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Umrüstung meines Motorseglers "Ozzy"

...und die Hoffnung, dass er senkrecht steigt

Elektromotorsegler Ozzy

Abb. 1: Elektromotorsegler Ozzy

Motivation

Vor vielen Jahren (ca. anno 1993) habe ich während meiner Schulzeit am MNG den Wahlfachkurs "Modellbau" belegt. Ich entschied mich dort zunächst für den Elektromotorsegler "Guppy", doch die Baupläne kamen nicht rechtzeitig auf Semesterbeginn. Deshalb habe ich mich für "Ozzy" von Klaus Martens umentschieden. Unter der Anleitung von Hr. Widmer habe ich fleissig das Modell gebastelt und Ende Semester einmal geflogen.

Blick ins Innere

Abb. 2: Blick ins Innere (VGA)

Alter Antrieb

Abb. 3: Alter Antrieb

Es war mit der damaligen Motorisierung etwas schwach auf der Brust, aber es flog (und segelte) sehr schön. Nie restlos geklärt hat sich die Frage, ob damals evtl. Leistung dadurch verschenkt wurde, dass der Fahrtregler in die Strombegrenzung steuerte und damit nie Tastverhältnis 100% erreicht hat.

Energiedichte vs. Leistungsdichte

"Die Geschichte der Luftfahrt ist die Geschichte der Antriebstechnik." [1] Was braucht es eigentlich, damit das Modell senkrecht steigen kann? Sehr viel Leistung bei möglichst geringer Masse. Obwohl die Energiedichte bei Elektroantrieben wesentlich niedriger ist als bei Verbrennungsmotoren, ist ein solches Unterfangen nicht unmöglich.

Wright Flyer

Abb. 4: Wright Flyer

OS MAX 10 LA

Abb. 5: OS MAX 10 LA

Durch die niedrige Energiedichte bei Akkus ist die Motorlaufzeit sehr kurz (wenige Minuten). Mittlerweile erreichen Lithium-Ionen-Akkus dermassen geringe Innenwiderstände, dass Maximalströme im Bereich 10..15 fache Kapazität möglich werden. Zwar ist dieser Wert immer noch geringer als bei NiCd-Akkus gleicher Kapazität, aber bei wesentlich geringerer Masse.

Beispiel:

  • Antrieb mittels Verbrennungsmotor
    • Motor: OS MAX 10 LA (Pw=200 W) inkl. Schalldämpfer: 119 g
    • Tank, leer: ca. 30 g
    • Servo: Standard ca. 50 g
  • Elektroantrieb
    • Motor: Graupner Compact 390 9.6V (Pw=200 W): 168 g
    • Akku: LiPo 3S1P 2100 mAh: 175 g
    • Steller: Graupner Compact Control 50: 50 g

Vergleich: V-Antrieb: 1005 W/kg, E-Antrieb: 509 W/kg
Fazit: Mit heutiger Akkutechnologie ist die Leistungsdichte bei Verbrennungsantrieb um Faktor 2 überlegen. Bei grösseren Leistungen skaliert die Variante mit Verbrennungsmotor sogar deutlich besser. Und bei der Energiedichte kann die Elektrovariante sowieso nicht mithalten.

Graupner Compact 390 und LiPo -Akku 3/2100

Abb. 6: Graupner Compact 390 und LiPo -Akku 3/2100

So sah es bis jetzt aus

Abb. 7: So sah es bis jetzt aus (VGA)

Umbau des Rumpfes

Der ursprüngliche Ozzy-Rumpf nach Bauplan war für Motoren der 600er-Klasse ausgelegt, d.h. 36 mm Motordurchmesser. Da ich aber einen Motor der 700er-Klasse, 44 mm durchmessend, einbauen möchte - auch die modernen bürstenlosen Aussenläufermotoren haben einen ähnlichen Durchmesser - war klar, dass der Rumpf verbreitert werden musste. An der Nase musste der Rumpf also 8 mm breiter und höher werden. Im Rumpfmittelteil war es auch eher knapp für Akku und Servos, deshalb habe ich ihn dort um 4 mm verbreitert.

Das Vorgehen war klar: Der alte Motorspant musste rausgedremelt werden und die Balsabrettchen an den Verleimungen mit dem Japanmesser aufgespleisst. Den neuen Motorspant habe ich aus 3mm-Alublech gefertigt, in das ich sowohl das Lochbild für 700er als auch für 600er Motoren gebohrt habe. Im Gegensatz zum alten Motorspant sind nun neu auch Lüftungsschlitze angebracht, damit ein allfälliger Motor mit integriertem Gebläse auch Luft von vorne ansaugen kann.

