"Die alte Hirschkuh wird wiedergeboren"- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der NVA

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren"- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Habt ihr schon für eine Lackierung entschieden? Ich würde die hier empfehlen [ATTACH]195067[/ATTACH]

warst wohl auch auf der ILA?!

Nene, wir wollen doch die NVA Maschine nachbauen, da gibt es keine Diskussionen bezgl. Lackierung

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren"- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

... übrigens war an unserer NVA Originalmaschine in Gatow kein Höhenleitwerk bzw. Stabilisatorflosse montiert, so dass wir die genauen Vermessungen dieses Teils über einen Besuch beim Flugplatzmuseum Cottbus an einer anderen Maschine bewerkstelligen mussten.

Dort übergab man uns auch freundlicherweise ein NVA Handbuch, welches die Mi24 Zellenbeschreibung enthält.
hier mal eine technische Zeichnung von damals aus dem Handbuch:

Aus diesem Handbuch zitiere ich mal einige interessante Auszüge zum Thema Stabilisator bzw. Stabilisatorflosse:
"Der Stabilisator hat die Aufgabe, dem Hubschrauber die erforderliche Längsstabilität im Horizontalflug zu verleihen und den ßbergang in den Autorotationsflug zu erleichtern.
Der Stabilisator, der mit der Höhensteuerung synchron verstellt wird, kann einen Einstellwinkel von -12°30' bis 7°40' einnehmen.
Die zwei Flossenteile sind über einen Rohrholm starr verbunden, der drehbar gelagert ist...
... Am Nasenteil der Rippe sind regulierbare Ausgleichsgewichte befestigt, die es dem ITP ermöglichen, den Schwerpunkt in den Druckpunkt der Stabilisierungsflosse zu verlagern, um Flattererscheinungen zu beseitigen..."

Interessant ist also, dass die Stabi-Flosse zusammen mit der Höhensteuerung (also Collective Pitch) angesteuert wird. Wir sind lange davon ausgegangen, dass wir sie später an Nick mischen müssten.
Im Thread Hersteller der Mi-24 aus der Rotor - RC-Heli Community findet sich beispielsweise folgende Aussage:

...und das höhenleitwerk wird über ein servo angesteuert und ist mit nick gekoppelt wie beim orginal...

Laut Handbuch ist es aber tatsächlich Pitch.

Ich zitiere nochmal aus dem Handbuch zum Thema Höhensteuerung:
"Eine Vergrösserung des Gesamtschrittes (Anmerkung: Collective) der Tragschraube über die Höhensteuerung führt durch die kinematische Verbindung mit der Stabilisatorsteuerung zur Vergrösserung des Einstellwinkels am Stabilisator.

und hier eine sehr "anschauliche" Grafik zum Thema Momentengleichgewicht um die Z-Achse (Nickachse) bei der Mi24 (aus Start - Die Ausbildung zum Hubschrauberführer der NVA. Ich hab's erlebt.). Die Stabi-Flosse geht hier auch mit einem Moment von F A,Stab * Hebelarm ein.
Es erscheint dann doch logisch, dass bei zunehmendem Pitch - und damit grösserer Kraft F Ts - eine Zunahme des Ausgleichsmoments durch F A,Stab erfolgen muss (man müsste natürlich die Einzelkomponenten der Kraftvektoren mit ihren jeweiligen Hebelarmen betrachten, dazu habe ich aber im Moment keine Lust )

Nachdem wir dann die genauen Masse der Stabi-Flosse ermittelt hatten, konnte diesmal eine direkte Konstruktion des noch fehlenden Teils in SolidWorks erfolgen:

Und zur allgemeinen Motivation hat Jörg das Teil dann damals auch direkt mal zur Fräse geschickt, um ein unscheinbares Stückchen Ureol zu veredeln...
Es war doch ein erhebender Moment, endlich nach all der Vorbereitung das erste greifbare Teil vor sich zu haben

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren"- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

parallel zum Voranschreiten bei der Fertigung des Urmodells, haben wir uns dann Anfang letzten Jahres intensiv mit der Auswahl einer geeigneten Turbinenmechanik beschäftigt.

