3D-Schubvektorsteuerung  *  3D-Zugvektorsteuerung  *  3D-Schwenkpropeller  *  3D-thrust-vectoring

  

Schubvektorsteuerungen sind in erster Linie bekannt aus dem JET-Bereich (MIG, SUCHOI) und beschreiben die gezielte Lenkung des Abgasstrahls einer Turbine. Im Senkrechtstarterbereich gibt es als Antriebsvariante den Schwenkpropeller, der z. B. bei 2-motorigen Senkrechtstartern mit Propellerantrieb den Propellerschwenk von der Senkrechten (Startposition) in die Waagerechte (Geradeausflugposition) ermoeglicht. Hierbei handelt es sich um eine 2-dimensionale Schubvektorsteuerung, da nur eine Steuerachse Beruecksichtigung findet. 

Im Modellbaubereich wurden in der Vergangenheit mehrere Vektorsteuerungen als 2D und 3D Propellersteuerungen entwickelt, bei denen die Steuerachsen durch indirekte Anlenkung von Rudermaschinengestaengen bewegt werden. 

Eine neue Variante stellt die '3D-Zugvektor-Steuerung' dar, bei der die erforderlichen Steuerachsen erstmals direkt durch Rudermaschinen angetrieben werden:

Die am Rumpf vorne rechts befestigte Rudermaschine (1) ist liegend mit dem vorderen Polyamidtraeger verklebt (Sekundenkleber mittelviskos). Durch ihre Ruderscheibe ist sie mit der zweiten Rudermaschine verbunden (2), ebenfalls verklebt. Die Steuerachsen der ersten und die der zweiten Rudermaschine sind also um 90 Grad versetzt. Dadurch wird es moeglich, mit der hoch/tief - Funktion der ersten Rudermaschine die zweite Rudermaschine mit dem auf deren Ruderhorn festgeklebten Motorträger wie ein Hoehenruder zu steuern. Die Seitenruderfunktion ergibt sich einfach dadurch, dass die zweite Rudermaschine die rechts-links-Schwenks des Motors mit Propeller übernimmt. Beide Rudermaschinen-Steuerfunktionen wurden auf einen Steuerknueppel gelegt. Wenn man 'rührt', beschreibt der Motor einen Schwenkkreis. In sofern kann man von einer dreidimensionalen Schubvektorsteuerung sprechen. Der Begriff 'Zugvektorsteuerung' gibt dem Kind lediglich einen neuen Namen, da hier erstmals versucht wurde, einen in der Flugzeugfront 'ziehend' angebrachten Antrieb direkt über 2 Steuerachsen dreidimensional anzusteuern. Ausserdem macht sich der Begriff ganz gut bei GOOGLE (ausprobieren).
Sieht alles ganz einfach aus, ist schnell gebaut, und kostet nicht mehr als eine 2-Achs- Rudersteuerung. Die Rudermaschinen sind 2 HYPE IQ-80, der Motor ein WES-TECHNIK Gold-Line 7,5g. Geflogen wird mit einem 2x350mA Kokam (7,5V) Lipo-Akku und einem GWS-4Kanal Empfaenger.

  
Als Erprobungszelle für den 3-D-Schwenkpropeller wurde ein Leichtflugzeug aus Depron aufgebaut, dessen Rumpf eine Gitterkonstruktion aus kleinen Polyamid-Kreuzen und 1,5mm Carbonstaeben bildet. Die Polyamidkreuzchen gibt es im Baumarkt als Verbindungselemente von Konstruktionen aus Aluoehrchen bzw. in der Fliesenabteilung als Abstandshalter für die Fliesenverlegung. Die Fahrwerkskonstruktion besteht aus 1,3mm Carbonstaeben, von hinten nach vorne 'vorgespannt' mit 0,8mm Carbonstaeben. Die Raeder laufen auf einer 1,3mm Carbonachse.

Die Tragflaeche wurde mit 'Ohren' versehen, um fuer den Fall eines Motorstillstandes Gleitflugstabilitaet zu garantieren. Die zweite  'Huckepack'-Flaeche ist nur durch 2 profilierte Abstandshalter aus 6mm Depron mit der Hauptflaeche verbunden, wobei ein hoeherer Anstellwinkel gewaehlt wurde als bei der Haupttragflaeche (3,5 Grad zu 2,5 Grad). Sie dient zwei Zwecken:

1. Das Flugzeug sollte über ausgepraegte Langsamflugeigenschaften verfuegen.
2. Die zweite Flaeche sollte die Onboard-Videokamera aufnehmen (hier:FlyCamOne)

Ohne Kamera hat das Flugzeug bei einer Spannweite von 90cm ein Abfluggewicht von 115g, mit Kamera 145g. Das Flugverhalten ist im Vergleich zu seiner frueheren Ausfuehrung mit Seiten- und Hoehenruder genauso unproblematisch. 

