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Bertram Radelow

SP-Schnüffler

Bertram Radelow

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Beitrag 22713 , aktive Fluglageregelung - Grundlagen [Alter Beitrag01. Dezember 2002 um 12:51]

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hi,

ich habe mir von einem Modellbaukollegen einen Kreisel für Evaluationszwecke ausgeliehen. Hier ein erster Bericht:

Der Ikarus-Minigyro arbeitet auf Piezo-Basis. Er reagiert nur auf Drehungen in einer Achse, nicht auf absolute Lageabweichungen. Das heisst, dass man mit ihm wunderbar Rollbewegungen stoppen kann - er rollt aber die Rakete nicht zurück in Ausgangslage. Deswegen ist er auch nicht geeignet, die Rakete in der Vertikalen zu halten: nach einer Kursabweichung würde er sie tapfer auf dem neuen (falschen) Kurs halten.

Ich werde mich aber schlau machen, ob es nicht Modellbau-Kreisel gibt, evtl. mit echten Kreiseln, die in der Lage wären, die Steuerung zurück in eine Ausgangsposition zu bewerkstelligen.

Der Versuchsaufbau (siehe Foto unten) schien mir aber ganz geeignet für eine aktive Rollachsen-Stabilisierung!

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Bertram Radelow

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Bertram Radelow

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Beitrag 22714 [Alter Beitrag01. Dezember 2002 um 12:58]

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oops, falsches Bild.

Naja, für alle, denen der Regen seit September auf den Keks geht: Das war der Blick von unserem Balkon heute 12:30 ins Dischmatal mit dem Schwarzhorn hinten rechts, meinem ersten 3000er vor bald 30 Jahren.

---

Hier das richtige Bild.
Kugelgelagerter Microservo, Gyro (29x29mm), Servosteller (weil der Gyro ohne Eingangssignal nix tut) und Akku aus der Modellflugszene. Die drei Teile links: 50 Gramm.

============================================

Jetzt die <b>Frage an Luft- und Raumfahrt-Techniker</b>:

Kann mir jemand sagen, welche radiale Kraft eine Steuerflosse erzeugt mit folgenden Parametern:

Grösse 1x1cm, ideal dünn.
Anstellwinkel 1°
Anströmgeschwindigkeit 100m/sec

Welche Werte gehen (weitgehend) linear ein (alle?), und welche quadratisch (vielleicht doch die Anströmgeschwindigkeit?).

Bertram

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Sebastian

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Sebastian

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Beitrag 22728 [Alter Beitrag01. Dezember 2002 um 22:02]

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Hallo Bertram,

Zitat:
Kann mir jemand sagen, welche radiale Kraft eine Steuerflosse erzeugt ...


der Auftrieb berechnet sich vereinfacht wie folgt:
A=c<sub>A</sub>*rho/2*v²*S
mit
c<sub>A</sub> ... Auftriebsbeiwert
rho ... Luftdichte (etwa 1,225 kg/m³)
v ... Anströmgeschwindigkeit
S ... Flügelfläche
sowie
S=b*l
c<sub>A</sub>=dc<sub>A</sub>/dalpha*alpha
dc<sub>A</sub>/dalpha ... Auftriebsanstieg
alpha ... Anstellwinkel
dc<sub>A</sub>/dalpha=pi/2*Lambda für Lambda<2, ansonsten dc<sub>A</sub>/dalpha=2*pi*Lambda/(Lambda+2)
Lambda=b²/S
Lambda ... Flügelstreckung

Für Dein Beispiel also:
A=pi/2*b²*rho/2*v²*alpha,
und mit eingesetzten Werten ergibt sich in etwa eine Kraft von 0,017 N.

In etwa deshalb, da diese Rechnung für einen angestellten ebenen Plattenflügel gilt. Wenn du mit Steuerfläche allerdings einen Flügel mit einem Klappenausschlag meinst, wird die Rechnung komplexer, da der gesamte Flügel miteinbezogen werden muss. Außerdem wird die jeweilige Rollgeschwindigkeit der Rakete selbst schon einen Einfluss auf den Anstellwinkel haben. Und dieser würde dann für eine bestimmte Rollgeschwindigkeit linear über der Spannweite variieren. Das wäre nebenbei bemerkt auch der Fall ohne Steuerflosse.