Unsere Randparameter waren ja damals schon einigermassen klar:

• 2500 mm 5 Blatt Hauptrotor
• ca. 850 U/min am Kopf
• 546 mm 3 Blatt Heckrotor
• ßbersetzung Kopf zu Heck Annahme 1:4,3, also 3655 U/min am Heck
• <= 25 kg Abflugmasse nass (bei vollem Scale Ausbau werden wir sicher eines Tages an dieser Grenze kratzen, somit haben wir die Auslegung auf diese Grenze bezogen)
• 4,5 Grad Vorneigung der Hauptrotorwelle und damit der gesamten Mechanik (Auswirkung auf Heckabtrieb beachten)
• Mechanik sollte vor allem in Längsrichtung möglichst kompakt bauen, um einen vollen Cockpitausbau zu ermöglichen, der ansonsten über eine zu weit nach vorne hineinragende Abgasanlage verhindert wäre.

Zunächst einmal haben wir uns ein wenig mit der Theorie beschäftigt, um ein Gefühl für die erforderliche Antriebsleistung und die auftretenden Kräfte und Momente bei den entsprechenden Massen- und Rotorkreisverhältnissen zu bekommen.

Da ich damals beim Ingenieurstudium im Fach Flugmechanik vertieft hatte, war eine Einarbeitung in die speziellen Gegebenheiten bei Hubschraubern noch relativ gut möglich.
Mir hat das Buch von Walter Bittner "Flugmechanik der Hubschrauber" - vor allem Kapitel 4 "Grundzüge der Leistungsrechung" und Auszüge aus diesem Baubericht sehr gut weitergeholfen, um einige erste grobe Auslegungen zu rechnen.

Zunächst wollte ich mal ein Gefühl für den notwendigen Schwebepitchwinkel, sowie erforderliche Schwebeleistung am Hauptrotor bekommen. Daraus abgeleitet könnte man dann später auch noch die erforderliche Schubkraft am Heckrotor für den Drehmomentausgleich ermitteln...

Die Winkelgeschwindigkeit am Hauptrotor beträgt:

Die erforderliche Rotorschubkraft bei 25kg Masse und ideal angenommenen Einbauwirkungsgrad (was alleine schon aufgrund der 4,5 Grad Vorneigung eigentlich zu optimistisch angenommen ist):

Die Fläche eines einzelnen Rotorblattes beträgt (Dimensionen geschätzt bzw. aus vergleichbaren Blättern abgeleitet):

Die schuberzeugende Wirkfläche am Rotor beträgt:

Aus der Schubkraft und der Wirkfläche lässt sich dann die induzierte Geschwindigkeit der Luftsäule, die durch den Rotor gezogen wird, berechnen (Luftdichte bei 15 Grad Celsius):

Die induzierte Leistung ergibt sich dann einfach aus Schubkraft mal der induzierten Geschwindigkeit:

d.h. unter idealisierten Bedingungen ohne Reibungsverluste in der Mechanik und am Blatt und ohne Heckrotor würde man ca. 1,1 kW für das Schweben benötigen...

Das induzierte Drehmoment (welches ja durch den Heckrotor ausgeglichen werden muss) ergibt sich dann aus:

dieses Drehmoment ist allerdings noch zu niedrig, weil es noch nicht die Blattwiderstände (cw Wert des Blattes) berücksichtigt. Für die damaligen ersten Berechnungen habe ich den Wert einfach mal auf 15Nm aufgerundet. Realistischere Werte ergaben sich dann erst später bei genauerer Analyse des Hauptrotors...

Der für das Schweben erforderliche Einstellwinkel Theta - den wir sonst einfach nur "Pitchwinkel" nennen - ergibt sich als Summe aus dem Einströmwinkel und dem effektiven Anstellwinkel

Dieser Wert für Schwebepitch erschien mir erst einmal plausibel...
Im nächsten Post dann die Auslegung des Heckrotors basierend auf dem ermittelten Drehmoment des Hauptrotors.

Hier angehängt noch die Original-Kritzelleien bei Rotwein...

[dilledopp]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

@thebonny, sorry, aber ich kann Dir da nicht mehr folgen, alles zu wissenschaftlich für mich.

Ich baue auch Scaler die fliegen, Mathematik war aber noch nie mein Ding.

Schreib uns doch einfach welchen Antrieb Du verwendest und lass die Wissenschaft mal außen vor.

Ich denke mal, das die meisten Mitleser mit den Formeln hier nix anfangen können.