Am 28. November 2006 erfolgte der Erstflug dieses ruderlosen, nur mit 3D - Zugvektorsteuerung ausgestatteten Flugzeuges - und schrieb damit ebenfalls ein kleines Stueck Modellfluggeschichte: Handelt es sich doch um das erste existierende, ruderlose, uneingeschraenkt flugfaehige Modellflugzeug mit 3D-Zugvektorsteuerung.

Das Flugeug fliegt gutmuetig und ausgewogen mit laufendem Motor. Stellt man den Motor im Flug ab, fliegt das Flugzeug im Geradeausflug gleitend weiter.
Natuerlich laesst es sich nur wirkungsvoll steuern, wenn der Motor laeuft. Hierbei faellt auf, dass das Steuerverhalten im Vergleich zur Steuerung mit Rudern deutlich direkter ist, bei voller Motorleistung sind 'gerissene' Rollen (trotz Ohren!) sowie Loopings moeglich. 
Das Flugzeug hat mit der 3D-Zugvektorsteuerung seither bereits mehr als 60 Fluege absolviert, wobei selbst 'haertere' Landungen der Steuerung nichts anhaben konnten. Lediglich einmal musste - nach einem Absturz vom Wohnzimmertisch- eine Rudermaschine ausgewechsel werden. Seitdem schuetzt eine Anschlagbegrenzung des Carbonrohr-Motortraegers die erste Rudermaschine vor Beschaedigung, da der Anschlag den Rudermaschinenweg begrenzt und die Aufprallenergie nicht ungebremst auf das Rudermaschinengetriebe wirken kann.

2 Videos zeigen Onboard- und Aussenaufnahmen des Fluges mit Zugvektorsteuerung:

 

 

  
 Video mit Onboard- und Aussenkamera-Perspektive     
   
Verschiedene Entwicklungsvarianten der 3D - Zugvektorsteuerung (oder 3D - Schubvektorsteuerung) sind denkbar:
 

1. Motorsteuerung mit Hilfe eines einseitig aufgehangenen gleichseitigen Dreiecks

Aus einem gleichseitigen, 1mm starken Alublech-Dreieck  laesst sich durch austreiben der abgeflachten Ecken ein steuerbarer Motortraeger erstellen, der an jeder Ecke im Abstandswinkel von 120 Grad zur nächsten Ecke einen Kugelkopf aufnimmt. Die 3 Kugelkoepfe werden in die zugefalteten Ecken eingeklebt (Sekundenkleber mittelviskos). Für eine praezisere Ausfuehrung können die zugefalteten Blechecken an den Faltschlitzen mit Alulot verloetet werden, so dass ein 3mm Gewinde geschnitten werden kann, welches eine Feinjustierung der Kugelkoepfe ermöglichen wuerde. Die Montage des Motortraegers erfolgt, indem der Kugelkopf -1- in eine fest an der Flugzelle angebrachte Kugelpfanne eingeklipst wird.  die beiden anderen Kugelkoepfe werden an die Schubstangen der Rudermaschinen agelenkt  -2- .
Hierdurch lassen sich mit Hilfe eines Deltamischers Hoch-/Tief - Ruderfunktionen (beide Rudermaschinen schieben bzw. ziehen) und Rechts-/Links-Ruderfunktionen  darstellen (eine zieht, eine schiebt bzw. umgekehrt). Die hier gezeigte Konfiguration wiegt einschließlich Motor (Modifizierter, sehr kleiner CDR- Motor) nur 23 g. In der praktischen Anwendung zeigen sich jedoch einige Nachteile:
- Die beiden Schubstangen muessen in  kurzen Carbonroehrchen, die fest mit dem Rumpf verbunden sind, 'gefuehrt' werden, da sonst eine Trennung der Steuerachsen nicht moeglich ist.
- Die Praezision der uebertragenen Steuerbewegungen laesst zu wuenschen uebrig, da in der Ausfuehrung der gewuenschten Steuerbewegungen eine Art 'Winkelversatz' feststellbar ist: Soll z. B. bei einer Anordnung als Schubeinheit nur nach links gesteuer werden,  so zeigt die Propellerachse leicht versetzt nach links-oben (usw).

Verbaut war diese 3D-Schubvektorsteuerung in einem DEPORON-Nurfluegeldoppeldecker, dessen Flaechen in der Vorderansicht eine Doppel-W-Anordnung aufwiesen.
In einer ca. 1-stuendigen Flugerprobung zeigte sich die Problematik mangelnder Steuerungspraezision wie beschrieben. Mit einer aufwendigeren Senderprogrammierung haetten sich die Stoermomente sicher 'wegmischen' lassen, insgesamt war das Ergebnis jedoch unbefriedigend.  Dies lag jedoch zum groesseren Teil an der vorher nicht konventionell erprobten Flugzelle:
Nachdem die Steuerung ausgebaut und durch einen schlichten, nicht steuerbaren  Druckantrieb ersetzt war, zeigten sich nach wie vor einige flugdynamische Schwaechen, die dem Zellenaufbau angelastet werden muessen.

