ENTWICKLUNG

elfin 20.e – hochleistungsfähiges, eigenstartfähiges Segelflugzeug und hybrid Tourer

1. Aerodynamisches Konzept

Die elfin ist der logische nächste Schritt in eine neue Ära der Segelflug- und Freizeitluftfahrt, basierend auf den jüngsten Fortschritten in der Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen. Ausgewählte Konzepte, die dem neuen Design zugrunde liegen, stellen wir Ihnen nachfolgend vor.
Ein modernes Segelflugzeug ist eine komplexe Kombination aus unterschiedlichen Designs und Disziplinen. Elementar ist jedoch das aerodynamische Design, dass ein Hochleistungsflugzeug erst ermöglicht. Das Ziel war es, ein modernes, leistungsstarkes und konkurrenzfähiges Segelflugzeug mit einzigartigen und überlegenen Flugeigenschaften zu entwickeln.
Deshalb wurde die aerodynamische Konzeption der elfin 20.e sehr gewissenhaft und mit modernen CFD-Methoden durchgeführt, um den Luftwiderstand wo immer möglich zu reduzieren.

RS10.e elfin Aerodynamik Segelflugzeug

RS10.e elfin Aerodynamik

Optimierung der aerodynamischen Eigenschaften als moderne CFD Simulation (VS Aero)

Die umfangreiche laminare Strömung über der benetzten Oberfläche ist besonders für die Side-by-Side-Anordnung vorteilhaft. Besonderes Augenmerk lag auf dem Flügel-Rumpf-Übergang, der in der modernen Segelflugzeug-Entwicklung bisher eher vernachlässigt wurde.
In der Nähe des Rumpfes wird die ideale elliptische Auftriebsverteilung von Segelflugzeugen gestört. Der Auftrieb bricht im Rumpfbereich ein, wodurch der induzierte Widerstand steigt. Dieser Effekt ist für Hochdeckerkonfigurationen im Allgemeinen kleiner als für die im Segelflugzeugbau üblichen Mitteldeckerkonfigurationen. Der Motorsegler wurde daher von Anfang an in der Hochdeckerkonfiguration konzipiert.
Zusätzlich wurde der Flügel der elfin im Rumpfbereich verwunden, um den Auftriebseinbruch zu kompensieren und eine nahezu elliptischen Auftriebsverteilung und einem minimierten induzierten Widerstand zu erreichen. Die Strömung an den Flügel-Rumpf-Übergängen ist in der Regel turbulent. Deshalb wurde ein neues turbulentes Wurzelprofil eigens für die elfin 20.e  entwickelt. Es ist optimiert, um die Reibung und den Druckwiderstand im Wurzelbereich zu reduzieren. Das optimale Profil und die optimierte Verwindung wurden iterativ bestimmt, um einen ablösungsfreien Flügelwurzelbereich zu gewährleisten. Ergänzend verhindern Verrundungen zwischen Flügel und Rumpf der elfin den sogenannten Diffusor-Effekt. Ohne entsprechende Verrundungen bildet die Kombination von Flügel und Rumpf eine Düse, die zu einer Druckspitze auf der Unterseite des Flügels unmittelbar hinter dem Staupunkt führt. Dieser Druckspitze folgt ein steiler Druckanstieg, der Ablösungen verursachen kann.

Selbstverständlich verfügt die elfin auch über alle anderen Merkmale eines Hochleistungssegelflugzeugs:

