frage könnte man also problemlos einen mehrbändigen Aufsatz verfassen.

 

Ich bin ehrlich gesagt kein Fan von all zu viel Theorie an dieser Stelle. Aus zwei einfachen Gründen, die du im Grunde schon genannt hast. Zum einen die Reproduktionsgenauigkeit: eine Abweichung von 0,5mm in der Profiloberfläche sind bei einem 50mm-Foil schon 1%. Damit landest du eigentlich schon wieder bei einem anderen Profil. Zum zweiten die Summe der zielführenden Einzelfaktoren: z.B. werden dir eine schlecht gewählte Einstellwinkeldifferenz oder ein falscher Schwerpunkt mehr Nachteile bringen als dir ein "optimales" Profil Vorteile beschert.

 

Die NACAs der 43er und 44er Reihe gehören sicher nicht zu den Hochleistungsprofilen. (Du willst allerdings auch keinen Leistungssegler mit irgendwelchen astronomischen Gleitzahlen jenseits 1:50 bauen). Ich habe sie deshalb angeführt, weil sie - insbesondere auch für einen Einsteiger - relativ leicht zu bauen und als gute Allrounder bewährt sind. Wenn man die beiden genannten Profile mal direkt vergleicht...

 

 

... fällt auf den ersten Blick auf, dass es sich im Grunde um sehr unterschiedliche Profile handelt. Das 63-412 wird (ohne dass ich die Polaren kenne) höchstwahrscheinlich leistungsfähiger sein. Nur: die Profiloberflächen variieren um max. 2%. Bei einem 50mm-Foil wären das gerade mal 1mm... baust du so exakt? Das 4412 wird dir mit seiner nahezu flachen Unterseite den Bau sehr erleichtern. Das 63-412 lässt sich konventinell nur auf einer Helling aufbauen. (Für ein Hydrofoil bietet sich aber eh an, das Ding als Hartschaumkern zu schneiden und mit GFK zu laminieren; da sind die Bauunterschiede dann nicht mehr tragisch.)

 

Die Physik macht uns hier aber noch einen ganz anderen Strich durch die Rechnung: ein Profil wird (bis zu einem gewissen Punkt) umso leistungsfähiger, je höher die Re-Zahl ist. Die Grösse der Re-Zahl ist unmittelbar abhängig von der Profiltiefe, der Geschwindigkeit und der Viskosität des umströmenden Mediums. Dass die dynamische Viskosität des Wassers 50mal höher und seine Dichte 770 mal höher als die der Luft ist, kommt uns bei den langsamen Schiffsmodellen mit wenig tiefen "Tragflächen" in Form einer ca. 15,4-fach höheren Re-Zahl (50/770 = 1/15,4) erstmal sehr entgegen. Ein 50mm Hydrofoil hat also (beispielsweise) bei 15km/h die selben physikalischen Eigenschaften wie eine 200mm Modellflugzeug-Tragfläche bei 57,8 km/h.

 

Nichtsdestotrotz bewegen wir uns hier in einem Bereich sehr kleiner Re-Zahlen. Umgekehrt wird ein Modell bei exakt maßstäblicher Verkleinerung aufgrund der kleineren Re-Zahl niemals die aero-/hydrodynamischen Qualitäten seines Vorbild erreichen können. Ich würde daher vor allem ein Profil wählen, dass bereits bei kleinen Re-Zahlen gute Leistungen zeigt (Auftriebs-Widerstands-Verhältnis). Um das entscheiden zu können, baucht man aber wieder konkrete Polare. Und wie die dann zu lesen sind, ist wieder ein eigenes Kapitel.

 

Zu deutsch: ich würde es mit der Profilwahl nicht übertreiben bzw. das Wesentliche im Blick behalten. Ein theoretisch optimales, perfekt gebautes, etwas widerstandsärmeres Profil gleichst du über die Motorisierung ganz locker wieder aus. Bei einem Segler würde ich das etwas anders sehen: der muss einfach möglichst optimal Höhe in Strecke verwandeln können. Aber beim Boot ist doch im Grunde in der Praxis nur der Unterscheid, ob ich 20mAh mehr verbrauche oder nicht.

