Aiolos/ bouw van een F3B model

[Ron Gijzen]

***
Edit 7-1-2011:
Dit draadje is samengevat in een pdf-document en kan hier worden gedownload:
http://www.megaupload.com/?d=BA11QMQ2

Stuur me een PB als het niet meer werkt.
***

Ik heb me voorgenomen deze winter (en voorjaar) een F3B model te ontwerpen en te bouwen. Ik heb niet de illusie dat het een topkist zal worden, maar hij moet in elk geval goed genoeg zijn om een beetje mee te komen in de nederlandse F3B-wedstrijden.
De afgelopen 2 jaar heb ik gevlogen met een verstevigde Eraser (Lubos Pazderka) en een Fletcher (Frits Donker Duyvis).
Het nieuwe model moet wat betreft speed beter zijn dan de Eraser, en door een laag leeg-gewicht minstens zo goed in thermiek als allebei.

De romp wil ik bouwen als een 'pod' in negatieve mallen, met een staartboom rondom een positieve mal. De vleugel en de V-staart wil ik maken dmv vacuum-bagging rondom een styrofoam kern.

Streefgewicht (leeg) is 1,9kg. Dat is lichter dan m'n Fletcher en Eraser (2,3kg), maar vergelijkbaar met een moderne topkist (Radical, Ceres, Evolution).

Ik zal proberen zo veel mogelijk weer te geven welke keuzes ik maak en waarom, of juist een vraag stellen als ik het niet meer weet. Ik hoop dat jullie het leuk vinden om af en toe mee te lezen en kritiek te geven als je denkt iets bij te kunnen dragen of iets wilt weten.
Ook als je vind dat ik iets helemaal verkeerd doe/denk hoor ik het graag, vooral als je het me uit kunt leggen.

Tijd tussen de posts kan soms weken zijn, afhankelijk van hoeveel tijd ik heb gehad en of ik iets heb dat het posten waard is.

[Ron Gijzen]

Welk profiel te kiezen voor de vleugel?
Van de huidige topmodellen heb ik geen profielen kunnen vinden, hoogstens maximale dikte en maximale welving. En die blijken verassend weinig af te wijken van de 15 jaar oude Fletcher (Fletcher: 8,4%dik en 1,55% welving / Radical: 8,55% dik en 1,65% welving).

Frits heeft de ontwerpoverwegingen van de Fletcher-vleugel mooi beschreven op zijn website: Fletcher Design Study
Volgens mij staat dat hele verhaal nu nog steeds overeind.
Dus waarom is die Fletcher dan 'verouderd'? Wat is er zo anders aan een moderne topkist?
Het leeg-gewicht is nu lager en er kan waarschijnlijk wat stijver gebouwd worden door betere composieten, maar dat verklaart toch niet de enorme verbetering van de tijden in speed?

Ik heb eerst eens simpelweg het Fletcherprofiel (DD92-8416, staat in de database van Profili) dunner geschaald tot 7,5% dikte, maar dit gaf alleen maar slechtere prestaties, van thermiek tot speed. Kennelijk moet de skeletlijn zelf, de verdeling van de dikte over de koorde, worden aangepast.
Mijn kennis van de aerodynamica is onvoldoende om te begrijpen in welke richting ik moet veranderen. Grootste dikte en maximale welving meer naar voren? Hoe snel mag je de druk op laten lopen zonder een enorme 'laminar separation bubble' te riskeren? Wat ik weet heb ik uit Martin Simmons beginersboek 'model aircraft aerodynamics', de website van Hartmut Siegman (aerodesign.de) en ondervragingen van Frits en Theo V.

Als tool heb ik het programma Profili, een gebruiksvriendelijke schil rondom Xfoil, een programma dat (o.a., ik weet niet wat het allemaal kan) polaires kan berekenen voor allerlei profielen bij allerlei Reynoldsgetallen. Er zit een flinke database aan profielen bij, en de mogelijkhied om bestaande profielen aan te passen (veranderen dikte en welving, klepstand, overgang naar een ander profiel, etc.)