• Um die Leistung der elfin zu maximieren, definieren fünf verschiedene Profile den Flügel. Sie alle sind vom Hauptprofil abgeleitet und für jeden Abschnitt der Spannweite entsprechend der Sehnenlänge und der Reynoldszahl optimiert.
• Die Profile zeichnen sich durch einen ausgewogenen und gleichmäßigen Auftriebsanstieg aus, ohne vorzeitiges Auftriebsplateau oder lokale Auftriebsmaxima, wie sie für andere Segelflugprofile charakteristisch sind (z.B. HQ17, DU89, DU97).
• Die Form des elfin Rumpfes wurde optimiert, um eine laminare Strömung über die größtmögliche Rumpfoberfläche zu gewährleisten und so den Luftwiderstand zu minimieren.
• Der Rumpf ist im Vergleich zum Flügel nach unten geneigt, um optimal in der Anströmung zu liegen.
• Das Rumpfkontraktionsverhältnis ist gut eingestellt, um zum einen die benetzte Fläche zu reduzieren und zum anderen Ablösungen durch zu starke Kontraktion zu vermeiden.
• Die Winglets sind mit Hinsicht auf eine optimale Streckenflugleistung designt.

2. E-System

Das Antriebssystem der Siemens AG Corporate Technology wird intensiv getestet. Dabei wurden bereits wichtige Erfahrungen gesammelt. Insbesondere das Verhalten des Systems unter Last, die Batteriekapazität und die Entladungscharakteristik sowie der statische Schub des Gesamtsystems wurden näher betrachtet. Insgesamt konnten die von Siemens definierten Systemeigenschaften nachvollzogen werden.
Der neue Siemens 70 kW (93 PS) Motor konnte erfolgreich getestet werden. Das Gewicht und die Betriebseigenschaften des Triebwerks konnten bestätigt werden. Der leichte 70 kW (93 PS) Elektromotor (weniger als 30 kg) hat den Vorteil, den Propeller direkt ohne Getriebe zu betreiben.

3. Rumpf

Der Rumpf wird als eine Einheit gebaut. Die Struktur besteht aus einer Prepreg-Sandwich-Schale, die von vier Längsstringern vom Seitenleitwerk bis zur Nase getragen wird.

Zum Ausgleich des Batteriegewichts trägt die Verwendung der Prepreg Technologie wesentlich bei. Konkret handelt es sich um eine Gewichtsreduktion von 25% im Vergleich zu früheren Konstruktionen. Besondere Aufmerksamkeit erhält die Crashsicherheit des Cockpits, eine Aufgabe, die durch die Forderung nach leichterem Ein- und Ausstieg zusätzlich erschwert wird, da die Cockpithöhe 96 cm beträgt. Dieser Wert wurde schließlich nach langer Überlegung festgelegt, um auch die Bedürfnisse älterer Piloten zu berücksichtigen.

Cockpit Design RS10.e elfin

Einzigartiges Side-by-Side unfallgeschütztes Cockpit Design

Beim Abwägen zwischen Leistung und Ergonomie für große (und breite) Piloten und Tandem- oder Side-by-Side-Konfiguration fiel die Wahl auf Letzteres, um Piloten von bis zu 2 m (6 ft 7″) mit einer Breite von 0,6 m (2 ft ) bequemen Komfort zu bieten. Die Konstruktion von leichten und einfach zu bedienenden Sitzeinstellungen für Piloten zwischen 1,6 m (5 ft 3″) und 2 m (6 ft 7″) Größe ist aktuell noch in der Entwicklung. Ergonomische Tests wurden mit unserem Modell durchgeführt, bevor mit dem CAD-Design des Cockpits begonnen wurde (Fig. 2).
Die einteilige Haube ist mit einem Notabwurfmechanismus und integrierten Gasdruckfedern zum einfachen Öffnen ausgestattet. Ein „Röger-Haken“ gewährleistet im Notfall eine saubere Abtrennung der Haube. Öffnen und Schließen lässt sich die Haube von beiden Seiten des Cockpits, der Haubennotabwurf befindet sich zentral im Instrumentenpanel.
Die Antriebsbatterie ist in zwei Einheiten unterteilt. Eine Hälfte befindet sich im hinteren Teil des Rumpfes, um den Schwerpunkt auszugleichen, während die andere Hälfte, die jeweils aus relativ leichten Unterelementen mit einem Gesamtgewicht von etwa 50 kg zusammengesetzt ist, hinter dem Cockpit angeordnet ist. Ein einfacher Zugang ist für beide gegeben. Die vordere Batterie in der Nähe des Flugzeugschwerpunkts kann entfernt werden, um die Verwendung von bis zu 180 kg Wasserballast zu ermöglichen.
Der Elektromotor ist am vorderen Rumpfspant mit Schwingungsdämpfungselementen montiert, um auch minimale Vibrationen und Geräusche von einem bereits sehr laufruhigen Triebwerk zu eliminieren. Direkt dahinter, unter den Abdeckungen der Fußräume, befinden sich der Motorleistungsregler und ein kleiner Kühler mit etwa 5 kW Kühlleistung. Der Kühlein- und auslass wird automatisch betätigt.