[gde2011]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Wobei, das zu lesen hat schon was. Bloß weiß ich nix mehr aus meiner Schulzeit

[steveman]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Ich find es toll. Meine Schulzeit ist beruflich bedingt "lebenslänglich"!
MfG Stefan

[Michael62]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Rechnen hat was für sich, lass dich nicht irritieren.

Hinterher nachbasteln ist aufwendiger.

[Denny86]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Ich lese hier sehr gerne mit und ich finde es eine Klasse für sich, was er sich für ein Aufwand macht. Da mich selbst Mathematik stets verfolgt, finde ich die oben genannten Formeln sehr hilfreich und danke dafür. In Zukunft bitte nicht darauf verzichten

Viele Grüße,
Denny

[gde2011]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Ich find es toll. Meine Schulzeit ist beruflich bedingt "lebenslänglich"!
MfG Stefan

Armer Kerl!

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

@thebonny, sorry, aber ich kann Dir da nicht mehr folgen, alles zu wissenschaftlich für mich.

Ich baue auch Scaler die fliegen, Mathematik war aber noch nie mein Ding.

Schreib uns doch einfach welchen Antrieb Du verwendest und lass die Wissenschaft mal außen vor.

Ich denke mal, das die meisten Mitleser mit den Formeln hier nix anfangen können.

Hallo Dilledopp,

ein Gerät, welches in der Endausbaustufe mit Material und Arbeitsstundeneinsatz ganz locker die 50K Euro Grenze sprengen dürfte, bei dem am Ende ausser der inneren, nicht sichtbaren Mechanik+Turbine kein Teil "von der Stange", sondern komplett auf der grünen Wiese neu konstruiert wurde, und welches auf grossen Flugshows mit einer beträchtlichen Anzahl von Zuschauern geflogen werden dürfte... da rechne ich lieber zweimal nach

Und ich bin der Meinung, dass interessierte Forummitglieder die Chance erhalten sollten, alle ßberlegungen und Entscheidungen nachzuvollziehen und auch darüber mitzudiskutieren, schliesslich sind wir als Erbauerteam nicht unfehlbar und benötigen die konstruktive Kritik von Euch Experten. Im übrigen ist das unser erster Scale-Heli, d.h. Du kannst da im Gegensatz zu uns sicher auf einen reichhaltigeren Erfahrungsschatz bei der Auslegung "aus dem Bauch" zurückgreifen...

Aber bald kommt dann auch wieder leichtere Kost mit schönen Bildchen, also nur noch ein bisschen graue Theorie durchhalten!

lg
Thomas

[beetlejuice]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Ich finde allein schon die aus den Berechnungen resultierenden Ergebnisse interessant! Und wer die Formel nicht versteht oder nicht lesen will, kann sie ja einfach überspringen.

Das eine oder andere kann ich vllt. sogar bei meinem Apache berücksichtigen (hat ja ähnliche Größe und Gewicht.)

Also von mir aus gerne weiter so, Thomas! Ich bin gespannt am Mitlesen!

Günte

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

...mit dem errechneten und wegen Blattwiderstandes aufgerundeten Drehmoments vom Hauptrotor konnten wir jetzt in die Auslegung des Heckrotors einsteigen. Hier interessierte uns insbesondere die für ein ruhiges Schweben ohne Gierbewegung vorzusehende Vorspur beim Heckpitch, so dass wir sie bei der Konstruktion des Heckrotors schon in der gesamten Anlenkungsgeometrie (Mitte, Wege, Hebelverhältnisse etc.) berücksichtigen konnten.

Man liesst ja häufig (zumindest im Trainer Heli Bereich) von einer sinnvollen Vorspur von 3-5° Einstellwinkel gegen das Drehmoment des Hauptrotors. Wir waren gespannt, ob wir auch rein rechnerisch für einen so "grossen Vogel" auf ähnliche Werte kamen.

Zunächst also mal die erforderliche Schubkraft am Heck gegen das Drehmoment des Hauptrotors beim Schweben, d(Heck-Rotorachse) ist der Hebelarm gemessen zwischen Rotorachse und Heckrotorwelle und beträgt bei unserer Mi ziemlich genau 1,6m:

dieses knappe Kilogramm Schub muss beim Heckrotor aber durch eine wesentlich kleinere wirksame Rotorfläche (der innere Kreis des Zentralstücks und der Blatthalter wird von der gesamten Rotorkreisfläche abgezogen, da dieser keinen Schub erzeugen kann) als beim Hauptrotor erzeugt werden...