Om een idee te krijgen van de verschillen tussen profielen heb ik de polaires van een aantal min of meer bekende profielen geplot voor verschillende klepstanden en Re-getallen en onderling vergeleken.
De volgende profielen heb ik vergeleken:
DD92-8416 (8,4% dik, van Frits, hoofd-profiel van de Fletcher)
SD7003 (8,5% dik, van Selig en Donovan, gebruikt in de tip van de Fletcher wegens goed gedrag bij lage Re)
MH32 (8,7%dik, van Martin Hepperle, zeer veel gebruikt in F3J en F3B in de jaren '90)
MH30 (7,7% dun, van Martin Hepperle, ontworpen voor pylonracen)
MH43 (8,5%, van Martin Hepperle, ontworpen voor pylonracen)
RG15 (8,9%, van Ralf Girsberg, een klassieker uit de jaren 80 tot 90)
RG14 (8,5%, van Ralf Girsberg, iets sneller dan de RG15)
HD45 (7,5%, van Hannes Delano, voor pylonracen)
HD46 (8,0%, van Hannes Delano, voor pylonracen)
HD48 (8,0%, van Hannes Delano, bedoeld voor F3B maar vele te traag)

Met een geschat leeggewicht van 1,9kg, een spanwijdte van 3,1m, een slankheid van 15,5 en geschatte snelheden voor duur, afstand, speed en start, heb ik de typische liftcoëfficienten bepaald die bij deze taken horen: 0,8, 0,25, 0,03 en 0,9.
Voor elke taak heb ik de Re-getallen voor tip en wortel berekend (van 50.000 tot 770.000).
Vervolgens heb ik Profili de polaires laten plotten van elk profiel voor Re=50k, 100k, 200k, 400k en 700k, voor het standaard profiel en klepstanden van +10 tot -4 graden.
Per taak en profiel heb ik de meest optimale klep-stand genomen en die met elkaar vergeleken.
Het resultaat is de moeder aller excel-sheets, zo ongeveer:

Jullie kunnen natuurlijk niet wachten om al die grafiekjes van dichtbij te bekijken, daarom kun je het excel-bestand downloaden op:
http://rapidshare.com/files/29645987...iolos.xls.html (ps:22-10-09 nieuwe versie geplaatst) (maximaal 10x en voor 90 dagen, dus ff waarschuwen als ie het niet meer doet).
Voor wie geen zin heeft in downloaden maar toch een idee wil krijgen, hier drie plaatjes met een mix van polaires voor de taken afstand, start en speed, voor hoofd-deel van de vleugel:
Afstand (Cl=0,25):

Start (Cl=0,9):

Speed (Cl=0,03):


Tja, en nu?
Ik had veel grotere verschillen in polaires verwacht.
OK, de MH32 krijgt duidelijk meer weerstand dan de rest bij Cl=0, en de MH30 is geen uitblinker wat betreft maximale lift, maar ik kan niet zeggen dat er nu direct één uitspringt.
De RG15 en RG14 staan niet in de plaatjes boven (wel in de xls), maar ook die passen ongeveer tussen de MH32 tot MH30.
Kijk ik op een verkeerde manier? Zijn die kleine verschillen al zo doorslaggevend? Zou een Radical-Ceres-Evolution-Empi-profiel hier bovenuit springen?
Op dit moment vind ik de MH43 nog het meest aantrekkelijk omdat er (voor zover ik weet) nog geen F3B model mee gebouwd is en het profiel volgens Hartmut Siegman redelijk tolerant is voor onnauwkeurigheden (in tegenstellingtot bv de MH30).
De MH30 is ook verleidelijk omdat het de laagste weerstand heeft bij Cl=0 en het niet ten kostte lijkt te gaan van z'n vermogen om lift te leveren.
Wie het weet mag het zeggen...

[roberth]

Hi Ron,

Geweldig dat je de uitdaging aanneemt om zelf een F3B kist te ontwikkelen! Leuk om je analyses en gedachten te volgen - ik krijg er (bijna) zin van om zelf te gaan bouwen...

Interessant om te lezen dat het zo moeilijk is om verschillende prestaties van vleugelprofielen te berekenen - dat al deze profielen ogenschijnlijk dezelfde prestaties opleveren. Er moeten dus andere factoren zijn die het verschil uitmaken - te denken valt aan vleugelgeometrie, rompvorm, wijze van klep-aansturing, etc.

Ben benieuwd naar je volgende updates.

[Rick R]

Leuk ga ik zeker volgen, ben vooral benieuwd naar het maken van de pod.

[vw4style]

Ron,

Dit ga ik op de voet proberen te volgen, ik heb een abbo genomen.

Vind dit reuze interessant, lees er ook veel over op het Duitse forum.

Keep us posted!!

Groet,

Lyckele

[Nick]

In ieder geval al een mooie naam !



