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Wie Ornithopter Fliegen

Flagge flag vlag pavillon

Rechenprogramme
für Ornithoptermodelle

Titelbild des Handbuches 
'Wie Ornithopter fliegen'
Titelbild des Handbuches

Für Schlagflügel gibt es kein allgemein übliches Rechenverfahren. In jeder Literatur-Fundstelle werden andere Rechenwege beschritten.

Alle hier aufgeführten Orni-Rechenprogramme basieren auf dem Rechenverfahren, dass im Handbuch Wie Ornithopter fliegen beschrieben ist. Damit können insbesondere die Leistung und die Flügelverwindung bei stationären Flugzuständen bestimmt werden. Außerdem ermöglicht das Rechenverfahren zumindest näherungsweise eine quantitative Beschreibung der Dynamik und Aerodynamik von profilierten Schlagflügeln. Vor allem der zahlenmäßige Vergleich diverser Schlagflügel-Einflussgrößen ist damit möglich.

Es werden profilierte Schlagflügel und quasistationäre Strömungsbedingungen vorausgesetzt. Die Berechnungen führen also nur beim schnellen Vorwärtsflug mit relativ kleinen Schlagfrequenzen zu brauchbaren Ergebnissen (z. B. große Vögel; siehe Bescchreibung vom Fliegen mit dem Auftrieb).

Die mathematischen Modelle sind nur mit der jeweiligen Anwendersoftware lauffähig.

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1. Orni 1
Einfaches Rechenprogramm

Insbesondere zur Berechnung der Schlagflügel­verwindung

Die Gleichungen aus dem Handbuch werden in einem kleinen Excel-Rechen­programm angewendet:

Download orni1.xls (mit Kurzanleitung, 0,2 MB)

Download orni1.xlsx (mit Kurzanleitung, 0,1 MB)

Dieses Werkzeug ermöglicht hauptsächlich die Berechnung der Flügelverwindung bei gegebener Auftriebsverteilung und gegebenen Flügelabmessungen.

Kraftverlauf bei Auf- und Abschlag
Prinzipieller Kraftverlauf während einer Schlagperiode
Rechenschema bei sinusförmigem Kraftverlauf
Rechenschema für Schlagfügelkräfte

Die zusätz­liche Ermittlung von Flugmodell­daten ist in diesem Rechen­programm stark vereinfacht. Die detaillierte Berechnung des Kraftverlaufes während einer Schlagperiode ist durch die Annahme eines sinusförmigen Kraftverlaufes ersetzt. Die exakte Kopplung von Schlagbewegung und Verwindung bleiben also unberücksichtigt. Nur die Bezugslinie (wie Gleitflug) und die Amplitude der Sinushalbwelle in der Mitte jedes Flügelschlags werden ermittelt. Auf diese Weise werden die Fläche unter dem Kurvenzug und damit die Größe der Kräfte näherungsweise berechenbar.

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2. Orni 2
Rechenmodell für Ornithopter

Das grundsätzliche Rechenverfahren des Handbuch Wie Ornithopter fliegen wird Schritt für Schritt nachvollzogen. Die aufgeführten Gleichungen entstehen mit begleitenden Texten, Diagrammen und Bildern.

Die Einhaltung des zulässigen Auftriebsbeiwert-Arbeitsbereiches des verwendeten Profils wird im Rechenprogramm automatisch gewährleistet. Auch die Herstellung des Kräftegleichgewichts im Flug erfolgt auf einfache Weise. So gelangt man sicher zu den Flugdaten der gewählten Modellkonfiguration.

Für die Konstruktion eines Schlagflügelmodells beschreibt das Rechenprogramm diverse Kraft- und Momentverläufe am Flügel. Auch die erforderliche Motorleistung und vor allem die Flügelverwindung längs der Spannweite werden berechnet.

Das Rechenprogramm wurde hier mit der Software Mathcad geschrieben.
Infolge des Daten- und Seitenumfangs, ist seine Handhabung etwas gewöhnungsbedürftig.


Logo mit ornithopter

Webseite
zum Ansehen

PDF-Datei
zum Drucken

Arbeitsblatt
für Mathcad-Anwender

Orni 2

orni2
1.7 MB
orni2.pdf
317 KB
orni2.xmcdz
1.8 MB

Profil­ CLARK-Y

clark-y
270 KB
clark_y.pdf
62 KB
clark_y.xmcdz
257 KB

Profil­ SD7062-PT

sd7062pt
320 KB
sd7062pt.pdf
60 KB

Kurbel­antrieb

k_antrieb
450 KB
k_antrieb.pdf
110 KB

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3. Orni 3
Für Vergleiche in Berechnungsserien

Dieses Werkzeug baut auf dem Rechenprogramm Orni 2 auf. Es lassen sich damit die Gleit- und die Kraftflüge eines Schlagflügelmodells einzeln und auch reihenweise untersuchen.

Um ein Ornithoptermodell zu berechnen, wird es zunächst über diverse Eingangsparamter definiert. Einer davon wird als Bereichsvariable festgelegt. Im gewählten Datenbereich erhält man dann die Flug- und Antriebsdaten, unter automatischer Einhaltung der Flügelprofildaten und des Kräftegleichgewichts.

Da das Rechenmodell nur wenige Beschreibungen enthält, sollte vorher das Rechenprogramm Orni 2 bekannt sein.

Das Rechenprogramm wurde mit der Software Mathcad geschrieben.


Logo mit EV6 im Vorbeiflug

Webseite
zum Ansehen

PDF-Datei
zum Drucken

Arbeitsblatt
für Mathcad-Anwender

Orni 3

orni3
665 KB
orni3.pdf
130 KB
orni3.xmcdz
667 KB
(Profilprogramme von Orni 2 verwenden)

Hinweis

Die hier aufgeführten Rechenprogramme sind als Open-Source-Software zu verstehen. Damit ist es jedem möglich, Einblick in das Rechenverfahren zu nehmen. Jeder hat die Erlaubnis diesen Quellcode beliebig weiter zu geben, zu verändern und vor allem zu korrigieren und zu verbessern.

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4. Vergleich der Transportleistung
eines Schwans mit der von Flugmodellen

Die Flugleistung eines Höckerschwanes wird mit den Leistungen von einem Propeller- und einem Schlagflügelmodell verglichen.

Download Vergleich (Formal xlsx, 28 KB)

Der Höckerschwan benötigt die meiste Energie. Das liegt insbesondere an dem kleinen Wirkungsgrad seiner Muskeln und nicht an seiner Flugtechnik. Dafür hat der Schwan den Vorteil, dass sein Körperfett ein Speicher mit hoher Energiedichte ist. Mit den verwendeten Rechenmodellen ist das Schlagflügelrmodell geringfügig effizienter als das Propellermodell.

Auch das Schlagflügelmodell aus dem Handbuch wird einem entsprechenden Propellermodell gegenüber gestellt.