4. Fahrwerk

Die Konstruktion eines Fahrwerks gehört nicht zu den beliebtesten Aufgaben eines Luftfahrtingenieurs, kann aber später zum Ärgernis werden, wenn es nicht von vornherein genau durchdacht wird. Das Team von Reiner Stemme hat viele bekannte und auch unkonventionelle Konstruktionen untersucht und ist schließlich stolz auf eine einfache Lösung mit minimaler Größe der Fahrwerksklappen und einer Reihe weiterer Vorteile:
1. Gewichtsreduktion um >25% im Vergleich zu bestehenden Designs.
2. Keine Überlagerung zwischen linker und rechter Seite; unabhängige elektrische Ansteuerung beider Seiten des Hauptfahrwerks.
3. Die Spurbreite von 1,20m (3‘11‘‘) ist für diese Flugzeugklasse hervorragend. Eine deutliche Reduktion des Außenflügelgewichtes auf <30 kg ermöglicht ein leichteres Rollen und mehr Sicherheit bei Start und Landung durch ein reduziertes Trägheitsmoment um die Hoch- und Längsachse. 4. Hauptradgröße ist für weiche Grasfelder geeignet (5‘‘ Penta von Tost). 5. Die hohe Energieabsorption der Elastomerfederung übertrifft die Anforderungen der CS-22 Vorschrift. 6. Notlandungen mit eingefahrenem Fahrwerk werden durch zwei Stringer in der Mitte des Rumpfes unterstützt. 7. Das Spornrad ("Max" -Modell von Tost) ist einziehbar und lenkbar, Außendurchmesser 200mm (7.9"). RS10.e elfin Fahrwerksdesign_1

Innovatives Fahrwerksdesign

5. RangeExtender

Aktuell werden verschiedene Optionen für den Antrieb bewertet, der den Generator antreiben soll (Durchmesser nicht mehr als 380mm, spezifischer Kraftstoffverbrauch unter 0,3 kg / kWh, hohe Drehzahl (> 6000 RPM), Gewicht weniger als 30kg, TBO 1000hrs, etc.). Die Entscheidung wird in Kürze getroffen. Entsprechend den Kundenwünschen wird der Generator für eine Dauerleistung von mindestens 215 km/h (115 KTAS) bei FL100 für 6 Stunden auf den 35-kW-Bereich aufgerüstet.Im Gegensatz zum ursprünglichen Konzept wird der Kraftstoff nicht in den RangeExtender integriert, sondern in einem internen Flügeltank mit einer Kapazität von 100l (im gegenüberliegenden Flügel für eine optimale seitliche Balance installiert).
Es wird möglich sein, das Gewicht des RangeExtenders selbst auf 60 kg zu begrenzen, sodass ein einfaches Bodenhandling von einer Person durchzuführen ist. Mit einer integrierten elektrischen Hebevorrichtung wird es möglich sein, den RangeExtender mit nur einer Person an der Tragfläche zu befestigen oder ihn abzunehmen.

RS10.e elfin RangeExtender

RangeExtender am Flügel montiert