Ook ik ga dit draadje geboeid volgen....
Succes met de bouw alvast

Grt
Nick

[Ron Gijzen]

Tot nu toe had ik alleen naar plots van lift tegen weerstand gekeken (polaires).
Zoals de meesten van jullie weten komt elk punt op de polaire overeen met een bepaalde invalshoek.
Profili kan echter ook de liftcoefficient en weerstandcoeff als functie van de invalshoek plotten. Dit is de plot voor Re=700K (hoofdvleugel bij speed)(klepstanden optimaal voor speed):

Wat opvalt is dat, om Clift=0,03 (=speed) te krijgen het DD92-8416 en SD7003 profiel een invalshoek van -2graden nodig hebben, terwijl de MH32 en MH43 daarvoor 0 graden vragen.
Onthoud die twee hoeken even.
De onderstaande plot toont Cl/Cd(=glijhoek alleen van de vleugel) als functie van de invalshoek, en de momentcoefficient als functie van invalshoek.

In het linker grafiekje lijkt het DD-profiel véél gunstiger dan bv het MH43 profiel, omdat de Cl/Cd lijn meer naar links ligt. Dit is bedrog! Bij dezelfde snelheid vlieg je met het DD-profiel met -2 graden, maar met het MH43 profiel bij 0 graden invalshoek. De bijbehorende Cl/Cd-waarden (en dus de glijhoek) zijn vrijwel hetzelfde.
De momentcoefficient in de rechtergrafiek geeft aan hoe sterk de vleugel probeert naar voren (minder invalshoek) te draaien bij verschillende invalshoeken.
De paarse lijn (MH43) ligt rondom Cm=0 (dus bijna geen moment), veel hoger dan die van de andere profielen. Dat betekent dat het mogelijk is het model over een vrij groot snelheidsgebied neutraal te trimmen. In principe hoeft het stabilo dus minder downforce te geven om de neus omhoog te houden dan bij een profiel met een grotere (negatieve)momentcoefficient. Minder downforce=minder geinduceerde weerstand van het stabilo=een beter glijhoek.
Mmm, even testen of mijn redenering wel klopt. Je kunt een groot negatief momentcoeff compenseren door een achterliggend zwaartepunt (zonder downforce stabilo), maar volgens mij klopt dat maar bij één snelheid. Zodra je sneller gaat vliegen wordt het voorwaarts roterende koppel op de vleugel groter maar de zwaartekracht blijft gelijk. Dus zal het model de neus omlaag draaien, dus nog sneller gaan, dus nog verder duiken etc. Het model is dan niet stabiel cq de stabiliteitsmarge wordt kleiner als de snelheid hoger wordt.
Bij een groot neg momentcoeff moet je dus voor straf een flinke stabiliteitsmarge inbouwen (zwaartepunt ver naar voren, ten koste van weerstand van de staart), om bij hoge snelheid nog een beetje stabiliteit over te houden.
OK, pluspuntje voor de MH43 dus: Cm bijna gelijk aan 0.

[Berrie]

Hoi Ron,

een erg interessante draad dit! Leerzaam ook om met je overwegingen mee te kijken.
Ik ben benieuwd hoe e.a. uitgevoerd zal gaan worden.

- Liggerconstructie
- Vleugelverbinders (mogelijkheid tot verschillende V-stellingen)

Door weinig zaken in het leven wordt je zo heen en weer geslingerd als bij het kiezen van een profiel.. Ik kan je niet echt helpen omdat mijn kennis/ervaring te kort schiet. Zeker voor wat wedstrijdtaken in combinatie met profiel aangaat.

Ik wil wel eens kijken in het boek van H. Quabeck hoe zwaar die "minitieuze" verschillen mee tellen. Ik hoop alleen dat je geen haast hebt...

Wat betreft je romp/pod. Hoe ga je dit doen? Maak je twee losse romphelften die je later in elkaar plakt, ga je nat in nat de deelnaad maken? Of ga je met een ballon werken?

Ik heb zelf, als ik naar mijn Supra en Supergee rompen kijk, de voorkeur voor een ballon in de mal op blazen ontwikkeld. Hoewel die
*(&&*%teringballon de laatste 4x achter elkaar geklapt is (ik denk nu te weten waarom), heb ik sterke voorkeur voor deze methode ontwikkeld. Je perst elke overtollige druppel epoxy eruit. Het verbaast me altijd hoeveel epoxy er nog uit geperst word. De deelnaad word superstrak, en je kan meer weefsel toepassen bij hetzelfde gewicht als dat je geen ballon gebruikt.

nou, succes in iedergeval.

