Im Jahr 2015 wurde die D-40 für das Vorantreiben der Flugerprobung und der Zulassung des Darmstädter Prototyps an eine Gruppe erfahrener Akaflieger aus Karlsruhe übergeben. Seitdem ist einiges passiert und wir möchten nun kurz über die Fortschritte der Zulassung der D-40 berichten.

Zum Zeitpunkt des Sommertreffens 2015 standen folgende Punkte offen:

  • Flattererprobung
  • Trudelerprobung
  • Evaluation der aktuellen Wingletversion
  • Bewertung der Flugeigenschaften im derzeitigen Entwicklungsstand
  • Flugleistungsvermessung mit den aktuellen Winglets
  • Ermittlung des Neutralpunkts im Flugversuch
  • Bewertung der Überzieheigenschaften

mit folgenden Bedingungen:

  • Mindestzuladung: 75 kg (ohne Quelle, muss daher neu ermittelt werden)
  • Maximale Fluggeschwindigkeit: 140 km/h

In den vergangenen Jahren wurden einige Punkte erarbeitet, wie z.B.:

 

 

Ermittlung des Neutralpunkts (Sommertreffen 2015)

 

 

Messaufbau zur Bestimmung der Knüppelposition

 Für die Ermittlung des Neutralpunktes wurden mehrere Flüge bei  unterschiedlichen Schwerpunktlagen durchgeführt und dabei die Knüppelstellung für eine Reihe unterschiedlicher Geschwindigkeiten aufgezeichnet.

 

Dafür wird im Flugzeug eine Vorrichtung angebracht, welche es ermöglicht, die Knüppelstellung der Steuerung zu ermitteln. Dies erfolgt mithilfe eines möglichst wenig dehnbaren Fadens und eines am Instrumentenbrett angebrachten Maßbandes. Mit dieser Methode lässt sich die Knüppelposition mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 mm ablesen.

 

Insgesamt wurden 50 Messpunkte aufgenommen, wobei die Ergebnisse von drei verschiedenen Flugtagen eine exzellente Übereinstimmung zeigten. Mit dem aus diesen Daten ermittelten Neutralpunkt wurde die Mindestzuladung errechnet – diese lag bei 50 kg. Um dies zu verifizieren wurden weitere Versuche in hinten liegenden Schwerpunktlagen gemacht. Mit iterativen Annäherungen des Schwerpunktes ans Neutralpunkt konnte eine spürbare Verringerung der Längsstabilität festgestellt werden. Somit wurde die neue Mindestzuladung letztendlich auf 62 kg festgelegt.

 

 

Visualisierung der Wingletumströmung (Sommertreffen 2016)

Im Jahr 2016 lag der Fokus der Flugerprobung auf der Optimierung der Flugleistungen der D-40. Aufgrund des Zusammenspiels der Wingletumströmung mit der beträchtlichen Querrudertiefe am äußeren Ende wurde hier großes Optimierungspotenzial gesehen. Zur Strömungscharakterisierung in diesem Bereich wurden Ölanstrichbilder bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten angefertigt. Diese können Hinweise auf laminare und turbulente Strömung sowie Ablöseblasen liefern.

 

Nach den durchgeführten Flügen (bei 120 und 150 km/h) konnte ein relativ früher laminar-turbulenter Umschlag am Übergangsbogen zum Tragflügel festgestellt werden. Dennoch kann sich vor dem Querruder noch eine deutliche Ablöseblase bilden, was höchstwahrscheinlich auf den großen Nasenradius des angesteckten Teils zurückzuführen ist. Daher besteht noch Verbesserungsbedarf im Bereich des Übergangs. Bei einer Neukonstruktion der Winglets sollten ein modernes Profil am Wingletflügel mit einem besser an das Flügelprofil angepassten Ansteckstück sowie ein sanfter Übergangsradius berücksichtigt werden.

 

Anschtrichbild 150 km/h im Flug

 

Erprobung von Rückströmklappen als Ablösebremse (Sommertreffen 2016)

Seitenansicht Rückströmklappe

Rückströmklappen sind Elemente auf der Flügeloberseite, welche an der Vorderseite (stromaufwärts liegenden Seite) drehbar befestigt sind und ihre Hinterkante somit anheben können. Dies geschieht im Falle einer Ablöseblase passiv durch die beim Überziehen entstehende Rückströmung von der Flügelhinterkante her. Sie trennt dann die größtenteils laminare Strömung vor der Klappe (stromaufwärts) von der abgelösten Strömung stromabwärts. Somit wird die Propagation abgelöster Strömung in Richtung der Flügelnase verhindert. Dieser Effekt erhöht den Auftriebsbeiwert bei hohen Anstellwinkeln und stabilisiert den überzogenen Flugzustand.

