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Modellflugzeuge -
Fakten und Geschichte
Modellflugzeuge sind kleine Flugzeuge, meist verkleinerte Versionen
grosser Vorbilder. Modellbau und Modellflug als Hobby ist weit
verbreitet seit den 30er Jahren. Flugmodelle werden unter Einsatz
verschiedenster Materialien gebaut, unter anderem Balsaholz,
glasfaserverstärkter Kunststoff
(GFK), Sperrholz, Styropor und anderen Materialien.
Es kann eine große Anzahl verschiedener Typen, vom
einfachen Segler bis zu genauestens nachgebauten Scale-Modellen,
gebaut werden.
Man unterscheidet zwischen Standmodellen und
fliegenden Modellen, wobei die Bautechniken völlig verschieden sind.
R/C oder
Funkfernsteuerung
Funkfernsteuerung wird seit dem zweiten Weltkrieg
benutzt. Die deutsche Luftwaffe
entwickelte die ersten funkferngesteuerten
Gleitbomben. Allerdings war wegen der Größe und
des Gewichtes der Komponenten ein Einsatz im Hobbybereich undenkbar.
In den 80er Jahren wurden Computerchips durch
die weltweite Produktion von Personal Computers erschwinglich.
Diese Chips
waren klein und leicht genug um Funkfernsteuerungen
für Miniaturmodelle zu bauen.
Bevor Funkfernsteuerungen erschwinglich waren wurden
in den 50er Jahren Modelle mit Verbrennungsmotoren gebaut die über
Kontroll-Leinen gesteuert wurden, die sogenannten Fesselmodelle.
Der Modellpilot muss sich beim Fesselflug um die
eigene Achse drehen während das Modell an der Leine Kreise um ihn
fliegt.
Funkfernsteuerungs-Systeme bestehen aus 3
Hauptkomponenten:
1.
Der Sender mit den Steuerknüppeln, Schaltern und Drehreglern mit dem
das Modell vom Piloten
gesteuert wird.
2. Der
Empfänger im Modell der die Steuersignale vom Sender empfängt und an
die Servos
weitergibt.
3. Die Servos
die die Befehle des Empfängers in mechanische Bewegungen umwandeln.
In den letzten
Jahren haben Elektronische Geschwindigkeitsregler (ESC) die alten
Hochlast-Potentiometer ersetzt.
Sie bestehen komplett aus elektronischen Bauteilen,
brauchen keine Servos und haben keine bewegten Teile. .
In der 80ern entwickelte Futaba
die erste Drehknopfsteuerung für Modellautos.
Heute sind abertausende RC
Modelle erhältlich. Die meisten sind Kinderspielzeug. Der Unterschied
ist daß Hobby
Funkfernsteuerungen im Gegensatz zu denen in Spielzeug
leistungsfähiger und modular aufgebaut sind. Die
Hobby-Funkfernsteuerung kann einfach von einem Modell ins andere
eingebaut und angepasst werden, was bei Spielzeugfernsteuerungen nicht
möglich ist. .
Modelle aus dem Modellbau können im Gegensatz zu
Spielzeug vom Modellbauer angepasst und fein eingestellt werden wie die
echten Vorbilder.
Der Bau von
Flugmodellen
Flugmodelle werden nach den gleichen Prinzipien wie manntragende
Flugzeuge gebaut. Ihre Bauweise unterscheidet sich deshalb von der
Bauweise der Standmodelle.Viele Bautechniken sind von grossen
Flugzeugen übernommen, so wie die Gitterstabbauweise
bei der die Konturen aus einem Stabgerüst das mit leichtem Stoff
bespannt wird um eine leichte und dennoch luftdichte Konstruktion zu
erstellen. Anstatt Stoff wird häufig auch Papier oder spezielle
Kunststoff-Folie verwendet die mit einem Bügeleisen aufgezogen wird.
Diese Folie schrumpft unter Wärmeeinwirkung und ist
gleichzeitig mit einem Schmelzkleber beschichtet. Auf diese Weise
verklebt die Folie mit der Holzkonstruktion.