Hier een draadje voor de inspiratie: Spline F3B (al is dit in negatieve mallen gemaakt en de aerodymische beschrijving ontbreekt helaas)

[Berrie]

Oorspronkelijk geplaatst door Ron Gijzen

Op dit moment vind ik de MH43 nog het meest aantrekkelijk omdat er (voor zover ik weet) nog geen F3B model mee gebouwd is

En ik vraag me dan af waarom er geen F3B model mee gebouwd is....

Je punt, relatief ongevoelig voor bouwonnauwkeurigheden is echter een goeie. Zeker in de positief bouwwijze speelt dat mee! Vooral als je met doublers werkt krijg je (geringe) lokale verdikkingen in het profiel.

[ron van sommeren]

Ron, is de hier door dag214/Damon Atwood genoemde X-plane simulator een optie, voor ontwerpen en simuleren? Of is F5B te extreem?
257" B-36D Scratch Build 6 a turning and 4 a burning - Page 295 - RCG

[Berrie]

Oorspronkelijk geplaatst door Ron Gijzen

Welk profiel te kiezen voor de vleugel?.......................................... Wie het weet mag het zeggen...

Al (weer) lezend op aerodesign.de kwam ik de link naar de site van Norbert Habe tegen. Je kunt bij hem wellicht een aanvraag doen om te komen tot een keuze voor je profiel.

HABEBERT @ 2008

Ik heb zelf de Furio met een HN-profiel. Loopt als een trein dat ding. (wat natuurlijk helemaal niets zegt voor jouw, gezien de omvang van Habert's profiel database.)

[Ron Gijzen]

Ik kreeg onderstaand bericht van Theo V
Wegens technische problemen met de bijlage plaats ik het hier voor hem:
***
Ron,

Ik raad je aan om eens een polaire door te rekenen met de optie Re x sqrt (cl) = constant
Bijgaand een voorbeeld dat ik met XFLR5 gedraaid heb voor Re x sqrt (cl)=100000
Aannemen: m = 2.0 kg, Koorde = .2 m Spanwijdte = 3.0 m, (opp = 0.6 m2), rho = 1.2 kg/m3
Bij cl = 1 volgt dan v = Wortel[massa *g*2/(opp *rho*cl)] = 7.4 m/s
Re= 7.4*0.2/(14.6*E-6) = 100 000

Doe ditzelfde voor een massa van 4.0 kg è Re x sqrt(cl) = 143 000
Herhaal dit ook voor andere klepstanden.

De profielen die ik in de bijlage heb geanalyseerd zijn:
HQ winglet, geschikt voor zeer langzaam vliegen
RG15 het bekende optimum uit het verleden voor menig F3B kist
MH43 , goed voor snel vliegen

Resultaat:


Mogelijk kun je met deze methode gemakkelijker een keuze maken.

Mvg

Theo
***

[Ron Gijzen]

Theo,
De optie van Re*sqrt(Cl)=constant die jij noemt lijkt me ideaal, als ik het goed begrijp is dan elk punt op de polaire uitgerekend met het Re-getal dat hoort bij die liftcoefficient. Helaas heeft Profili die optie niet. Je had me al eens aangeraden XFLR te proberen maar ik deins er nog een beetje voor terug. Aan de ene kant wil ik juist nieuwe dingen ontdekken en leren, aan de andere kant moet ik oppassen niet te veel zijpaden in te slaan/uit te zoeken omdat ik dan over 3 jaar nog niets gebouwd heb...
In jouw polaire lijkt het of de MH43 ruim wordt verslagen door de RG15, in elk geval wat betreft lift. Maar dit is natuurlijk alleen de polaire voor het profiel ZONDER klepuitslag. Bij gebruik van de kleppen zouden de verschillen nog wel eens anders kunnen zijn. Ik houd het vooralsnog ff bij m'n Profili, met beperkingen.

Ron,
Merkwaardige kerel, die Damon Atwood. Dat X-plane lijkt me meer een vlieg-simulator dan ontwerp-software? Bedoel je dat ik hiermee verschillende profielen kan vergelijken door er gesimuleerd meet te vliegen? Op zich wel gaaf maar ik denk niet dat het onderling vergelijken er makkelijker van wordt.

