Solair II

Entwicklung eines personentragenden, eigenstartfähigen Solarflugzeuges mit hoher Praxistauglichkeit
Ein Projekt von Prof. Günter Rochelt

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Inhaltsverzeichnis


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Hier würden Sie einen Foto von Solair II sehen ...Solair II (JEPG 60k)

Das Projekt Solair II

Bereits im Jahre 1980 zeigte Prof. Rochelt mit der Entwicklung der Solair I, daß es möglich ist, ein Flugzeug ausschließlich mit Solarenergie zu betreiben.

So erreichte er mit der allein von Sonnenenergie betriebenen Solair I eine Flughöhe von über 1000 m und absolvierte einen Weltrekord über fünf Stunden und vierzig Minuten Flugzeit im reinen Solarflug.

Die Solair hatte jedoch wesentliche Nachteile, welche die Alltagstauglichkeit betrafen. Die Solarzellen waren fest auf der Tragflügeloberfläche eingegossen und der Aufbau dieses ersten Solarflugzeuges war kompliziert und aufwendig, so daß die Solair I nach einer ausgiebigen Testphase nun ihren Platz im Deutschen Museum in München hat.

Die Ausschreibung des Berblinger Wettbewerbes 1996 war dann der Anlaß, mit den Erfahrungen der Solair I ein neues Solarflugzeug zu entwickeln, welches neben höheren Flugleistungen auch ein hohes Maß an Gebrauchstauglichkeit aufweisen sollte. Hierbei galt es, die Erfahrungen der Solair I mit all den Neuerungen der letzten 16 Jahre auf den Gebieten Solartechnik, Leichtbau, Antriebs- und Steuerungstechnik zu kombinieren.

Die Entwicklung der Solair II ist somit verbunden mit einer Reihe innovativer Zielsetzungen und Ideen, deren Hauptintention immer wieder die Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit war.
Wesentlicher Kernpunkt dabei ist aber auch, daß die gesamte Entwicklung der Solair II und aller Bauteile vom ersten Gedanken an die Entwicklung eines reinen Solarflugzeuges war. Es wurden keine Kompromisse bezüglich bestehender Komponenten eingegangen, wenn eine Verbesserung durch eine Neuentwicklung realisierbar schien.

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Aufbau der Solair II

Der Aufbau der Solair II ähnelt dem eines konventionellen Segelflugzeuges. Charakteristisch hierfür ist die Formgebung des Rumpfes sowie die hohe Tragflügelstreckung. Auffällig ist dabei die besondere Formgebung der Tragflügel mit leichter Vorpfeilung des Innenflügels und einer Rückpfeilung des Außenflügels. Dadurch werden die Sichtverhältnisse für den Piloten entscheidend verbessert. Um eine gleichmäßige Belegung des Tragflügels mit Solarzellen zu ermöglichen, haben Innen- und Außenflügel einen rechteckigen Grundriß. Lediglich ein angestecktes Randbogenstück mit angeformtem Winglet bildet den Tragflügelabschluß.

Ein weiteres besonderes Merkmal ist das V-Leitwerk. Dabei sind die Antriebsmotoren in den Leitwerksspitzen untergebracht. Die beiden mit geringer Drehzahl gegensinnig laufenden Luftschrauben sind elektrisch verstellbar und für den antriebslosen Segelflug nach hinten zusammenfaltbar. Durch diese Anordnung wird ein hoher Antriebswirkungsgrad sowie ein hohes Maß an Komfort im Motor- wie im Segelflugbetrieb erzielt.

Um die Eigenstartfähigkeit auch ohne Halten der Tragflächen zu Beginn der Startphase zu gewährleisten, erhält das Hauptfahrwerk eine Spurbreite von 1,20 m. Die Ausführung der Fahrwerksschwinge zusammen mit der Radaufnahme in Faserkunststoffbauweise ermöglicht dabei eine aerodynamisch und optisch einwandfreie Lösung, die ein Einziehfahrwerk erübrigt. Zwei zusätzliche fast vollständig integrierte Stützräder im vorderen Cockpitbereich sowie vor dem Leitwerk ermöglichen Starts und Landungen auf Asphalt und Graspisten.

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(Bild 2) 3-Seitenansicht der Solair II

Eine weitere Besonderheit ist die Möglichkeit, die Solair II durch Weglassen der Außenflügel zum Sol-Racer umzubauen. Dabei werden die Winglets direkt an den Innenflügel gesteckt. Es ergibt sich ein kleiner, wendiger Motorsegler mit einer Spannweite von dann 14,10 m, Bild 3.

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(Bild 3) Mit den Winglets direkt an die Innenflügel gesteckt ergibt sich der Sol-Racer mit einem sicheren Lastvielfachen von 6 g.

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Leichtbau

Die erforderliche Antriebsleistung für ein Flugzeug hängt im wesentlichen von der maximalen Abflugmasse und der Aerodynamik ab. Die Solair II verbindet die ausgefeilte Aerodynamik eines modernen Hochleistungssegelflugzeuges mit dem konsequenten Einsatz modernster Leichtbauwerkstoffe.