Selbstgebaute Flugmodell-Rümpfe bestehen
meistens aus Holzleisten und Spanten, die Tragflächen
werden in Holm- und Rippenbauweise hergestellt und beplankt.
Manche Tragflügel werden auch aus Styropor beplankt mit Holz
hergestellt. Als Beplankung eignet sich neben Balsaholz sehr gut
Abachi-Furnier. Diese Bauweise ist schwerer als vergleichbare Holm-
Rippenbauweise und findet meistens bei größeren Modellen und
Motormodellen Anwendung.
Die leichtgewichtigsten Modelle sind die Saalflugmodelle. Sie
sind meist aus dünnen
Balsaholz-Leisten und Kohlefaser gebaut und mit Mikrofilm bespannt.
Mittlerweile haben die sogenannten Foamies den Siegeszug angetreten.
Dies sind meistens geschäumte Fertigmodelle aus leichtem Styropor die
je nach Anwendung auch mit Kohlefaserbauteilen verstärkt sein können.
Viele dieser Modelle sind aufgrund ihres
geringen Gewichtes sehr bruchunempfindlich und
dadurch für Anfänger geeignet.
Flugmodelle können Eigenkonstruktionen sein, nach
Plänen gebaut werden oder aus Bausätzen zusammengebaut werden. Pläne
sind eher für fortgeschrittene Modellbauer geeignet da die Bauteile
selbst besorgt und hergestellt werden müssen.
Bausätze enthalten meistens die Baumaterialien und auch eine
detaillierte Bauanleitung um das Modell zu erstellen. Der Bau eines
Flugmodells nach Plänen oder aus einem Baukasten kann sehr
arbeitsintensiv sein, der Modellbauer verbringt viele Stunden das
Flugzeug zusammenzubauen, auszurichten, zu bespannen und die
Steuerflächen einzustellen. Werkzeuge sind im Bausatz
nicht enthalten und müssen vom Modellbauer beschafft werden. Ein
einziger Baufehler kann die ganze Arbeit zunichte machen .
Aus diesen Gründen bevorzugen ungeübte Modellbauer die
sogenannten ARF Flugmodelle (Almost Ready to Fly).
Im Vergleich zu einem konventionellen Bausatz sind
diese sehr weit vorgefertigt, der Zusammenbau beschränkt sich im
Allgemeinen auf den Einbau der Funkfernsteuerung. In neuerer Zeit
werden auch sogenannte RTF (Ready To Fly) Flugmodelle angeboten.
Allerdings halten viele Modellbauer den Bau des Modells für den Kern
ihres Hobbys.
Segelflugmodelle
Segelflugmodelle sind Flugmodelle ohne eigenen
Antrieb. Sie werden mit der Hand, mit einem Gummiseil, einer Winde
oder im Flugzeugschlepp hinter einem Motormodell gestartet.
Als motorlose Flugzeuge fliegen Segelflugmodelle im
Aufwind eines Hanges oder auf der Ebene unter Ausnutzung thermischer
Aufwinde genau wie die großen Vorbilder.
Es hängt viel vom
Geschick des Piloten ab wie lange das Segelflugmodell in der Luft
bleibt. Ein geschickter Pilot kann ein Modell so lange der Aufwind
anhält in der Luft halten.
Segelflugmodelle fliegen nach dem Prinzip des
thermischen Aufwindes. Nachdem diese Aufwinde nur indirekt durch die
Reaktion des Modells auf die Luftströmung wahrgenommen werden können
ist Modellsegelflug eine große Herausforderung für den Piloten.
Motorgetriebene Modellflugzeuge
Motormodelle haben eine interne Antriebsquelle um das
Modell durch die Luft zu bewegen. Eine der ältesten Methoden ist der
Gummimotor; ein langes Gummi wird vor dem Start verdrillt und gibt
dann die Energie auf den Propeller frei. Der Gummimotorantrieb ist der
verbreitetste Modellantrieb und wird vom Kinderspielzeug bis zum
Wettbewerbsmodell eingesetzt.