Solltest Du Deine Steuerflossen ähnlich wie die bei der REDSTONE bauen (als Flosse an der Außenseite des Flügels), reicht die obige Formel für eine Auftriebsabschätzung. Sie gilt für den "langsameren" Unterschall sowie für ein alpha bis ca. 10-15°. Bei höheren Anstellungen kommt es zum Strömungsabriss und damit zum Auftriebseinbruch.

Cheers,
Sebastian
Neil

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Neil

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Beitrag 22729 [Alter Beitrag01. Dezember 2002 um 22:46]

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Hi Bertram,

ich muß sagen, das ich das etwas gemein von dir finde.
Was du da schön auf deinem Bild präsentierst (nicht den Schnee), habe ich schon in einer Rakete umgesetzt. Das Verhalten was du beschreibst, das nur die Drehung gedämpft wird, wollte ich einsetzen um die Eigenrotation meiner Videorakete auf eine Augenfreundliche Geschwindigkeit zu verringern.
Ich habe also so wie du einen Servotester geholt, um genau zu sein den gleichen, und so den billigsten Kreisel den ich gefunden habe.
Das ganze also erstmal nur mit einem Servo gestet. Was du auch mal machen kannst, ist die Empdfindlichkeit zu testen. Dazu habe ich den Kreisel auf dem servokreut befestigt, so das wenn das servo gedreht wird, der Kreisel dann entgegensteurt und er somit im Raum die gleiche Ausrichtung behält. Wird das System zu empfindlich eingestellt, fängt es an zu schwingen.
So einen Kreisel kann man auch nur einsetzen für diese eine speziele Achse der Rakete, weil hier die Sensoren nichts von der Startbeschleunigung mitbekommen.
Was du suchst, gibt es auch schon. Schimpft sich glaube ich Heading lock. die steuern beim Modellhubschrauber den Heckrotor immer wieder in die Asugangsposition zurück. damit wäre bei geringer Startbeschleunigung ein ausbalanzieren der Rakete möglich.

Um auf die Ruderkräfte einzugehen, so wollte ich den Erstflug mit Steuerung mit geringster Empfindlichkeit durchführen. Es dürfte ja auch eigentlich nichts schlimmes passieren, wenn die Rakete doch schnell um ihre eigene Achse dreht.
Die Ruder sind innen an den Flossen angebracht, um den Hebelarm klein zu halten. Der Ruderauschlag wird auch durch Untersetzung klein gehalten.

Gruß

Neil

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Beitrag 22731 [Alter Beitrag01. Dezember 2002 um 22:50]

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> damit wäre bei geringer Startbeschleunigung ein ausbalanzieren der Rakete möglich

Wenn die Geschwindigkeit der Rakete bereits für aerodynamische Korrektur ausreicht? Mein Shuttle tat im Windkanal unterhalb von 8 m/s rein gar nichts, was auch nur annähernd auf Wirkungen von Luftanströmung zurückzuführen gewesen wäre (subjektiver Eindruck).

Oliver
Bertram Radelow

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Beitrag 22743 [Alter Beitrag02. Dezember 2002 um 10:09]

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hi Neil,

das tut mir leid - ich wusste nichts davon. Ich gucke jetzt erst mal Dir interessiert zu. Man muss ja nicht <b>alles</b> doppelt erfinden (Magnetsensoren usw. reicht ja schon wink ).

Bin schon ganz gespannt! Vor allem das mit dem Heading Lock interessiert mich sehr. Vielleicht hilft Dir aber Sebastians Angabe, Grösse der Steuerflächen besser abzuschätzen.

Bertram
Neil

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Neil

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Beitrag 22744 [Alter Beitrag02. Dezember 2002 um 10:20]

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Hi,

nah so ganz ernst habe ich das ja nicht gemeint. Ist aber interessant, das man die gleiche Lösung angestrebt hat.
Die Angaben vom Sebastian werden auf alle Fälle helfen.

@Oliver:
Deine Einwände sind gut. Ich denke wenn man sowas umsetzen will, dann bedarf es einem speziellen Motor. Dieser sollte die Rakete sehr schnell auf die erforderliche Geschiwndigkeit für die Luftruder Beschleunigen. Dann mit de RLeistung so weit heruner gehen, das die Rakete sehr langsam weiter steigt, um etwas fürs Auge zu haben.
Wenn man einen Langbrenner bnimmt, könnte man auch Strahlruder nehmen.