...d.h. es besteht ein Flächenverhältnis von 4,838m2 (Hauptrotor) zu 0,233m2 (Heckrotor), eine also fast 21 mal grössere wirksame Fläche am Hauptrotor...

Setzt man nun die zu erzeugende Schubkraft und die wirksame Fläche des Heckrotors in die Gleichung für die notwendige induzierte Geschwindigkeit ein...

... so ergibt sich eine ähnlich hohe induzierte Geschwindigkeit der durchzuziehenden Luftsäule von über 4 m/s wie beim Hauptrotor, obwohl ja nur eine 26 mal geringere Schubkraft (9,375N Heckrotor zu 245,25N Hauptrotor) zu erzeugen ist.

Aufgrund der angenommenen Heckübersetzung von 1:4,3 ergibt sich für den Heckrotor eine Drehzahl von 3655 U/min und entsprechend eine Winkelgeschwindigkeit von...

Mit der Winkelgeschwindigkeit, der induzierten Geschwindigkeit und den geometrischen Verhältnissen am Heckrotor kann dann analog zum Hauptrotor der Einströmwinkel sowie der effektive Anstellwinkel ermittelt werden. In der zweiten Gleichung wird dann auch die Blattanzahl beim Heckrotor (3) berücksichtigt...

Schliesslich ergibt sich der gesuchte Vorspurwinkel als Summe von Einström- und effektivem Anstellwinkel

Dieser Wert liegt also ziemlich perfekt im erwarteten Bereich von 3-5°, so dass die Aussage demnach auch für "grössere Vögel" zu gelten scheint

Bezgl. der benötigten Leistung täuscht folgende Gleichung beim Heckrotor noch mehr als beim Hauptrotor über die tatsächlichen Verhältnisse...

Aufgrund der hohen Drehzahlen am Heck spielen Reibung in der Mechanik und die Blattwiderstände eine noch grössere Rolle, so dass die 38W für die Erzeugung von knapp 1 Kilogramm Schub viel zu gering bemessen sind.
Spätere Strömungsanalysen an unserem Heckrotor (sog. CFD, siehe auch Numerische Strömungsmechanik - Wikipedia) haben uns dann ein klareres Bild verschafft. Dazu dann in Zukunft noch mehr...

Und schliesslich wollen wir ja auch nicht nur ruhig und ohne Gieren schweben, sondern den Vogel auch mal drehen im schnellen Steigflug (d.h. bei höheren HR-Pitchwerten und entsprechenden Momenten), evtl. sogar mal bei stärkerem Seitenwind

Erfahrene Scaler meinten, es könnten Spitzenlasten von bis zu 1,5 - 2kW am Heck auftreten, was meint Ihr? Wie habt Ihr das gemessen, ermittelt, beobachtet??

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Neben den Berechnungen für das Schweben unserer Mi (Schwebeleistungsbedarf, Schwebepitch + Heckrotor-Vorspurwinkel) interessierten uns aber auch die Extremszenarien, d.h. wieviel Leistung wird z.B. für schnellen Steigflug mit zusätzlich hohem Heckanteil (also ca. 15 Grad effektiver Anstellwinkel am Heck) oder starkes Abfangen benötigt.

Insgesamt kamen wir bei den Berechnungen aber nie über 5kW Gesamtleistungsbedarf hinaus, selbst wenn man schlechtere Wirkungsgrade beim realen Rotor wegen Profilwiderstandes, ungleichförmigem Durchfluss, Restdrall im Luftstrom sowie Blattspitzenverluste berücksichtigte.

Diese Grenzmarke zeigte sich auch in Telefonaten mit dem Turbinenhersteller JetCat sowie auch Erfahrungsberichte von Josef Alterbaum (Fa. Premium Helicopters).

Beide Ansprechpartner bewegten und testeten Modelle nahe der 25 kg Grenze mit 2,5m - 2,7m Rotordurchmesser und erreichten Maximallasten von <= 5kW, so dass wir uns letztlich auf eine geforderte Minimalwellenleistung von 5kW als Auswahlkriterium für unser Triebwerk geeinigt haben.

