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Vorflügel – Die Wirkung am Modell Fieseler Storch

Eingereicht

Vorflügel sind schmale, am vorderen Rand der Tragfläche angebrachte, aerodynamisch wirksame Flächen. Das Ausfahren der Vorflügel ermöglicht einem Flugzeug, in einem steileren Anstellwinkel zu fliegen. In der Praxis kann ein damit ausgestattetes Flugzeug nahe an der Strömungsabrissgrenze noch langsamer fliegen als nur mit Landeklappen. Damit lässt sich beispielsweise die erforderliche Start- und Landestrecke verkürzen. Der berühmte Fieseler Storch konnte dank der Vorflügel bei Windstärken ab 50 km/h in der Luft stehen oder gar rückwärts fliegen. Joachim Damrath geht mit seinen Untersuchungen nun der Frage nach, ob diese Verhältnisse auch auf einen modellmäßigen Nachbau übertragbar sind!

1. Aufbau und Wirkung eines Vorflügels

Vorflügel wurden erstmals Anfang der 1920er Jahre von der englischen Firma Handley Page eingesetzt; erfunden wurden sie von Gustav Lachmann, der dann für Handley Page arbeitete. Sie werden verwendet, um die Langsamflug- und damit auch die Landeeigenschaften zu verbessern.

Wenn ein Flugzeug von der normalen Reisegeschwindigkeit in den Langsamflug übergehen soll, wird (nachdem die Motorleistung gedrosselt wurde) allmählich der Anstellwinkel der Tragfläche relativ zur anströmenden Luft immer weiter erhöht (durch Ziehen am Höhenruder). Dies geht so lange gut, bis die Strömung abreißt und der Auftrieb plötzlich drastisch abnimmt. Dies geschieht fast immer zuerst im hinteren Bereich des Flügels. Um dies zu verhindern, werden bei zahlreichen Flugzeugen bestimmte Klappensysteme (z. B. Spaltklappen, Fowlerklappen usw.) eingesetzt. Diese öffnen beim Ausschlagen eine spaltartige Öffnung zwischen Unter- und Oberseite der Flächen. Durch diesen Spalt wird nun Luft von der Unter- zur Oberseite gedrückt, wobei die Luft durch die Verengung im Spalt beschleunigt wird. Diese schnell strömende Luft verhindert jetzt an der Oberseite das Ablösen der Strömung, und der Anstellwinkel kann weiter erhöht werden. Dadurch kann die Fluggeschwindigkeit weiter verringert werden.

Vorfluegel_1

Strömung zwischen Vorflügel und Tragfläche

Wird jetzt der Anstellwinkel immer weiter vergrößert, kommt es schließlich zum Ablösen der Strömung im vorderen Bereich der Tragflächen. Und an diesem Punkt entfaltet nun der Vorflügel, falls vorhanden, seine Wirkung. Er besteht aus einer kleinen, gewölbten Tragfläche, die in geringem Abstand vor der Nasenleiste angebracht ist (Bild 1). Bei hohen Anstellwinkeln wird der Spalt zwischen Vorflügel und Nasenleiste von schräg unten angeströmt. Der Spalt ist dabei verengend gestaltet, wodurch die durchtretende Luft beschleunigt wird. Damit wird der Flächenoberseite wiederum schnell strömende Luft zugeführt, die den Strömungsabriss weiter hinauszögert. Es ist also eigentlich die gleiche Wirkungsweise wie bei einer Spaltklappe, aber eben jetzt im vorderen Bereich der Fläche.

Aus der Wirkungsweise des Vorflügels sind zwei wichtige Hinweise für die Installation an der Tragfläche abzuleiten (siehe Bild 2):

Position des Vorflügels

Position des Vorflügels

Der Spalt zwischen Vorflügel und Nasenleiste muss verengend gestaltet werden, damit die Luft beschleunigt wird. Deshalb ist der Vorflügel auch gebogen und nicht einfach ein gerades Brett.

Die Nasenleiste des Vorflügels sollte etwas höher (keinesfalls tiefer) als die Unterseite der Tragfläche liegen, damit die Luft bei hohen Anstellwinkeln von unten in den Zwischenraum einströmen kann.

Der im Bild 2 markierte Winkel beträgt beispielsweise beim Fieseler Storch 50°. Und gleich auch ein Tipp für den Einbau im Modell: Auf den Vorflügel wirken im Flugbetrieb erhebliche Kräfte ein, die Befestigungselemente sollten entsprechen stabil sein und solide verankert werden.

Im Schnellflug, bei flachen Anstellwinkeln, erzeugt der Vorflügel natürlich durch die auftretenden erheblichen Verwirbelungen einen gewissen Widerstand. Da die Luft jedoch weitgehend von vorne auftrifft, ist die Durchströmung zwischen Vorflügel und Hauptfläche aber eher gering. Dennoch wirkt sich der Vorflügel negativ auf die erreichbare Endgeschwindigkeit aus; der Effekt ist für langsame Flugzeuge jedoch nicht dramatisch. Abhilfe können einziehbare Vorflügel schaffen, die nur für Start und Landung ausgefahren werden – genau so sind sie heute vorwiegend im Einsatz!

