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Wie Ornithopter Fliegen

Flagge flag vlag pavillon

Ornithoptermodell EV7

1. Ornithoptermodell EV7a

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1.1 Flugbilder vom EV7a

 

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1.2 Flugstabilität der Ornithopter

Bei allen EV-Schlagflügelmodellen mussten die Kraftflüge wegen mangelnder Flugstabilität immer wieder vorzeitig abgebrochen werden. Ursachen dafür waren

  • Verlust des Kräftegleichgewichtes bei Variation
    der Fluggeschwindigkeit bzw. des Flugbahn-Steigungswinkels
  • mangelnde Übung und Nervosität des Fernsteuerpiloten
  • Sichtprobleme wegen großer Entfernung bzw. sehr großem Kurvenradius

Wahrscheinlich spielt auch die mit der Flügelverwindung sich ständig ändernde Einstellwinkeldifferenz eine Rolle. Jedenfalls war bei fast allen EV-Modellen nach dem Neubau das Höhenleitwerk erst einmal zu klein konstruiert.

Das labile Kräftegleichgewicht eines hauptsächlich Auftrieb erzeugenden Schlagflügels bei veränderlicher Fluggeschwindigkeit lässt sich auch rechnerisch nachvollziehen. Siehe hierzu Handbuch, Abschnitt 8.6.

Die aufgetretenen Schwierigkeiten werden durch die stark wechselnde Rumpfneigung in einigen der nachstehenden Bilder eines Kreisfluges deutlich.

Abschlag
Abschlag
Aufschlag
Aufschlag
obere Schlagendlage
obere Schlagendlage
untere Schlagendlage
untere Schlagendlage
Gleitflug
Gleitflug
Abschlag in Schlagmitte
Abschlag in Schlagmitte
Kurvenlage
im Kurvenlage
unstabiler Schlagflug beim Abschlag
unstabiler Schlagflug
unstabiler Schlagflug
unstabiler Schlagflug
Gleitflug
Gleitflug
unstabiler Schlagflug beim Aufschlag
unstabiler Schlagflug
Aufschlag in Schlagmitte
Aufschlag in Schlagmitte

Bei den Flugversuchen habe ich mehrfach die Erfahrung gemacht, dass das Modell bei Erhöhung der Schlagfrequenz in den Sinkflug überging. Ich habe das damals immer nur auf eine zu geringe Flügelverwindung und einen Strömungsabriss im äußeren Flügelbereich zurückgeführt, insbesondere beim Flügelabschlag. Auch beim Flügelaufschlag kann so etwas vorkommen. Bei einem Strömungsabriss werden Schub und Auftrieb gleichzeitig kleiner. Es gibt aber auch noch andere mögliche Ursachen für dieses Flugverhalten.

Eine davon ist die Verlagerung des Auftriebszentrums beim Flügelaufschlag. Ist beim Aufschlag der Auftrieb nahe der Flügelspitze zunächst vielleicht nur wenig negativ, so wird er bei Erhöhung der Schlaggeschwindigkeit noch negativer. Da der Auftrieb nahe der Flügelwurzel nahezu gleich groß bleibt, entspricht das einer Verlagerung des Auftriebs Richtung Flügelwurzel. Das verstärkt zwar den Schub, reduziert aber den Auftrieb. Auf diese Weise geht das Modell, trotz Schubsteigerung, in den Sinkflug über. Erst bei weiterer Erhöhung der Schlagfrequenz reißt dann beim Aufschlag die Strömung ab.

Die Auftriebsminderung beim Aufschlag infolge der Auftriebsverlagerung kann durch größeren Auftrieb beim Abschlag oder durch Höhensteuerung ausgeglichen werden. Dazu muss aber das Flügelprofil über genügend Auftriebsreserven verfügen (z. B. durch große Flügeltiefe). Bei meinen Modellen war das offensichtlich nicht der Fall.

Außerdem wird bei Erhöhung der Schlagfrequenz die Neigung der Querkraft längs des Flügels größer. Beim Aufschlag neigt sie sich mehr nach hinten und beim Abschlag mehr nach vorne. Dadurch wird zwar der Schub größer, aber der Auftrieb kleiner. Wird der größere Schub zur Erhöhung der Fluggeschwindigkeit genutzt, so kann der Auftrieb wieder ansteigen. Die Geschwindigkeitserhöhung erfolgt aber nicht schlagartig. Sie beansprucht insbesondere bei schweren Modellen eine gewisse Zeit. Während dieser Beschleunigungszeit ist der Auftrieb noch zu klein und das Modell verliert an Höhe. Um diesen Effekt zu vermeiden, sollte man die Schlagfrequenz nur in kleinen Schritten bzw. nur sehr langsam erhöhen. Entsprechende Versuche wurden damals aber nicht durchgeführt.

Eine Erhöhung der Schlagfrequenz bietet also keine Gewähr für einen Steigflug. Leider führte bei meinen Modellen auch eine Reduzierung der Schlagfrequenz nicht zu mehr Steigflug. Das Fenster der optimalen Schlagfrequenz war einfach zu klein. Nach neueren Erkenntnissen flog das Modell EV7 wahrscheinlich mehr im Reiseflug- als im Streckenflug-Modus. Die Auftriebsverteilung während des Aufschlags ist dabei ganz anders als ursprünglich vorgesehen (siehe Diagramm der Auftriebsverteilungen auf der Seite Gangartwechsel).

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1.3 Videos vom EV7a (1990)

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2. EV7b mit Schwungfedern

Flug im Morgendunst
Die pixelgenaue Ausrichtung einer Bilderserie kann nur an Hand von Geländemarken erfolgen. Die letzten beiden Bilder des Vogelflugmodells sind also nur ungefähr lagerichtig angefügt.Der Flug erfolgte im Morgendunst.

Bilderfolge vom Schwingenflug
Bilderfolge im Großformat (321 KB)

Vorbeiflug
Dies sind willkürlich aneinander gesetzte Bilder von einem Ornithopter im Flug.

einige Flugbilder vom Schlagzyklus eines Ornithopters
Bilderfolge im Großformat (335 KB)
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2.1 Drei-Meter-Vogel im Anflug

- ein Modellflugerlebnis -

Die folgenden Bilder zeigen den EV7b (mit Federn an den Flügelspitzen) im Anflug. Er überwindet mit wenigen Flügelschlägen größere Entfernungen (hier ca. 9 Flügelschläge). Die unterschiedlichen Flügelverwindungen beim Auf- und Abschlag sind gut zu erkennen.

Flügelaufschlag fern
Aufschlag
Flügelaufschlag näher
Aufschlag
Flügelabschlag in der Ferne
Abschlag
Flügelaufschlag noch näher
Aufschlag
Flügelabschlag näher
Abschlag
Flügelaufschlag nahe
Aufschlag
Flügelaufschlag nahe dran
Aufschlag
Flügelabschlag nahe dran
Abschlag
Flügelabschlag
Abschlag
Flügelaufschlag ganz nahe
Aufschlag
Flügelabschlag von unten
Abschlag
Flügelaufschlag von unten
Aufschlag
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3. Ornithoptermodell EV7c

Hier die relativ folgenlose Landung ohne Leitwerk, nach dem letzten Flug des EV7c 1995. Die Flügelmechanik, die bei dieser Modellvariante den hinteren Handflügelholm ersetzen sollte, hat sich nicht bewährt.