Gruß

Neil

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Bertram Radelow

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Beitrag 22751 [Alter Beitrag02. Dezember 2002 um 14:28]

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@Sebastian
Ich hab's ganz vergessen - Danke für die prompte und gründliche Antwort!

@Neil
Kannst Du mir Deinen Einwand wg. Einfluss der Startbeschleunigung näher erläutern? Zumindest theoretisch sind Drehmoment-Sensoren gegen Linearbeschleunigungen ja völlig unempfindlich. Oder gibt es Erkenntnisse, dass sich die Piezo-Stäbchen dann durchbiegen und falsche Signale liefern?

Strahlruder -hmm. Würde sicher was hermachen. Da die Düsen selbst ja aus Ton, Phenolharz und was weiss ich nicht alles sind, würde es ja vielleicht auch nicht nötig sein, sich von der A4 im Deutschen Museum ein Stück Grafit abzubrechen.
Hat nicht mal einer der Motorentester vielleicht Lust, verschiedene "harte" Plättchen, z.B. GFK, in den Abgasstrahl zu stellen (optimal natürlich noch mit Kraftaufnehmer und 3° Anstellwinkel) und Fotos zu zeigen, wie sie nachher aussehen?

(Hier wird ja noch ziemlich über die Theorie geredet)

Bertram
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Beitrag 22753 [Alter Beitrag02. Dezember 2002 um 15:07]

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Hi,

Piezokristalle haben den Vorteil das nur in der Belastungsrichtung die Kräfte eine Ladungstrennung verursachen. Quer dazu passiert nichts.
Wenn ich jetzt die Längsachse der Rakete damit stabilisiere, greift die Startbeschleunigung quer dazu an, und kann somit vernachläsigt werden.
Was aber passiert wenn wir eine Rakete balanzieren wollen? Dann ist auf einmal die Startbeschleunigung in Wirkrichtung der Sensoren. Das macht eigentlich nichts aus, da meist zwei gekoppelt sind. Bei einer Drehung wird einer gestaucht und der andere Langgezogen. Da aber für solche Drehmomente sehr kleine Kräfte gemessen werden müssen, erreichen wir mit dem Start schnell die Grenzen des Meßbereiches. Das führt dazu das der Sensor Nonsense mißt.
Der Hersteller der Sensoren gibt eine maximale Beschleunigung an, die für einen Modellhubschrauber nie erreicht wird. Mit einer Rakete erreichen wir das aber spielend schnell.
die äußeren einflüsse des Start lassen sich aber durch eine geschickte Konstruktion beheben. so wird meistens bei solchen Sensoren ein Balken genommen der auf zwei Kristalle geklebt wird. Nehmen wir aber ein Rad was gelagert ist, und die Kristalle hindern es nur daran sich zu drehen, könnte man dies doch realisieren.
Habt ihr schon mal an einen Lichtkreisel gedacht? In einem aufgewickelten Lichtleiter wird ein Lcihtstrahl von beiden Seiten hineingestrahlt. Dieser wurde vorher mit einer Frequenz moduliert. Durch die Rotverschiebung bei einer Drehmung, gibt es ein interferenz.

Gruß

Neil

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Beitrag 22754 [Alter Beitrag02. Dezember 2002 um 15:29]

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hi Neil,

arbeiten die kleinen Piezos in den "Kreiseln" wirklich mit Stauchung/Dehnung? Wenn ich mich richtig erinnere, werden sie mit einer Frequenz erregt, die eine Phasenverschiebung bei Drehung erleidet, ähnlich wie Du das für den Lichtkreisel beschreibst - also müssten sie linearbeschleunigungsunabhängig in alle 3 Raumachsen sein.

Die Modellkreisel werden nicht nur in Helis eingesetzt, sondern auch in Modellflugzeugen, speziell in Jets (und Pulsos). Da tauchen ganz andere Beschleunigungskräfte auf. Bei den modernen Seilstartmethoden (F3B oder F3J glaube ich) gehen die Piloten extrem mit ihren CFK-Boliden um: Bis zu 30 g beim Startvorgang!
Wenn Die Piezos auch nur bei 1g Linearbeschleunigung falsche Signale liefern, wären sie vollkommen unbrauchbar.

Da meine Litton-LN3-Kreiselplatform doch ein bisschen zu schwer (und zu schade) für einen D7 ist, gucke ich schon länger nach einem Lichtleiter- oder Prismenkreisel. Die sind leider nicht viel kleiner...

Bertram
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