Eine weitere spannende Frage drehte sich um das Thema Ein- vs. Zweiwellenturbine. Die Turbinenexperten unter Euch kennen ja sicher die Vorteile der Zweiwellentechnologie, die sich aus der Trennung und Entkopplung der beiden Wellen ergeben:

• flexiblere Regelung einer konstanten Rotordrehzahl bei anpassungsfähiger Turbinendrehzahl
• günstigerer Drehmomentverlauf (schon bei geringen Drehzahlen an der Abtriebswelle steht hohes Drehmoment zur Verfügung, ähnlich wie bei Elektroantrieben)
• man benötigt keine Fliehkraftkupplung, der Abgasstrahl aus der 1. Turbine im Verbund mit der 2. Turbine an der Ausgangswelle zum Hauptrotorgetriebe bildet eine Art "Gas-Kupplung"
• Enkopplung des Kerntriebwerks vom Rest des Systems
• Weniger Restschub, da dem Abgasstrahl aus der 1. Stufe innerhalb der 2. Stufe sehr viel kinetische Energie entzogen wird, beim Hubschrauber möchte man ja möglichst wenig Restschub...
• Deutliche Reduzierung der Wellendrehzahl in der 2. Stufe und damit viel leichter auf die notwendige Rotordrehzahl zu untersetzen
• Da die meisten manntragenden Helicoper auch 2-Wellenturbinen verwenden, ist die Verwendung im Modell also technisch gesehen mehr "scale".
• meist effizienter und daher auch geringerer Kerosinverbrauch

Demgegenüber stehen aber auch einige Nachteile

• Die Kühlung der 2. Stufe (vor allem deren Lagerung) ist immer schwierig, da sie mitten im heissen Abgasstrahl der 1. Stufe liegt.
• Komplexer im technischen Aufbau und daher meist mit höheren Kosten verbunden
• Häufig ungünstigere Einbaumasse (vor allem in Längsrichtung), es ist klar, dass die beiden Wellenstufen ihren Platz benötigen...

Für Interessierte Foristen hier noch weitere Erläuterungen zu diesem Thema: Technik Turbinenantrieb

In die engere Auswahl für unseren Hubschrauber kamen damals dann folgende Turbinenmechaniken:

• JetCat SPT5-HMS (Kurzversion) bzw. SPT5-HML (Langversion), jeweils mit Zweiwellenturbine
  
  
• Pahl Taurus Zweiwellenturbine
  
• Turbinenmechanik SRM-T "Python" (ursprünglich CAD+Modelltechnik Jung, jetzt im Vertrieb durch Fa. Alterbaum Premium Helicopters) mit JetCat SPT5-H Zweiwellenturbine
  
  
• Modifizierte Python Mechanik mit Jakadofsky PRO 5000 Einwellenturbine
  

Der nächste Schritt war die Kontaktaufnahme und einige Telefonate bzw. auch Besuche bei den Herstellern. Dabei wurden uns meistens auch PDF Dokumente mit technischen Zeichnungen zur Verfügung gestellt, die wir dann ins SolidWorks mal mehr, mal weniger gut importieren konnten bzw. die Mechaniken "nachzeichnen" mussten, um sie in unseren bereits vollständig modellierten Mi24-Rumpf CAD-mässig einzupassen.

Folgende Renderings aus dem SolidWorks zeigen am Beispiel der JetCat SPT5-HML Mechanik unser(e) Hauptproblem(e) bei Verwendung der 2-Wellenturbinen...

da ragt zum einen der Turbinenanlasser schon fast ins Cockpit rein, d.h. die axiale Baulänge der Mechanik ist für einen scale-mässigen Ausbau des Cockpits nicht akzeptabel...

...das größte Problem ist aber noch die Lage der Abgasaustritte aus der Turbine. Diese sind zu tief gegenüber den Auslässen am Modell und zu nahe an der Rumpfaussenhaut, welches uns die Realisierung eines scale-mässigen Turbinenauslasses nicht ermöglichte. Darauf werde ich dann im nächsten Post noch eingehen...

[pitchhitter]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Tolles Projekt!

Will sich noch keiner an einen Twin Turbinenantrieb wagen?

[thebonny]

AW: &quotie alte Hirschkuh wird wiedergeboren&quot;- Baubericht einer 2,5 Meter Mil Mi 24 der

Tolles Projekt!

Will sich noch keiner an einen Twin Turbinenantrieb wagen?

Wow! Keine schlechte Idee, aber wie das mit 2 Einwellenturbinen laufen soll!? Kupplung über Kupplung