Berrie,
Norbert habe heeft een enorme lijst F3B profielen in z'n database staan. Waar te beginnen?Ik heb maar een bericht gestuurd. Hartmut Siegman en Martin Hepperle ook trouwens. Geen idee of er een antwoord komt maar vragen staat vrij nietwaar
Details over de ligger en verbinder weet ik nog niet, behalve dat het een 2-delige vleugel moet worden. Ik zal je draadje van de Supra en Nico's z'n Genie-draadje goed bekijken.
De pod wil ik à la Supergee maken, dus twee losse helften en een nosecone.
Best mooi zo'n neus in één keer nat in nat, maar dan moet ik dus de hele RC toestand en de trekhaak via zo'n klein rotopeningetje in zien te bouwen. Bovendien, als ik beide helften in één keer aan elkaar zou maken, en dan de neus afzaag (als nosecone), hoe krijg ik dan een binnen-neus gemaakt die mooi past? dat zie ik nog ff niet zo zitten. Wat mij betreft dus beide helften apart in de mal maken, voorkant afzagen (nosecone-helften), nosecone-helft met plastic bedekken en samen met resterend deel teug in mal leggen, dan binnen-neus in de mal aan het achter deel vast maken. Ten slotte (als binnenwerk zo'n beetje bepaald is) beide helften verbinden met bandje binnen en buiten. Wellicht dat die ballon daar trouwens nog steeds goede diensten kan doen!

[Ron Gijzen]

Onderstaand de reactie van Norbert Habe (zie HABEBERT @ 2008 ) op mijn vraag of hij iets over de profielkeuze voor F3B kan zeggen:
***
Hallo, Ron Gijzen!

Natürlich werde ich Dir antworten und auch ein bischen von meinem Wissen übertragen. Es ist nur sehr schwer mit wenigen Zeilen, viel zu erklären.
Zu meiner Praxis: Ich arbeite nur mit dem Profile-Programm von Reinhard Sielemann und dem Polaren-Programm von Prof.EPPLER!

Ab und zu vergleiche ich mit dem PROFILI von St.Duranti. Dieses arbeitet mit X-Foil. Der Vergleich zeigt, dass das EPPLER-Programm wesentlich strenger und genauer rechnet.

Wie ich sehen kann, hast Du keinen Zugang zu den neueren Profilen. Diese sind zumeist Hersteller-gebunden oder aus Konkurrenzgründen „streng geheim“. (So ein Quatsch). Du wirst also kein Profil von CERES, FREESTYLER oder RADICAL bekommen.

Die letzten (ca 5) Jahre haben sehr viel veränderte Erkenntnisse zur Profilierung von F3B-Modellen gebracht. Das Optimum ist sehr breit und Wunderprofile gibt es nicht. Ich kann Dir aber auch kein HN-Profil geben das ich für kommerzielle Hersteller gemacht habe. Aus meinen offenen Profilen kannst Du aber gerne ein leistungsfähiges Profil haben. Um Dir da gut zu helfen müsste ich aber eine Zeichnung (Draufsicht) Deines Projektes sehen, dann kann man einen Straak rechnen.

Du erwähnst in Deinem Mail den Cmo-Wert. Bei den heutigen Anforderungen, mit weiter hinten liegendem Schwerpunkt, kannst Du diesen Wert vergessen! Ich rechne dafür mit dem Stabilitäts-Faktor. Dieser Wert wird heute durch das Stabilitäts-Mass ersetzt. Für die Praxis ist der Sfa (Stab.Faktor) einfacher und auch zuverlässig.

Die von Dir erwähnten Profile sind alle nicht schlecht. Leider aber schon überholt.

Noch etwas: die heutigen Profile bringen ihre Leistung nur, wenn sie sehr Koordinatengenau gebaut werden. Ansonsten kannst Du auch ein CLARK-Y verwenden, das läuft „Handgeschnitzt“ genau so gut.

Nun mach Dir mal Gedanken zu meinen Zeilen.

Einen schönen Sonntag noch

Ade
***
Erg leuk dat hij de moeite neemt te reageren. Ik zal hem een bovenaanzicht mailen en zien wat er uit komt.

[RemcoN]

Hallo Ron,

Interessante stof, beslist de moeite om goed te lezen.

Is het misschien een tip om een bestaande romp te gebruiken, dit is vaak het goedkopere deel van een model. Je kunt je dan volledig concentreren op de vleugels en profielen. Of zit je dan gelijk te kijken met je instelhoeken?

groeten

remco