Der Gummimotorantrieb ist sehr einfach aufzubauen,
allerdings ist die Antriebszeit sehr kurz und die Leistung nimmt
exponential zur Zeit ab.
Es kann auch CO2-Gas zum
Antrieb von speziellen CO2-Motoren eingesetzt werden. Solche Motoren
sind geeignet für leichte RC-Modelle. Motoren werden unter anderem von
den Firmen Gasparin und Modella
hergestellt.
Verbrennungsmotoren
Der verbreitetste Antrieb für größere und schwerere
Modellflugzeuge ist der Glühkerzenmotor. Glühkerzenmotoren sind
ähnlich aufgebaut wie Benzinmotoren, nur viel einfacher zu betreiben.
Die einfachste Form des Glühkerzenmotors ist die Zweitaktausführung
mit einer Glühkerze zur Kraftstoffverbrennung und einer Externen
Batterie zur Heizung der Glühkerze. Als Treibstoff dient langsam
verbrennender Methylalkohol , Nitromethan und Schmieröl, entweder
Rizinusöl oder synthetisches Öl. Glühkerzenmotoren werden nach Hubraum
angeboten, die Motorenbezeichnungen lehnen sich an den Hubraum in
Kubik Zoll an . Hubräume zwischen 0,16 ccm und 25 ccm sind
gebräuchlich.
Nicht alle Modellmotoren verwenden Glühkerzen. Es gibt
auch Dieselmotoren die früher in Europa sehr populär waren. Sie
arbeiten ebenso mit Vergasern, haben aber eine einstellbare
Kompression und laufen mit einem leichtentzündlichen Gemisch aus
Äther, Petroleum und Schmieröl. Sie werden vorzugsweise bei
Dauerwettbewerben eingesetzt, da der Treibstoff eine höhere
Energiedichte hat.
Verbrennungsmotoren werden auch mit größeren Hubräumen
zu höheren Preisen hergestellt. Es gibt außerdem auch Viertaktmotore,
Mehrzylindermotore und sogar funkengezündete benzingetriebene
Modellmotoren. Verbrennungsmotoren verursachen Lärm und Emissionen.
Alle Verbrennungsmotoren brauchen regelmäßige Wartung.
Strahl- and
Raketentriebwerke
Miniatur-Strahlturbinen werden seit neuestem in
Flugmodellen eingesetzt. Diese Triebwerke sind nicht
vereinfachte Konstruktionen von großen Flugzeugturbinen, im Gegenteil es sind
eigenständige Konstruktionen. Die ersten Turbinen für Modellflugzeuge
kamen in den 80er Jahren auf. Erst seit kurzen werden diese Turbinen
in Serie produziert und zum Verkauf angeboten. Der Bau
von Turbinen erfordert besondere Techniken und höchste Präzision, die
Turbine erfordert konstante Wartung. Turbinenmodelle sind die
Hingucker auf jedem Flugtag, da sie bei einem naturgetreuen Jetsound
mit hohen Fluggeschwindigkeiten bestechen.
Staustrahltriebwerke, die nach dem Prinzip des V-1
Antriebes aus dem 2. Weltkrieg arbeiten sind auch schon eingesetzt
worden. Staustrahltriebwerke sind allerdings sehr laut und verbrauchen
sehr viel Treibstoff. Sie werden sehr selten eingesetzt.
Raketenmotoren werden manchmal zum Start von
Segelflugmodellen eingesetzt. Allerdings sind sie nicht populär, da
der Kauf von Treibsätzen aufgrund den Bestimmungen in vielen Ländern
schwierig ist.
