Lehrer David Spießer berichtet über seine Arbeit im Rahmen des P-Seminar Flugmodellbau der Schüler/innen des Luitpold-Gymnasiums München, die mit dem Projekt eines selbstversorgenden Solarflugzeuges, bei „Jugend forscht“ teilnehmen wollen.

Die Schüler/innen des Luitpold-Gymnasiums in Zeiten der Pandemie

Im Natur- und Technik Unterricht der sechsten Klasse findet sich das Thema Grundlagen der Aerodynamik im Lehrplan. Die Begeisterung der Schülerinnen und Schüler für das Basteln an Papier- und Styroporgleitern habe ich zum Anlass genommen dies außerhalb des Unterrichts etwas zu vertiefen. So wurden (vor Corona) kleine, jahrgangsübergreifende Flugwettbewerbe durchgeführt. Zudem sind wir bereits seit zwei Jahren glückliche Teilnehmer am Jugendförderprojekt der FMT.

Wertvolle Spenden

Die im Rahmen des FMT-Jugendförderprogramms gespendeten Flugzeuge der Firmen Multiplex und Hacker sind seit Anfang an immer in jedem Schullandheim dabei – wie stets auch ein Flugsimulator. Seit vier Jahren gibt es an unserer Schule zudem das P-Seminar Flugmodellbau. Hier arbeiten Schüler der Oberstufe an unterschiedlichen Flugmodellen. Durch weitere Spenden vom Förderverein der Schule sowie Jugend forscht, konnte zu unserer Freude ein 3D-Drucker und eine CNC-Fräse angeschafft werden.

Ein besonderes Projekt

Das P-Seminar Flugmodelle hat sich 2019/2020 eine außergewöhnliche Aufgabe vorgenommen: Die eigene Entwicklung und Herstellung eines Seglers, dessen gesamter Stromverbrauch im Flug durch Solarmodule erzeugt werden soll. Doch zunächst galt es, die wichtigsten Basiskenntnisse zu sammeln – sowohl theoretisch als auch praktisch.

Erste Erfahrungen

Nach dem Bau von kleinen Styropor-Freifliegern haben wir uns an den Bau der ersten Balsamodelle gemacht. Die Firma aero-naut hat uns diese im Rahmen der FMT-Jugendförderung zu einem guten Preis zukommen lassen. Um erste Flugerfahrungen zu machen, wartet zum Glück immer der englische Garten nebenan auf uns. Nach und nach folgte eine ganze Reihe an Modellen, die die Schülerinnen gemeinsam in Kleingruppen erarbeiteten – von der Mikro-Piper über Saalflieger bis hin zu Slowflyern und Depron-Modellen.

An dieser Stelle geht ein großer Dank nochmal an die Firma Himmlischer Höllein, die uns im Rahmen des FMT-Jugendförderprogrammes zu sehr guten Konditionen Servos, Motoren und vieles andere zur Verfügung gestellt hat. Da die Schüler die Unkosten größtenteils selbst tragen müssen, war dies eine enorme Erleichterung.
Das erste Balsa-RC-Modell, das wir dann schließlich bauten, war der Lilienthal von aero-naut. Bekannt für seine absolut reibungslos verlaufenden Flüge war dies das perfekte Modell, um ein wenig RC-Fliegen zu üben. Auch das Bauen selbst verlief recht problemlos.

Das erste Balsa-RC-Modell, das wir dann schließlich bauten, war der Lilienthal von aero-naut. Bekannt für seine absolut reibungslos verlaufenden Flüge war dies das perfekte Modell, um ein wenig RC-Fliegen zu üben. Auch das Bauen selbst verlief recht problemlos.

Das Projekt beginnt

Nachdem alle ein wenig Erfahrung gesammelt hatten, ging es auf die Suche nach einem passenden Modell für das Projekt Solarflugzeug. Als Erstes in Frage kam der Inside vom Himmlischen Höllein. Die fantastischen Bausätze von Höllein eignen sich bestens für den Eigenbau. Leider fiel beim Bau aber bereits auf, dass das Gewicht der Solarplatten von Lemo-Solar auf der Tragfläche zu einer solch starken Schwerpunkt-Verschiebung führen würden, dass sie nicht ausgeglichen werden können. Die Verlängerung der Rumpfnase und der Bau des Modells wurde uns dann durch Corona verwehrt. Somit blieb uns nichts anderes übrig als einen einfachen Übungs-Segler aus Depron zu bauen, der genau den Anforderungen unseres späteren Solarseglers entsprach.

Erste Entscheidungen

Nach viel Rechnerei fiel zunächst auf – wie bereits oben beschrieben –, dass mit dem Gesamtgewicht der geplanten Solarplatten von 1,5 kg und einer Spannweite von 3 Metern die Flächenbelastung sehr groß werden würde. Zudem wäre die zu erwartende Leistung bei 12 V wohl deutlich unter 40 Watt. Schnell war klar, dass die Solarzellen leider nicht für unsere Zwecke geeignet sind.

Somit entschieden wir uns für die Anschaffung von Solarzellen von solar power (c60), welche circa 4 Watt bei ungefähr 0,6 A pro Zelle liefern. Bei zehn Zellen kann mit Hilfe eines Spannungs-Boosters die benötigte Spannung für einen 2s-Akku erreicht werden – oder mit Hilfe eines TinyMPPT-Reglers der verwendete Motor bestromt werden. Da diese Zellen außerdem sehr flexibel sind, können sie auch auf aerodynamisch effizienteren gerundeten Tragflächen angebracht werden. Dies würde auch einen Rippenbau der Tragflächen ermöglichen. Des Weiteren wiegen die Platten einzeln hervorragende 7 g.