Der neue Motorspant

Abb. 8: Der neue Motorspant

Mit viel Leim zusammengeschustert

Abb. 9: Mit viel Leim zusammengeschustert

Alles wieder zusammengeleimt mit viel Uhu Hart und Araldit sowie Holzspachtel sah nicht nur etwas bescheuert aus, sondern war mechanisch auch nicht besonders fest. Auch steigen die Belastungen zusätzlich durch den schwereren Akku und Motor. Deswegen war schnell klar, dass ich den Rumpf laminieren musste. Ich hatte noch etwas Glasfasermatte (190g/m2; 0.5m2 im Tschopp für Fr. 8.90) zu Hause, also habe ich mir flugs noch etwas Epoxyd-Harz ("Devcon 2 Ton Epoxy" für Fr. 25.- im Schleiss) und schwarze Farbpigmente ("Huntsman Araldit-Farbpaste" vom Institut) besorgt.

Laminieren ist nicht einfach

Zur Vorbereitung habe ich die Glasfasermatte zurecht geschnitten und mit Uhu Hart "angepunktet". Dies erlaubt dann das zügige Bestreichen/Tränken mit Harz. Nachdem der Werktisch mit Zeitungspapier abgedeckt war, begann ich den Harz anzurühren: jeweils 50 g Harz und Härter sowie 6 g Pigmentpaste. Die Unterseite gelang mir recht gut, doch dann begann ein Wettlauf mit der Zeit: Urplötzlich wurde das Epoxy heiss, es bildeten sich Blasen und ein stechender Rauch bildete sich. Es sind noch nicht einmal fünf Minuten seit dem Anrühren vergangen und bei dem Harz handelt es sich um den langsam aushärtenden Typ (30 min). Offenbar war die angerührte Menge zu gross...

Glasgewebe anpunkten mit Uhu-Hart

Abb. 10: Glasgewebe anpunkten mit Uhu-Hart (VGA)

Tat vollbracht

Abb. 11: Tat vollbracht (VGA)

Für die restlichen Flächen habe ich nochmals total 43 g angerührt (20 g Harz, 20 g Härter, 3 g Pigmente) und diese im Eisbad konstant gekühlt. Das funktioniert zwar, doch die Streichfähigkeit nimmt extrem ab. Mit dem Pinsel war es kaum mehr möglich, die Glasmatten angemessen zu tränken - aber direkt mit den Fingern (behandschuht) gelang es mir doch. Die Stossstelle auf der Rumpfoberseite sieht trotz dieser Technik nicht besonders schön aus.

Einbau der Komponenten

Nach dem Umbau des Rumpfes war dann genug Platz für die grösseren Antriebskomponenten vorhanden. Der (längere) Akku rutschte etwas weiter nach hinten, um den Schwerpunkt richtig positionieren zu können. Deswegen mussten auch die Servos nach hinten versetzt werden.

Neuer Antriebsstrang

Abb. 12: Neuer Antriebsstrang

Ozzy im Flug (anklicken für Video)

Abb. 13: Ozzy im Flug (anklicken für Video)

Flug

- steht noch aus -

Simulation

Alter Antrieb

Typ, Bezeichnung Masse Preis (anno 1992?)
Akku 9.6V/1.2Ah NiCd (Marke unbek., Unger) 398 g Fr. 78.-
Motor Graupner SPEED 600 8.4V (Unger) 275 g Fr. 40.- (geschätzt)
Luftschraube 8x4.5" (im Set; Unger) 30 g
Regler Acoms AT-1 (Unger) 93 g Fr. 130.-
Empfänger-Akku 4 x Mignon 1.2V/0.5Ah NiCd (Migros) 128 g Fr. 20.- (geschätzt)
Fernsteueranlage Simprop Star 8 156 g ?
Leeres Modell Ozzy, Selbstbau 280 g (Rumpf) + 350 g (Flügel) + 31 g (2 Fünfliber zur Balance) - (Selbstbau)
Total 1741 g Fr. 268.-

Flächenbelastung: 41.5 g/dm2 [4]
Leistungsgewicht: 50.0 W/kg
Preis bei einer geschätzten kumulierter Teuerung von 67% [5]: 308.- (ohne Fernsteuerung und Modell)