Edited July 30, 2010 by Jo_S

[Schifferlfahrer]

Ja, so in der Richtung hatte ich das ganze auch geplant. Der Auftrieb verändert sich, soweit ich das bisher den CA-Kurven der Profile entnehmen konnte, sehr stark mit dem Anstellwinkel. Das hattest du ja oben schon erwähnt.

Ergo, muss dieser Winkel halt ein paar Grad höher ausfallen (klar, irgendwo um die 15° ist Schluss). Über den zusätzlichen Wasserwiderstand freut sich dann der Motor-Händler:lol:

 

Und wenn die Fahrzeit dann nicht soo toll ausfällt, wie gedacht, dann gibt es immernoch Wechselakkus. Gerade bei solchen Modellen kommt man da halt nicht drum herum...

[Guest Jo_S]

...klar, irgendwo um die 15° ist Schluss

Das ist bereits sehr ambitioniert. :D

 

Stark pauschalisiert werden die NACA-Profile in der Luft typischerweise so grob zwischen 0 und 3° Anstellwinkel eingesetzt. Die asymmetrischen Typen erzeugen ja - im Gegensatz zu den symmetrischen Profilen - bereits unter 0° Auftrieb. Oberhalb von schätzungsweise 10° wirst du einen massiven Zuwachs des Widerstands erhalten, wobei sich der Auftrieb kaum noch ändert. Da reisst dir irgendwann die Strömung an der Oberseite (zumindest partiell) ab.

 

Passenderweise gerade gefunden: wie du hier siehst, ist bei 2412 das beste Gleiten bereits bei einem ca von ca. 0,8 erreicht (mit "5" gekennzeichnet). Oberhalb von ca = 1,5 (geringstes Sinken, mit "6" gekennzeichnet) hast du nur noch einen massiven Widerstands-Zuwachs. Dein Foil wird sich irgendwo zwischen diesen beiden Werten bewegen, mit Tendenz zum oberen. Wenn du die Polare über den Anstellwinkel auflöst, ergibt sich diese Grafik. Daran siehst du, dass das beste Gleiten bei ca. 5° erreicht ist und ab ca. 11° der Widerstand massiv wächst. Sehr praktisch, dass Wikipedia sich ausgerechnet das 2412 als Beispielprofil ausgesucht hat.

 

Kleine Anmerkung: die genannten Polare bezieht sich allerdings bereits auf Re = 5.000.000; die wirst du mit einem Hydrofoil nicht ansatzweise erreichen können.

 

Wenn du konstruktiv einen verstellbaren Anstellwinkel der Foils gebaut kriegst, wäre das natürlich super. Dann kannst du den idealen Punkt wortwörtlich "erfahren".

[Schifferlfahrer]

Ja, richtig, ein verstellbarer Winkel ist unbedingt Pflicht. Zwar werde ich das nicht über einen Servo bzw. generell über Fernsteuerung machen, sondern nur manuell, aber zum verstellen muss er unbedingt sein. Schon alleine, weil beim Starten und Gleiten unterschiedliche Bedingungen herrschen. Ergo muss der Winkel irgendwo zwischen optimalem Start und optimaler Gleitphase liegen.

 

Ich hatte mir dann gedacht, mit einem sehr großen Winkel anzufangen, vielleicht 8-10° und dann langsam den Winkel kleiner zu machen, so lange, bis das Boot gerade noch ordentlich aus dem Wasser kommt. Das sollte dann eigentlich die optimale Auslegung ein, wenn sich der Anstellwinkel während der Fahrt nicht verändern lässt. Soviel Experiment muss dann wohl sein.

Edit: Irgendwie muss die Flügelkonstruktion letztlich eh demontierbar sein, sonst könnte ich das Boot auch vernünftige Transportieren oder lagern. Bei einer Spannweite von 44cm wird der Pott nicht gerade ein schnuckeliger Zeitgenosse...

 

Ansonsten werde ich das Modell jetzt wohl in 1:25 bauen - dann macht das ganze einfach mehr her:D