Die gesamte Struktur besteht aus Faserverbundbauteilen. Je nach Erfordernissen kommen Kohle-, Aramid- oder Glasfasern zum Einsatz. Großflächige Strukturen wurden zur Erzielung einer hohen Beulsteifigkeit in Wabensandwichbauweise ausgeführt.

Die Bedeutung der Gewichtseinsparung wird deutlich wenn man die erforderlichen aerodynamischen Leistungen für die Solair II in Abhängigkeit von der Abflugmasse betrachtet.


Grafik
Das Abfluggewicht bestimmt in hohem Maße die erforderliche Antriebsleistung. Bei 220 kg Fluggewicht beträgt die Schwebeflugleistung gerade einmal 755 W.

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Grafik
Die Solair ist mit einem Abfluggewicht von 230 kg außerordentlich leicht. Gering ist hierbei aber auch der Anteil des Strukturgewichtes am Gesamtgewicht.

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Zwei optimierte Antriebskonzepte

Aufgrund der geringen Energiedichte sind bei der Nutzung regenerativer Energien zwei Strategien unabdingbar:

Aufgrund der geringen Abflugmasse und einer ausgefeilten Aerodynamik ist der Energiebedarf sehr gering. Für den Schwebeflug sind gerade einmal 755 W Schubleistung erforderlich. Um mit 2 m/s Steigen zu können beträgt der Leistungsbedarf 5071 W.

Die einstrahlende Solarleistung muß mit einem möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad umgesetzt werden. Neben einer Optimierung der Einzelwirkungsgrade der verschiedenen Umsetzer ist eine Optimierung und Abstimmung des Gesamtsystems erforderlich.

Während bei der Auswahl der Solargeneratoren ein entscheidendes Merkmal die Bezahlbarkeit der Solarzellen ist (eine Wirkungsgradverbesserung um wenige Prozentpunkte kostet hier gleich ein Vielfaches), liegen die konstruktiven Möglichkeiten in der Optimierung und Anpassung des Antriebsstranges.

Es wurden zwei Antriebskonzepte basierend auf Permanentmagnet erregten Gleichstrommotoren entwickelt, mit denen Gesamtwirkungsgrade ab Generator von 79,4 % im Direktantrieb bzw. 80,4 % beim Getriebeantrieb erreicht werden können. Beide Antriebe sind in ihrer Leistung vergleichbar. Die geringen Getriebeverluste werden beim Getriebeantrieb durch den besseren Luftschraubenwirkungsgrad gegenüber dem Direktantrieb kompensiert. Darüber hinaus ist für den Getriebeantrieb eine zusätzliche Blattverstellung vorgesehen, die es ermöglicht, die Luftschraubensteigung über einen weiten Bereich optimal an die Betriebsverhältnisse anzupassen.

Bei beiden Antriebsvarianten sind die Propellerblätter für den Segelflug faltbar. Da die Anschlüsse kompatibel sind, können die Antriebe einfach ausgetauscht werden. Eine spezielle Motorbefestigung entkoppelt die Antriebseinheit akustisch von der Zelle, um die Geräuschentwicklung zu minimieren. Darüber hinaus ist eine Schubmessung im Flug vorgesehen, um damit die Antriebsanpassung experimentell optimieren zu können.

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Technische Daten

Konstrukteur: Prof. G. Rochelt, Lerchenfeld 2, 22081 Hamburg
Flugzeug: Solar-Flugzeug Solair II

Abmessungen/Systeme/Massen

Tragflügel:

Grundriß:                        Rechteck mit Vor- und Rückpfeilung
Profil:                          DU 95-136+8
Spannweite:                      20,00 m
Flügelfläche:                    17,00 m²
Streckung:                       23,5
Mittlere Flügeltiefe:            855 mm
Querruderfläche:                 2,87 m²
Mittlere Querrudertiefe:         160 mm
Querruder-Ausschlag:             +15° / -25°
Bremsklappen:                    6000 x 70 am Innenflügel
Bemerkung: Die Querruder werden komplett als Wölbklappe genutzt

Leitwerk:

Leitwerksanordnung:              V-Leitwerk
Öffnungswinkel:                  110°
Grundriß:                        Trapez
Profil:                          NACA 0012 mod.
Leitwerksfläche:                 2,04 m²
Ruderfläche:                     0,57 m²
Mittlere Rudertiefe:             168 mm
Ruderausschläge:                 je 15° Höhe und Seite;
                                 in Kombination maximal 30°
Projezierte Höhenleitwerksfläche 
(inkl. Rumpfflosse):             1,97 m²
Projezierte Seitenleitwerksfläche 
(inkl. Rumpfflosse):             1,17 m²

Rumpf:

Länge:                           6,12 m
Höhe (Cockpit-Bereich):          0,9  m ohne Fahrwerk
Breite (Cockpit-Bereich):        0,62 m
Fahrwerk: lenkbares Bugrad, starres 2-Rad-Fahrwerk, 
          zusätzliches Heckrad
Leitwerks-Hebelarm:              3,80 m

Solargenerator:

Solarzellen-Typ:                 Monokristalline Siliziumzellen
Max. Wirkungsgrad:               17,3 %
Solarzellenfläche:               13,44 m²
Max. Leistung
(Strahlung 500 W/m²):            1163 W

Regelung:

Bauart:                          Optimicer von PCE
Max. Wirkungsgrad MPP-Tracker:   98%

Antrieb:

Motortyp:                    Permanent-Magnet Gleichstrommotor
Motoranzahl:                 2
Motoranordnung:              Druckpropeller im Leitwerk
Nennspannung:                je 30 V (Motoren in Reihe geschaltet)

  Antrieb (Variante 1):

Motorbezeichnung:            DINO HP 550-100
Max. Leistung:               2 x 4500 W
Max.- Wirkungsgrad:          91%
Propeller-Typ:               Delago-2-Blatt-Faltpropeller
Propellerdurchmesser:        1,46 m
Max.- Propellerwirkungsgrad: 89 %

  Antrieb (Variante 2) Getriebeantrieb:

Motorbezeichnung:            DINO HP 550-67 modifiziert
Max. Leistung:               2 x 4000 W
Max.- Wirkungsgrad:          91%
Getriebe:                    Planetengetriebe
Untersetzung:                1:4,32
Propeller-Typ:               Delago-2-Blatt-Faltpropeller mit Blattverstellung
Propellerdurchmesser:        2,00 m
Max.- Propellerwirkungsgrad: 92 %
Weitere Besonderheiten:      Schubmessung während des Fluges

Batterien:

Batterie-Typ:                SANYO KR 4000; 54 Zellen in Reihe, 2-4 Akkupacks parallel
Nennspannung:                65 V
Kapazität:                   max 4 x 5,2 Ah = 20,8 Ah
Speicherbare Energie:        max 1352 Wh

Massen:

Rüstmasse:                   140  kg
Max. Flugmasse (MTOW):       230  kg
Max. Flächenbelastung:       13,5 kg/m²

Bauweise:

Faserverbund-Kunststoffbauweise
Schalenelemente in Wabensandwich-Bauweise

Bemessungs-Grundlagen:

Bauvorschrift: Berblinger Bauvorschrift
Abfang-Lastvielfache n1:     4,0
Abfang-Lastvielfache n2:     4,0
Abfang-Lastvielfache n3:    -1,5
Abfang-Lastvielfache n4:    -2,0

Bemessungsgeschwindigkeiten:

Überziehgeschwindigkeit vs:  44 km/h
Manövergeschwindigkeit vA:   96 km/h
Höchstzulässige 
Geschwindigkeit vNE:        120 km/h
Bemessungs-
Höchstgeschwindigkeit vD:   111 km/h

Flugleistungen

Segelflug:

Geringstes Sinken:         0,35 m/s
bei:                         51 km/h
Beste Gleitzahl Emax:        46
bei:                         59 km/h

Horizontalflug mit Solarzellen (500 W/m²):

Geringste erforderl. aerodynam. Leistung: 755 W
optimale Schwebefluggeschwindigkeit:       51 km/h

Steigflug mit Batterie:

Erforderliche aerodynamische Leistung für 2 m/s Steigen:

geringster aerodyn. Leistungsbedarf:     5071 W
bei:                                       51 km/h

Erforderliche aerodynamische Leistung für 2 m/s Steigen bei optimaler 
Gesamtabstimmung des Antriebssystems:

aerodynamische Leistung:                 5742 W
optimale Steigfluggeschwindigkeit:         65 km/h

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Mitarbeiter und Sponsoren

Folgenden Personen sei für ihre tatkräftige Unterstützung des Projektes Solair II gedankt:

Alle haben mit ihrem unermüdlichen Engagement und ihren Fähigkeiten besonders bei der Gestaltung und Herstellung der Formen und Strukturbauteile den bisherigen Erfolg innerhalb von 4 Monaten Bauzeit erst möglich gemacht.

Viele Anregungen und Ideen kamen aber auch von außerhalb, insbesondere aus den Reihen namhafter Modellflieger. Folgenden Personen sei hier ebenfalls für ihre Unterstützung gedankt:

Fast alle genannten Firmen unterstützten die Projekte von Prof. Günter Rochelt schon seit vielen Jahren. Die materiellen Zuwendungen waren immer sehr hilfreich. Noch wichtiger waren aber die engagierten Beratungen bei den Neuentwicklungen.

Der größte Dank gebührt jedoch allen beteiligten Familien, deren Geduldsfaden die Reißfestigkeit eines jeden Kevlar-Rovings in den Schatten stellt. Der enorme Zeitaufwand, den viele der beteiligten Helfer und Helfershelfer hier für die Zuarbeit zu diesem Projekt aufgewendet haben, verlangte manch familäre Entbehrungen. Hier sei den Familien für ihre Geduld und ihre Verständnis ein sehr herzlicher Dank ausgesprochen.


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Günter Rochelt
Hamburg, im Juli 1996
©: Dipl.-Ing. Herbert Funke

letzte Änderung: Juli 1996
layoutet v. michael duchardt