Optimale Lösung

Typ, Bezeichnung Masse Preis (www.graupner.de)
Akku 11.1V/4.3Ah LiPo (Graupner LiPo 3/4300) 340 g € 209.-
Motor Graupner Compact 390 9.6V 168 g € 130.-
Luftschraube Graupner Cam Folding Prop 13x7" 62 g € 31.-
Regler Graupner Compact Control 50 50 g € 119.-
Empfänger-Akku BEC 0 g Fr. 0.-
Fernsteueranlage Simprop Star 8 156 g ?
Leeres Modell Ozzy, Selbstbau 350 g (Rumpf) + 350 g (Flügel) - (Selbstbau)
Total 1476 g Fr. 733.-

Flächenbelastung: 35.2 g/dm2 [4]
Leistungsgewicht: 134 W/kg

Gewählte Lösung

Aus Kostengründen habe ich mich aber gegen die optimale Lösung entschieden. Lithium-Ionen-Akkus sind noch immer sehr teuer, zudem wird auch ein neues Ladegerät und ein "Balancer" notwendig. Auch die bürstenlosen Motoren kosten ungefähr den fünffachen Preis. Und der Flugregler ist auch eine ganze Stange teurer.

Typ, Bezeichnung Masse Preis
Akku Graupner #2490.10: GM Power Pack 12V/3.6Ah NiMH (Zuba-Tech) 730 g Fr. 70.-
Motor Graupner SPEED 700 9.6V Turbo (E-Bay) 382 g € 16.- (plus Versand)
Luftschraube Graupner Cam Folding Prop 11x6" (Kel) 58 g Fr. 12.- (nur Blätter)
Regler Conrad Sky-65F (E-Bay) 49 g € 23.- (plus Versand)
Empfänger-Akku BEC 0 g Fr. 0.-
Fernsteueranlage Simprop Star 8 156 g ?
Leeres Modell Ozzy, Selbstbau 350 g (Rumpf) + 350 g (Flügel) - (Selbstbau)
Total 2075 g Fr. 141.-

Flächenbelastung: 49.5 g/dm2 [4]
Leistungsgewicht: 80.5 W/kg

Diagramm

Die Simulationen wurden alle mit dem Shareware-Programm Elektroantrieb 2.18 [2] durchgeführt.

Simulationsergebnisse

Abb. 14: Simulationsergebnisse

Die Simulationsergebnisse (Details) sprechen eine deutliche Sprache: Mit dem neuen Antrieb steigt die Wellenleistung um 58%, der Standzug gar um 71%. Trotzdem ist senkrechtes Steigen damit nicht möglich. Aber neben dem zügigen Fliegen lässt sich doch auch die Gipfelhöhe um 96% anheben!
Der Hauptgrund für die immer noch nicht ganz befriedigenden Leistungen ist der katastrophal schlechte Wirkungsgrad des Motors. Dieser wird mit deutlich zu wenig Drehzahl aber viel zu viel Drehmoment belastet. Dadurch steigt die Stromaufnahme mit allen Nachteilen wie Kohlenverlusten, Kupferverlusten und Sättigung des Eisenkernes. Die gleiche mechanische Leistung liesse sich mit höherer Drehzahl aber niedrigerem Drehmoment auch erreichen, womit automatisch der Motorwirkungsgrad steigen würde. Allerdings nimmt dadurch der Standzug ab und auch der Propellerwirkungsgrad wäre niedriger. Deshalb bleibe ich bei der gewählten Lösung.
Hinweis: Die Modellmasse nicht identisch mit den in der Tabelle eingetragenen Werten, weil der exakte Akkutyp und die Luftschraube in der Datenbank des Simulationsprogrammes nicht vorhanden war. Man müsste die Differenzmasse auf das Modellleergewicht dazuschlagen, was ich aber nicht mehr ausprobiert habe.

Verbesserungspotential

Die weiteren Verbesserungsmöglichkeiten sind wie erwähnt ausgesprochen teuer:

  • Akku: 730 g -> 270 g bei gleichem Innenwiderstand und gleicher Kapazität (ca. Fr. 250.-)
  • Motor: 47% -> 78% bei gleicher elektr. Leistungsaufnahme (zudem Gewichtsersparnis) (ca. Fr. 200.- [Motor] plus 180.- [Regler])

Referenzen

[1] Zitat Prof. Abhari, Aerospace Propulsion, 2006
[2] Wolfgang Geck: Elektroantrieb 2.18, www.geck-elektroantrieb.de
[3] Bezugsquellen: [4] Fläche: 41.95 dm2
[5] kumulierte Teuerung geschätzt: 1.042006-1993 = 1.67, also 67 % Teuerung seit 1993





Autor: info@lugra.ch
Datum: 26. Mai 2006