Mit seinem Modell möglichst hoch mit wenig Energie zu fliegen ist grundlegend für uns Modellflugpiloten.

Den Segler mit vorgegebener Energie auf ein Maximum an Höhe zu bringen ist für Motorsegler ein wichtiges Thema und kann für Wettbewerbsteilnehmer von entscheidender Bedeutung sein. In den internationalen Klassen F5B und F5F und auch in RC-MS sind Piloten bemüht, das Potential bestmöglich zu nützen. Letztere Klasse wollen wir etwas genauer ansehen und konzentrieren uns für Interessierte vorerst auf drei Fragen:

1.     Bei welcher Drehzahl arbeitet der Motor optimal?

2.     Welche Blattsteigung errechnet sich für diese Drehzahl?

3.     Welcher Luftschraubendurchmesser ist dem Betriebspunkt zuzuordnen?

Dazu benötigt man ein Drehzahl- und Strommessgerät für Spannung, Strom und Leistung (z.B. ein Unilog von SM-Modellbau). Hilfreich ist auch eine Federwaage um die Zugkraft vergleichen bzw. messen zu können.

Wir nehmen folgendes Fallbeispiel an:

Modellgewicht (Annahme für dieses Beispiel): = 1845 g

Zuordenbare Energie *) in Wattminuten  (1800g/100) x 6 Wmin = 108 Wmin
Das sind in Wattsekunden (108Wmin x 60s) = 6480 Ws
Das bedeutet eine Leistung für ~20s **) Motorlaufzeit von: (6480Ws / 20s)   = 324 W
Oder anders: Man kann also 18W pro 100g Modellgewicht ziehen
Bei einer mittleren Betriebsspannung von 10,5V (3S-Akku)
       benötigt man damit einen Strom in Ampere von (324W / 10,5V) = 30,85 A

*) Gem. MSO ist die erlaubte spez. Energie: 6 Wmin pro vollständige 100g Modellgewicht

**) Annahme 20 Sekunden – mit etwas Toleranz.

Auf Basis dieser Zahlen wird ein Motor gewählt, dessen Dauerstrom knapp über dem errechneten Wert von 30,85 A liegt. Niedrige Motordrehzahlen haben Vorteile (Außenläufer, kleiner KV-Wert). Motoren mit höherer Drehzahl (Innenläufer) soll ein Getriebe vorgeschaltet werden. Antriebe mit relativ kleinem Spalt zwischen Rotor und Stator haben einen höheren Wirkungsgrad. Nun zu den Antworten:

1.     Um die Leerlaufdrehzahl zu messen wird der Spinner vom Motor abgenommen. Ein Brushless-Motor gibt bei etwa 60% der Leerlaufdrehzahl die höchste Leistung ab (mechanische Reibungsverluste sind einbezogen).

Beispiel: Leerlaufdrehzahl in U/min = 12040 U/min.

Die ideale Abtriebsdrehzahl liegt somit bei etwa (12040 * 0,6) = 7200 U/min = 120 U/s.

2.     Aus Erfahrung ist eine Vortriebsgeschwindigkeit von 20 bis 25 m/s für RC-MS ideal. Dem entspricht für unsere errechnete Abtriebsdrehzahl von 120 U/s  eine Schraubensteigung von

20,0m/s / (120U/s * 0,0254) = 6,56“

25,0m/s / (120U/s * 0,0254) = 8,20“                          

Je nach Wirkungsgrad der Schraube ist also eine Steigung von 7“ oder 8“ zu wählen.

Um eine angenommene Höhe von 150 bis 180 Metern bei einem 45° Flug und Verlusten bzw. einem Schlupf von 45% (geschätzt) in 20 Sekunden zu erreichen, ergeben sich Geschwindigkeiten von

180m x Ѵ2 / (1-0,45) =  465 Meter in 20 Sekunden        -> 465m / 20s = 23,2 m/s

150m x Ѵ2 / (1-0,45) =  387 Meter in 20 Sekunden        -> 387m / 20s = 19,4 m/s

 

3.     Nun gilt es die passende Klappluftschraube zu finden. Herstellerangaben helfen für die jeweilige Steigung einen sinnvollen Schraubendurchmesser zu finden, wobei der Motor unter Last einen Strom von etwa 31A ziehen soll. Probieren und Testen ist angesagt.

 7“ Steigung erlauben eine größere Schraube und dadurch geringeren Schlupf. 8“ verlangen einen kleineren Schraubendurchmesser und haben mehr Schlupf zur Folge. Weiters deutet die größere Steigung auf mehr Stromverbrauch und daraus resultierende kürzere Motorlaufzeit hin. Der Wirkdurchmesser der Klappluftschraube ist auch abhängig vom Achsabstand der Aufnahme am Spinner und beeinflusst die Leistungsdaten. Für unseren Fall können wir  zum Beispiel eine Schraube GM 14“ x 8“ wählen.

Wer es noch genauer wissen möchte, testet den Antrieb in der Werkstätte. Für eine Lösung ohne Prüfstand kann das Modell mittels einer Federwaage auf z.B. ein Garagentor gehängt und vor Verdrehung gesichert werden. Dabei sollte beachtet werden, dass sich lösende Schraubenteile eine Gefahr darstellen. Wenn nun Zugkraft x Drehzahl / Antriebsleistung ein Maximum erreichen und auch die Motorlaufzeit nahe der 20 Sekunden ist, liegen wir mit dem Antrieb richtig. So einfach können ähnliche Schrauben verschiedener Hersteller getestet werden. Man wird dann auch sehen, dass das Optimum bei etwa 60% der Leerlaufdrehzahl liegt.

Dann geht es mit den drei besten Schrauben auf den Flugplatz. Von fünf Starts pro Schraube wird aus den erreichten Höhen der Durchschnitt ermittelt. Dabei sollen die Akkus immer die gleiche Ausgangsspannung haben (d.h. voll geladen sein). Wer eine Schraube favorisiert, die eine Motorlaufzeit von knapp über 23 Sekunden zur Folge hat, kann die Akkus vorwärmen (bei 40° bis 42° ist der Innenwiderstand des Akkus an niedrigsten) und somit eine kürzere Motorlaufzeit erreichen. Höhere Betriebsspannung bedeutet höheren Strom und damit kürzere Motorlaufzeit um die erlaubte Energie umzusetzen.

Damit sind die wichtigsten Vorbereitungen getroffen und auf geht es zum ersten Bewerb am 4.6.2022 in Harmannsdorf-Rückersdorf.

Eine genauere Betrachtung der Drehmomente, Wirkungsgrade, Schraubendynamik, versetzter Spinner, Anlaufverhalten, Timing, PWM etc. bieten weitere Optimierungsmöglichkeiten.

 

Wir sind Modellflugsport!