 

Die Wirkung der Rückströmklappen wurde ebenso im Rahmen der Flugerprobung der D-40 getestet.  Dafür wurden zwei einfache Varianten gefertigt, wobei eine Variante gleiche Steifigkeit auf der ganzen Oberfläche (zweilagige GFK-Folie) aufwies und bei der zweiten eine weichere Hinterkante (nur eine Lage der GFK-Folie an der Hinterkante) verwendet wurde. Die Klappen wurden mit doppelseitigem Klebeband angebracht, wodurch deren Hochklappen alleine durch die Elastizität der Folie erfolgte.

 

In den Flugversuchen konnte festgestellt werden, dass die weichere Variante der Klappen keinen wesentlichen Einfluss auf die Überziehgeschwindigkeit und -eigenschaften hat. Dagegen erwies sich die steifere Rückströmklappe als sehr gut geeignet, die Überzieheigenschaften positiv zu beeinflussen. Bei vorderen Schwerpunktlagen ließ sich die Überziehgeschwindigkeit um ca. 1-2 km/h senken, was einer Steigerung des Auftriebsbeiwerts um bis zu 4,5 % entspricht.

Einlagige Rückströmklappe, aufgestellt

 

Zweilagige Rückströmklappe, aufgestellt

 

Flattererprobung (Sommertreffen 2017)

Da die ursprünglich geforderten Ausgleichsmassen im Querruder nicht vollständig angebracht werden, muss die bestehende Konfiguration neu bewertet werden. Ein Standschwingversuch wäre dabei die sinnvollste Lösung, um alle Änderungen an der Struktur mit einzubeziehen und eine Aussage hinsichtlich der Flattersicherheit zu gewährleisten. Die kritische Schwingungskopplung bei der D-40 ist die erste antisymmetrische Flügelbiegeschwingung (genannt A1) mit der aerodynamisch angeregten Querruderschwingung (QR). Die Schwingung A1 besitzt eine feste Eigenfrequenz, welche im Standschwingversuch mit ca. 7 Hz mit und 8 Hz ohne Wasserballast ermittelt wurde. Durch die nachträglich angebrachten Winglets (=zusätzliche Masse) kann davon ausgegangen werden, dass die A1 Eigenfrequenz ohne Wasserballast etwas unter 8 Hz liegen sollte, was sich im Versuch auch bestätigte. Im Bodenversuch wurde auf dem Hauptfahrwerk mit elastisch aufgehängtem Sporn eine Anregung per Hand bis ca. 8 Hz durchgeführt. Dabei wurde eine Resonanz bei ca. 7,8 Hz identifiziert; es bildete sich die A1-Schwingung aus.

Erste antisymmetrische Flugelbiegeschwingung A1 mit Sensorpositionen

Der erste Flug innerhalb des Geschwindigkeitsbandes bis 160 km/h diente dem Nachweis, dass auch im Flug die kritische A1-Mode angeregt werden kann. Bei der Anregung per QR-Bewegung mit der korrekten Frequenz und Impulseingabe wurde die Eigenfrequenz mit entsprechenden A1-Mode bei ca. 7,6 Hz festgestellt. Die Schwingung war ebenso durch das Seitenruder (SR) anregbar, jedoch nicht über das Höhenruder (HR). Die A1-Schwingung klingt dabei innerhalb 1 Sekunde aufgrund hoher Dämpfung ab. In den folgenden Flügen wurde die Fluggeschwindigkeit im Schritten von 5 km/h IAS gesteigert und jeweils per Impuls im QR, SR und HR das Abklingverhalten der angeregten Schwingungen beobachtet. Bis zur maximal geflogenen Geschwindigkeit von 235 km/h IAS in ca. 2400 m MSL änderte sich das Abklingverhalten der A1-Schwingung nicht.

Die Erprobung zeigte im Geschwindigkeitsband von 100 km/h bis 235 km/h IAS bei eingefahrenen Fowler und ohne Wasserbalast keinerlei Anzeichen von ungedämpften Schwingungen, Vibrationen, aerodynamischem Abkippen oder dergleichen. Das Flugzeug ist bei den erprobten Geschwindigkeiten problemlos und ohne besondere Fähigkeiten steuerbar. Als vorläufige neue Höchstgeschwindigkeit wird daher VNE = 200 km/h vorgeschlagen.

Wir freuen uns auf neue Fortschritte in der Flugerprobung auf den nächsten Sommertreffen und bedanken uns bei den sehr engagierten Mitgliedern der Idaflieg für die Fortsetzung der Flugerprobung!