In der Großfliegerei haben Vorflügel aufgrund der guten Wirkung schnell eine weite Verbreitung gefunden. Über starre, nicht einziehbare Vorflügel verfügt z. B. der berühmte Fieseler Storch Fi 156 oder die bekannte Dornier 27 sowie die frühen Versionen der Do 28 (A und B Versionen). Einziehbare Vorflügel haben sehr viele Fluzeugtypen, z. B. Bf 109, Do 28 D-Version, sehr viele Verkehrsflugzeuge, Sportflugzeuge usw.

Es gibt neben dem klassischen, hier besprochenen Vorflügel übrigens noch andere Systeme, die ähnliche Wirkungen erzielen. Wer sich dafür interessiert, findet im Internet zahlreiche Informationen.

2. Vorbemerkungen

Nachdem Landeklappen in ihren verschiedenen Ausführungsformen an Flugmodellen heute zum Stand der Technik zählen, werden Vorflügel bisher noch nicht so häufig an Flugmodellen verwirklicht. Dennoch scheint die Verbreitung allmählich zuzunehmen, und es gibt auch einige Bausätze, insbesondere von Großmodellen, die Vorflügel beinhalten. Motiviert wird dies natürlich durch erhöhter Detailtreue, aber auch durch eine Verbesserung der Flugeigenschaften, insbesondere der Landeeigenschaften. Auch wenn der subjektive Eindruck mehrerer Modellflieger nicht unterschätzt werden sollte: Ich habe trotz einiger Suche bisher keine richtigen Beweise für die Wirkung von Vorflügeln an Modellen finden können.

In den letzten Jahren habe ich einige Großmodelle mit Vorflügeln ausgestattet; dabei hatte auch ich immer das Gefühl, dass diese Modelle über bemerkenswerte Flugeigenschaften bei geringer Geschwindigkeit verfügen. Teilweise waren damit spektakuläre Flugmanöver möglich, und ich hatte den Eindruck, dass dies ohne Vorflügel so nicht möglich wäre. Es blieb aber letztlich die Frage, ob diese Eigenschaften nicht ohne die Vorflügel ebenso vorhanden wären. Ferner stellte sich die Frage, ob man mit Vorflügeln tatsächlich spürbar langsamer fliegen kann. Außerdem: Wie wirken sich die Vorflügel auf die maximale Geschwindigkeit aus?

Schon länger dachte ich daran, diese Effekte durch direkten Vergleich mit und ohne Vorflügel genauer kennenzulernen. Um die Erkenntnisse dann durch »harte« Fakten zu untermauern, wollte ich unbedingt dazu auch die Fluggeschwindigkeiten messen. Wenn man eine geeignete Messtechnik hat, kann man natürlich gleich noch den Einfluss der Landeklappen in verschiedenen Stellungen mit erforschen.

Der Messkopf in Aktion

Der Messkopf in Aktion

3. Die Mess-Einrichtung

Mein Gedanke war, die Messungen unter realen Flugbedingungen direkt am Modellflugzeug vorzunehmen. Es gibt sicher verschiedene Möglichkeiten, Messeinrichtungen für diesen Zweck zu finden; die von mir gewählte Anordnung ist somit wohl nur eine von mehreren Möglichkeiten.

Um den recht hohen Kosten für eine telemetrische Datenübertragung zu entgehen, arbeitet meine Messeinrichtung mit einer Miniaturkamera, die die relevanten Daten während des Flugs aufzeichnet. Solche Kameras wurden schon oft für Flugaufnahmen mit Modellen verwendet und belasten weder das Flugzeug noch die Modellbaukasse besonders. Man findet beispielsweise unter dem Stichwort »Spionkamera« Angebote im Internet.

Gesamtaufbau der  Anzeigeeinheit

Gesamtaufbau der
Anzeigeeinheit

Im Vordergrund steht natürlich eine geeignete Messeinrichtung für die Geschwindigkeit, wobei nicht die Geschwindigkeit über Grund, sondern die Geschwindigkeit gegen die anströmende Luft relevant ist. Den anzupeilenden Geschwindigkeitsbereich versuchte ich, für das vorgesehene Messflugzeug rechnerisch einigermaßen einzugrenzen mit dem Ergebnis, dass die Langsamflugwerte wohl zwischen 25 und 45 km/h liegen müssten. Das Messgerät muss also vorwiegend bei diesen Geschwindigkeiten hinreichend genau sein. Außerdem darf es nicht allzu schwer sein, es darf nicht allzu viel Luftwiderstand produzieren, und es muss die Messwerte laufend und schnell reagierend anzeigen. …

Einen ausführlichen Bericht über die Flugerfahrungen lesen Sie in der Ausgabe 3/2013 des MFI Magazins