Rechnen, Rechnen & nochmal Rechnen

Da eine optimale Flügelstreckung, mit je zehn Platten in zwei Reihen pro Flügel, zu einer Spannweite von 2,6 m führen würde, legten wir die Plattenanzahl auf fünf Platten pro Seite fest. Damit konnte die Mindestspannweite von 160 cm erreicht werden – was realistisch zu bauen war. Nach der Berechnung der restlichen Bau-Daten, wie beispielsweise der Höhenleitwerksfläche, der V-Form und des Leitwerkshebelarmes, blieb nur noch die Frage nach dem passenden Profil zu beantworten.

Das Profil für das Leitwerk war schnell auf die Klassiker NACA 0009 oder das dünnere NACA 0006 festgelegt. Bei den Flügelprofilen unterschieden wir erst zwischen Langsam- und Schnellflieger. Für den Langsam-Flieger kamen zunächst die Profile E385 und Aquila in Frage. Dabei gewann das E385-Profil, welches im Vergleich zum Aquila eine bessere Gleitzahl aufwies und bei sehr kleinen Re-Zahlen deutlich mehr Stabilität besaß. Für den schnellen Flieger wurden die drei ähnlichen Profile E205, S3021 und AG40 in Betracht gezogen, wobei das Profil S3021 mit seiner Stabilität bei hohen Re-Zahlen am Ende punkten konnte.

Die Bauphase

Und so starteten wir mit dem Bauen des Solarflugzeugs. Der Rumpf wurde aus Depron zusammengesetzt. Als Bauhilfe diente hierbei der Plan des SimpleSoarer von Flighttest. Denn dieser hat fast genau die Abmessungen, die von uns berechnet wurden. Lediglich der Rumpf musste nach vorne verlängert werden sowie die Ohren an den Tragflächen – um die Tragflächenbelastung zu verringern und das Erreichen des Schwerpunkts zu ermöglichen.

Für das Seiten- und Höhenleitwerk kam zum ersten Mal die neue CNC-Fräse zum Einsatz. Die Baupläne wurden digitalisiert, in DXF-Dateien umgewandelt und schließlich gefräst. Der Vorteil war hierbei, dass gleich mehrere Leitwerke produziert werden konnten und diese zudem genauer geschnitten waren. Bei Baufehlern würde so also gleich Ersatz zur Verfügung stehen. Die verwendeten Programme waren hierbei Inkscape zum Vektorisieren, Autodesk-Inventor für die Programmierung und Win-PC-NC für die Fräse.

Dann ging es weiter mit dem Bau der Tragfläche. Der Plan sah einen Depron-Holm in einem Hohlkörper-Flügel vor. Um mehr Stabilität für das zusätzliche Gewicht zu erhalten, sollte die Flächenaufnahme aus Balsaholz gebaut sowie der Holm zusätzlich mit einem Kieferholm verstärkt werden. Hierzu wurde das erstellte Profil als Rippe ausgegeben, vektorisiert und mit der Fräse gefräst. Diese sollte dann beplankt und mit dem Depronflügel verbunden werden.

Der Prototyp ohne die Flächenaufnahme aus Balsa wurde fertig gebaut und im englischen Garten auf seine Flugfähigkeit überprüft. Die Testflüge verliefen einigermaßen gut. Leider war der Segler trotz der Depron-Leichtbauweise recht hecklastig.

Die Solaranlage

Nun ging es weiter mit dem Einbau der Solaranlage. Die Solarzellen wurden verlötet und danach die von ihnen produzierte Leistung gemessen. Leider hat wohl ein Lötfehler dazu geführt, dass nur eine Seite auf der Tragfläche die volle Leistung erzielen konnte.

Wie geht es weiter?

Die weitere Planung war dann wie folgt: Bei der Firma Slowflyworld wurde ein tinymppt-Regler bestellt. Dieser Regler ist sehr leicht (unter 2 Gramm) und garantiert die bestmöglichen Motorleistungen bei der maximal erreichten Einstrahlung. Alternativ wurde gleichzeitig überlegt, einen Spannungs-Booster einzubauen, der die Ausgangsspannung von circa 5 Volt, auf die von der Batterie benötigte, 7,2 Volt erhöht. Dies würde es ermöglichen im Flug nach Abschalten des Motors die Batterie zu laden. Leider haben wir die erhoffte Spannung nicht im Ansatz erreicht – wahrscheinlich aufgrund der fehlerhaften Lötstellen.
Am 25. Februar sind wir dann mit dem Segler beim Wettbewerb „Jugend forscht“ angetreten. Da das Projekt aber noch nicht fertig gestellt war, wurden wir bei der Preisvergabe nicht berücksichtigt.

Jetzt aufgeben? Auf keinen Fall! Wir haben nach dem Wettbewerb einen neuen Satz Solarzellen bestellt, dieses Mal mit Dogbones (Lötverbindern). Zudem werden wir ab sofort nach dem Löten jede Zelle einzeln durchmessen – so hoffen wir die volle mögliche Leistung zu erreichen, um beim nächsten Jugend-forscht-Wettbewerb mit einem fertigen und funktionierenden Solarsegler antreten zu können. Es bleibt also spannend, wir werden von den weiteren Entwicklungen berichten!

Autor: David Spießer

Beitrag aus FMT 05/2021