Elektrischer
Antrieb
Die ersten elektrisch angetriebenen
Modellflugzeuge wurden von Bürstenmotoren und Nickel-Cadmium (NiCd)
Akkus angetrieben. Flugzeiten waren zwischen 5 und 10 Minuten. Neuere
Antriebe bestehen aus bürstenlosen Elektromotoren und
Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder seit neuestem mit Lithiumpolymer
(LiPoly) Akkus angetrieben. Mit diesen neuen Technologien werden
Flugzeiten erreicht die die von gleichwertigen Glühkerzen-Motor
getriebenen Flugmodellen übertreffen. Solarantrieb wird mittlerweile
für Modellbauer erschwinglich. Der Solarflugrekord liegt derzeit bei
48 Stunden und 16 Minuten, erreicht im Juni 2005 in Kalifornien.
Elektrischer Modellflug wurde in den 70er Jahren
erprobt, konnte sich aber wegen der hohen Kosten nicht durchsetzen. In
den frühen 90ern wurde die Idee neu aufgenommen, da inzwischen die
Preise für Motoren und Akkus gefallen waren und die Akkus wesentlich
verbessert wurden. Im Parkflyer und im 3D Markt
wird mittlerweile fast ausschließlich Elektroantrieb verwendet, da der
Elektroantrieb einfacher, leiser, sauberer und wartungsfreundlicher
ist als Glühkerzenantrieb. Die 3D Flieger schätzen die fast
verzögerungslose Beschleunigung des Elektroantriebs.
Der Umbau mittlerer und Großer Motorflugzeuge von
Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb ist leider immer noch zu teuer.
Die Piloten dieser Flugmodelle bevorzugen aber sowieso den Sound und
den Geruch eines Verbrennungsmotors.
Luftschrauben
Die meisten motorgetriebenen Modellflugzeuge erzeugen
den benötigten Schub mit einem Propeller.
Die Abmessungen und die Anordnung des Propellers geht
wie bei großen Flugzeugen ins Flugzeug-Design ein. Im Allgemeinen
erzeugt ein großer Propeller mit einer hohen Steigung mehr Schub bei
niedrigen Geschwindigkeiten, ein kleiner Propeller mit wenig Steigung
gibt Schub zugunsten höherer Endgeschwindigkeit auf. Der Modellbauer
kann aus einer Vielfalt von Propellern wählen um die Flugeigenschaften
des Modellflugzeuges zu beeinflussen. Ein falsch gewählter Propeller
beeinflussst die Flugleistungen negativ. Modellflugzeug-Propeller
werden normalerweise nach Durchmesser x Steigung bezeichnet, ein
Propeller mit der Bezeichnung 3 x 5 hat demnach einen Durchmesser von
5 Zoll bei einer Steigung von 3 Zoll. Die Steigung ist die Distanz die
der Propeller in einem festen Medium pro Umdrehung zurücklegen würde.
Ein weiterer Parameter ist die Blattanzahl.
Der Propeller wir meist direkt auf der
Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder dem Läufer des Elektromotors
befestigt (Direktantrieb)
Mit meist einstufigen Getriebeuntersetzungen wird die
Drehzahl reduziert und das Drehmoment proportional erhöht.
Untersetzungen werden bei großen Flugmodellen und Flugmodellen mit
übergroßen Luftschrauben eingesetzt. So wird die optimale
Motordrehzahl an die optimale Luftschraubendrehzahl angepasst.
Untersetzungen sind bei Elektromodellen gebräuchlich, werden aber
selten bei Verbrennern eingesetzt.
Manche Modellflugzeuge haben einen Impeller-Antrieb
anstatt eines Propellers. Der Impeller-Antrieb ist eine Einheit von
einem mehrblättrigen Propeller eingebaut in einem Strömungskanal. Im
Vergleich zum Propeller liefert ein Impeller mehr Schub pro
Flächeneinheit. Impeller findet man bei Scale Jet Modellen wo sie den
Turbinenantrieb optisch simulieren. Impeller finden auch bei anderen
Modellen Anwendung.
In Jets ist die Modellturbine
ein Fertigteil ohne vom Modellbauer austauschbare Teile. Das
Turbinenlaufzeug rotiert mit bis zu 150000 Umdrehungen pro Minute und
sollte von der Fabrik eingestellt werden.
