Bisher erfolgte der konstruktive Aufbau nach „Augenmaß“ und mittels Lösungen, die vorher nicht am Computer entworfen oder gar simuliert wurden. Ein Beispiel hierfür sind die langen Ausleger und das Durchbiegen der verwendeten Trinkhalme. Ursache ist das hohe Gewicht der Motoren (K20WD: 2,4 g; K30WA: 3,6 g). Auf der anderen Seite „zwingt“ die hohe äußere Masse die Ausleger in eine Art Ruhelage und es treten im Flugbetrieb nicht die anfänglich erwarteten Vibrationen auf.

In den nächsten Schritten ist weiter an der Verbesserung der Flugeinschaften zu arbeiten. Zu diesem Zweck sind die Düsen zu überarbeiten, konkret die Stabilität zu erhöhen und das Gewicht zu verringern. Des Weiteren kann durch das nach Außen anstellen des Vortriebs eine Art selbsttätige Ausrichtung bei gleicher Umdrehungszahl der Vortreibmotoren erfolgen, wodurch gewisse Lenkkorrekturen des Piloten entfallen.

Handskizze des Vortriebs mit angestellten Propeller

Um die Qualität der konstruktiven Umsetzung zu steigern, sollten die selbst angefertigten Elemente wie zum Beispiel die Ausleger mittels Schablonen hergestellt und an das Chassis montiert werden. Des Weiteren ist zu überlegen, inwieweit vielleicht andere Materialien oder Querschnitte mehr Stabilität bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung bringen.

Unabhängig von der Weiterentwicklung des Luftschiffes lassen sich auf Grundlage der bisherigen Erfahrungen Mess- und Versuchsplätze ableiten, die zu einem späteren Zeitpunkt in die Lehre und Laborübungen einfließen können. So befasst sich zur Zeit eine Studentengruppe mit der Umsetzung eines Motorprüfstandes. Mit ihm sollen die Kräfte am Ende der Ausleger ermittelt werden, Leistungsparameter (zum Beispiel der Vorschub) ermittelt und die Wirkung der Schubdüsen untersucht werden.

Durch die bereits erzielte und weiter auszubauende Gewichtsersparnis kann der „Testballon“ für zusätzliche Erweiterungen genutzt werden. Beispielhaft sei hier die in alle drei Achsen schwenkbare Funkkamera, zusätzliche Sensoren zur Standortbestimmung oder Module zur optischen Signalübertragung genannt.

Text und Skizze: Thomas Weiland und Ronald Puhle

Neben zahlreichen konstruktiven Änderungen stand vor allem die weitere Gewichtsoptimierung im Vordergrund. So wurde jedes neue Konstruktionselement gewogen und mit dem ersten Entwurf verglichen. Für das Chassis griffen wir deshalb auf eine deutlich kleinere Verpackung (Milkana Schmelzkäse) zurück.

Ein weiteres Problem aus dem ersten Entwurf war die schlechte Manövrierfähigkeit des Luftschiffes. Der Abstand zwischen den Rotoren beträgt sowohl an der Gondel des Herstellers als auch in unserem ersten Entwurf 200 mm. Er soll in der neuen Entwicklungsstufe auf 400 mm erhöht werden. Für die Ausleger verwenden wir handelsübliche Trinkhalme. Zur Aufnahme der Motoren wurde das Ende ca. 2 cm eingeschnitten, eine Öse entsprechend dem Motorengehäuse geformt und die Enden mit Pattex Kraftkleber verbunden.

Beide Ausleger werden in der neuen Gondel zusammengeführt und dort verklebt. Die Höhenregulierung erfolgt über einen dritten Antrieb, der nach unten ausgerichtet ist. Insgesamt konnten wir so eine deutliche Reduzierung des Gewichts erzielen. Erste Testläufe förderten jedoch ein neues Problem zutage. Im Sinne der Gewichtsoptimierung kamen Kleinstmotoren zum Einsatz, wie sie zum Beispiel in Stellantrieben Verwendung finden.