Zuletzt gibt es
noch Ornithopter
die keine Luftschraube verwenden. Ornithopter schwingen mit den
Flügeln ähnlich wie Vögel und erzeugen damit Vor- und Auftrieb.
Die Flugeigenschaften eines Modellflugzeuges hängen
von Größe und Geschwindigkeit ab. Der Widerstand ist normalerweise bei
niedrigen Reynolds-Zahlen größer, deshalb brauchen Flugmodelle meist
größere als maßstabsgetreue Luftschrauben.
Die Machzahl hängt von der
Geschwindigkeit ab. Die Komprimierbarkeit der Luft ist nur im Bereich
um und oberhalb der Schallgeschwindigkeit wichtig, also kann der
Unterschied zwischen Machzahl eines langsamen Flugzeugs und
einem kleinen Modell vernachlässigt werden. Jetmodelle sind allerdings
keine effizienten Flugmodelle, da die spitzen Nasen und zurück
gepfeilten Flügel, die beim Original den Widerstand bei hohen
Geschwindigkeiten verringern, beim langsamen Modell zusätzlichen
Widerstand erzeugen.
Auch das Drehmoment ist abhängig vom Maßstab.
Das Drehmoment ist proportional
zur Hebelarmlänge das Trägheitsmoment proportional
zum Quadrat des Hebelarms, das heißt je kleiner das
Model desto schneller reagiert das Modell auf Steuerbefehle. Statische
Stabilität, Widerstand gegen plötzliche Fluglage-Änderungen ist ein
Muss für alle Modellflugzeuge und normalerweise auch für manntragende
Flugzeuge, dynamische Stabilität ist ein Muss für alle Flugzeuge.
Ausgenommen sind Kampfflugzeuge.
R/C Flugzeugtypen
Es gibt viele Arten funkferngesteuerter
Modellflugzeuge. Für Anfänger sind die Parkflyer und Trainer-Modelle ,
Fortgeschrittene versuchen sich an Glühkerzen-Motor getriebenen
Modellen, größeren Elektromodellen und Seglern. Experten fliegen
Jets, Pylon
Racer, Hubschrauber
und
andere Hochleistungs- und Wettbewerbsmodelle die eine
Herausforderung für sie darstellen.
Parkflyers
und Trainers
Parkflyers sind wie der Name schon sagt kleine einfach
zu fliegende Elektromodelle. Sie sind auf den durchschnittlichen
Piloten ausgelegt und benötigen wenig Platz zum Fliegen. Sie sind
preiswert und einfach zu fliegen. Trainer sind ähnlich konzipiert wie
Parkflyer, sie sind größer und normalerweise von einem
Verbrennungsmotor angetrieben. Sie benötigen ein größeres Fluggelände.
Scale und Sportflugmodelle
Modelle wie Diabolo, Zlin50, CAP, Mini Funtana, etc.
sind größere Kunstflugmaschinen. Diese Kunstflugmaschinen sind ebenso
wie Scale und Sportmodellflugzeuge größere Modelle, die mit
Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Sie sind teurer als die
Anfängermodelle und benötigen einen geübten Piloten.
Segelflugmodelle
Segelflugmodelle haben im allgemeinen keinen Antrieb.
Sie steigen unter Ausnutzung des natürlichen Aufwindes am Hang oder in
der Ebene unter Ausnutzung thermischer Aufwinde.
Jets
Jetmodelle sind relativ teuer,
sie werden von Impellerantrieben oder von Kleinstturbinen angetrieben.
Diese Modelle erreichen Geschwindigkeiten von über 300 km/h. Piloten
brauchen sehr gute Reflexe und teure Ausstattung. Sie sind
normalerweise den Experten vorbehalten.
Rennmodelle
Rennmodelle sind kleine Propellermodelle die um einen
Kurs mir 2, 3 oder 4 Pylonen fliegen. Sie sind schwer zu sehen und
über 200km/h schnell.
Hubschrauber
R/C Hubschrauber sind eine eigenständige Klasse von
Modellflugzeugen, da sie sich in Bau Aerodynamik und Flugschulung sehr
von den Flächenflugzeugen unterscheiden. Erfahrene Modellpiloten
wechseln oft von normalen Modellen zu Hubschrauber- und Jetmodellen um
sich neuen Herausforderungen zu stellen.
Modellflugzeug - Eigenschaften
Tragflächenanordnung
Hochdecker
Die am einfachsten zu fliegenden Flugzeuge sind die
Hochdecker. Beim Hochdecker ist die Tragfläche auf oder über dem Rumpf
meist in Verbindung mit ein- oder mehrfacher V-Form. Die meisten
Trainer sind so konstruiert.
Hochdecker haben ihren Schwerpunkt unterhalb der
Tragfläche und verhalten sich sehr stabil. Meistens kehren diese
Flugmodelle ohne fremde Hilfe aus instabilen Fluglagen in eine stabile
Fluglage zurück. Aufgrund der Tragflächenform und höherem Widerstand
sind die Hochdecker langsamer und nicht so kunstflugtauglich wie
Mittel- und Tiefdecker. Typische Vertreter dieses Flugzeugtyps sind
die Cessna 152, Cessna 172 und die Piper Cub.
Tiefdecker
Tiefdecker sind schwieriger zu fliegen da
der Schwerpunkt über der Tragfläche liegt. Die meisten besitzen etwas
V-Form um die Fluglage stabiler zu machen.
Tiefdecker sind durch die Gewichtsverteilung und
Tragflächenposition sehr manövrierfähig. Die meisten Kampfflugzeuge
des zweiten Weltkriegs und viele moderne Passagier- und
Geschäftsflugzeuge sind Tiefdecker.
Mitteldecker
Mitteldecker sind die am schwierigsten zu fliegenden
Flugzeuge. Ihre Tragflächen sitzen im Schwerpunkt. Dadurch werden nur
sehr geringe Steuerausschläge benötigt. Die meisten Mitteldecker haben
vollsymmetrische Profile und keine V-Form, sie fliegen in jeder
Fluglage nahezu neutral. Mitteldecker sind meistens Militärjets und
Kunstflugmaschinen, niemals Anfängermaschinen.
Aufgrund der Symmetrie
kehren sie nicht von alleine in eine stabile Fluglage zurück.
Kanäle
Die Anzahl der Kanäle gibt an wie viele Funktionen des
Flugmodells kontrolliert werden. Normale Motormodelle werden über 3
bis 4 Kanäle gesteuert.:
Querruder - rollen.
Höhenruder - ziehen und drücken.
Motordrossel oder elektronischer
Geschwindigkeitsregler bei Elektromodellen
Seitenruder
- gieren (links
und rechts).
Weitere Kanäle können zur Ansteuerung des Fahrwerks,
Landescheinwerfer, Bombenabwurf-Mechanismen, Kameras und anderen
Funktionen verwendet werden.
Die Querruder bewegen sich normalerweise
entgegengesetzt. Allerdings werden die Querruder öfters mit einer
weiteren Funktion gemischt. Zum Beispiel werden beide Querruder als
Landeklappen nach unten bewegt (Flaperons) oder beide nach oben (Spoilerons).
Bei vielen Deltas wie z.B. der Concorde werden
die Querruder mit der Funktion des Höhenruders gemischt (Elevons). Es
gibt auch Modellflugzeuge, meistens Jetmodelle, bei denen die beiden
Höhenruderhälften mit der Querruderfunktion gemischt werden (Tailerons).
Bei kleineren Motormodellen sind drei Kanäle
gebräuchlich. Dabei werden entweder Querruder oder Seitenruder nicht
angesteuert. Ohne Seitenruder werden Kurven durch rollen und
anschließendem ziehen mittels Höhenruder eingeleitet. Ohne Querruder
muss die Tragfläche über eine ausreichende V-Form verfügen. Viele
Trainer und elektrische Park-Flyer fliegen mit dieser Technik.
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