Handskizze des überarbeiteten Gondel-Entwurfs. Auffällig ist der weite Abstand zwischen den Vortriebmotoren und das schlanke Design der Gondel

Während der Vortrieb weitestgehend zuverlässig arbeitet, funktionierte die Höhenregulierung nur sporadisch. Eine Strommessung ergab, dass kurzzeitig bis zu 1 A, im laufenden Flugbetrieb über 600 mA benötigt werden. Als wahre Stromfresser erwiesen sich die Propellermotoren. Insgesamt werden bis zu 3 W Leistung benötigt, die wiederum zur Erwärmung der Motoren führt. Angesichts der Motorenhalterung aus Kunststoff besteht neben der Unzuverlässigkeit der Höhenregulierung auch die Gefahr, dass sich die Verbindung im laufenden Flugbetrieb löst.

Ohnehin führte die Langzeitbeanspruchung der Motoren dazu, dass sich kurzzeitige Ausfälle im Vortrieb häuften. Es hat sich an dieser Stelle als Nachteil erwiesen, die Motoren nicht vorab auf ihre Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität zu testen.

Neben der Weiterentwicklung des Chassis begann die Suche nach neuen Motoren. Die Entscheidung fiel zugunsten der Micro-Elektromotoren K20WD beziehungsweise K30WA (Motraxx). Hierbei handelt es sich um eine Kompromisslösung, da wir uns die Zuverlässigkeit durch ein höheres Motorengewicht erkaufen. Auf der anderen Seite sind die äußeren Abmessungen der beiden Motortypen gleich und wir können bei annähernd gleichem Betriebsstrom unterschiedliche Leistungsparameter (zum Beispiel maximale Umdrehungszahl) fahren.

K20WD
Leerlaufdrehzahl: ca. 12.000 U/min;
Drehzahl unter max. Last: 5.800 U/min bei 0,1 A und einem max. Drehmoment: 0,15 mNm

K30WA
Leerlaufdrehzahl: ca. 15.000 U/min;
Drehzahl unter max. Last: 12.000 U/min bei 0,11 A und einem max. Drehmoment: 0,16 mNm

Zwar lassen sich die Ösen am Ende der beiden Ausleger auf die neuen Gegebenheiten anpassen, durch den geänderten Durchmesser der Motorwellen mussten wir auch auf andere Propeller zurückgreifen. Das zog wiederum Konsequenzen bei den mittlerweile eingebauten Strahldüsen nach sich.

Um die Flugeigenschaften primär in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung nicht nur mithilfe der Drehzahl zu beeinflussen, laufen die Propeller in einer kegelstumpfförmigen Düse. Ausgangsbasis sind handelsübliche Trinkbecher, die mit einem Cutter-Messer auf die erforderliche Größe zugeschnitten wurden. Somit lassen sich im Vortrieb etwas höhere Geschwindigkeiten erzielen, während sich der Ballon im Rückwärtsgang sanfter steuern lässt. Dasselbe Prinzip wird bei der Höhenregulierung angewandt. Hier ist die Düse so ausgerichtet, dass der Auftrieb mit höherer Geschwindigkeit erfolgt. Das setzt voraus, dass die Trimmung des Ballons so erfolgt, dass er ohne Antrieb langsam sinkt.

Das Chassis sollte zunächst mit Hilfe doppelseitigen Klebebands direkt an den Ballon befestigt werden. Die Lösung erwies sich als unbefriedigend, da ein schneller Zugriff auf die Elektronik im Inneren des Chassis nicht möglich ist. Auch in Hinblick auf die geänderten Motoraufnahmen entschieden wir uns deshalb, den aktuellen Entwurf in einem zweiten Modell zu überarbeiten und die Snap-In-Verbindung des Deckels zu nutzen. Diesmal wurde der Deckel mit doppelseitigem Klebeband am Ballon befestigt. Die Lösung stellt wiederum ein Kompromis aus zusätzlichem Gewicht und besserer Handhabung dar.

Durch die ständige Gewichtskontrolle und dem Verzicht von Ballast, der weder konstruktiv noch funktionell benötigt wird, konnten wir über 30 Gramm Gewicht einsparen. Das Funk-Kamera-Modul, das als erste Erweiterung in unser Luftschiff eingebaut werden sollte, hat ein Gewicht von ca. 10 Gramm. Durch die Anpassung der Kameraelektronik an den 3,7 V-Lithium-Ionen-Akku, wird kein zusätzlicher 5 V-Akku für die Funkkamera benötigt. Demnach stehen in der jetzigen Version des Luftschiffs ca. 20 Gramm für weitere Komponenten zur Verfügung.

Text und Skizze: Thomas Weiland und Ronald Puhle