 

 
 2. 3D-Schubvektorsteuerung mit Hilfe einer Kardanischen Aufhaengung

 Wenn  aus Gewichts- oder/und  Platzgruenden der direkte Antrieb der Steuerachsen mit Rudermaschinen nicht moeglich ist, und wenn hoechstmoegliche Spielfreiheit bei der Uebertragung von Steuerkraeften gewuenscht ist, empfiehlt sich die kardanische Aufhaengung als Funktionsprinzip fuer die Steuerung des Motortraegers einer 3D-Schubvektorsteuerung. Auch hier wird das Steuerungssystem auf 2 Funktionseinheiten verteilt: Modul 1 beinhaltet  die Steuerachsenmechanik einschließlich Motoraufhängung und Motor, Modul 2 die Ansteuerung der Aufhaengung mittels Rudermaschinen. Das ganze sieht dann so aus (gebaut von meinem Clubkollegen Jochen W. unter Verwendung von Alu-Distanzringen aus alten Festplatten):

 

 

 
   Der aus einem modifizierten CDR-Laufwerk entstandene schnelldrehende Mini-Brushlessmotor  -0-  ist  über sein Stator-Lagerrohr rechtwinklig mit der ersten Steuerachse verbunden, welche die rechts-links-Steuerfunktion übernimmt, und wird über den Kugelkopf -3- durch eine Rudermaschine angesteuert.

Die drehbare rechts-links-Steuerachse ist vertikal in einem aeußeren Aluminiumring gelagert. Der aeußere Ring wiederum wird horizontal am Flugzellenrumpf gelagert (vorne, hinten, oder in der Mitte) und wird über den 2. Kugelkopf   -2- angesteuert (hoch/tief).

Die abgebildete Konstruktion wiegt 31g und ist vorgesehen zum Einbau in eine schnellfliegende Deltakonstruktion mit einer Doppeltrapezflaeche bei einer Spannweite unter 50cm.

   
Welche Flugfiguren mit einer solchen kardanischen 3D-Schubvektorsteuerung moeglich sind, zeigt Martin Mueller eindrucksvoll in seinem FUN-JET - Video:

 http://www.indoorpapst.de/videos/funjet.wmv

 

 
Mittlerweile gibt es einen Hersteller (Armin Reiser aus Bobingen, www.vektor-technik.de), der eine kardanische 3D Zugvektor- bzw. Schubvektorsteuerung herstellt:

Es handelt sich hierbei um einen  CNC-Fraesteilesatz, wahlweise aus GFK (15g mit Anlenkungen) oder CFK (12g mit Anlenkungen). Die Vektorsteuerung besteht aus  2 vormontierten kardanischen Elementen, zusammen mit den  abgestimmten Anlenkungsteilen sowie -wahlweise- einer Servohalterung für 2 Servos. Sie ist geeignet für BL-Aussenlaeufer bis 1500g Schub (z. B. Funjet, Acromaster ). 

Die Steuerung laesst sich in viele serienmäßige Motorhalterungen  einschrauben und ist für die Aufnahme von BL-Außenläufermotoren  mit 16, 19 oder 25mm Befestigungskreisdurchmesser geeignet. 

             
 

Die Erweiterung dieses kardanisch aufgehaengten Steuersystems um ein Propellerverstellsystem zu einem 4-D-Schubvektorsystem koennte in der Weise erfolgen, dass eine Motor-/Verstellpropellereinheit mit Pitchservo an der innenliegenden Verstellachse befestigt wird. Systeme mit einer außenliegenden Hebelverstellung der Propellernabe waeren hierfür geeignet, wie z. B. das von Flyware für den Brushlessmotor REX 220. Da bei leistungsorientierten Flugzellen jedes Gramm zaehlt, koennte statt des Motors nur eine Verstellpropellernabe (mit Pitchservo) verbaut werden, die auf einem Mini-Kardangelenk sitzt. Dieses koennte dann ueber eine Fernwelle durch den an anderer Stelle schwerpunktoptimal verbauten Motor angetrieben werden.

Mit einfacheren Mitteln laesst sich ein 4-D-Zug-/Schubvektorsystem erstellen, wenn man die Steuerachsen direkt durch eine entsprechende Servokombination  antreibt. Die Entwicklung eines solchen Steuerungsmoduls ist in der Auswahlseite EXPERIMENTAL naeher beschrieben.

  

 

Aus den Erfahrungen mit 4 verschiedenen Trapezdrachen mit 3D Zug- Und Schubvektorsteuerung entstand die Idee einer doppelten 3D - Vektorsteuerung: Einer steckbaren Motorgondel für den Trapezdrachen, bestehend aus einem Zugvektor- und einem Schubvektormodul. Mit 2 in dieser Weise verfuegbaren Hebelarmen muesste die Agilitaet dieses ruderlosen Flugzeuges noch weiter steigerbar sein...

Entstanden ist eine ca. 270g schwere Motorgondel, bestehend aus 2 BL - Power-Schnurzz-Antrieben, 4 HITEC HS65 Metallgetriebe- Servos, 2 SIMPROP 10A - Reglern sowie einem REX 5 MPD Empfaenger. Alle Anschluesse wurden mit 4 V-Kabeln realisiert, wobei am BEC-Stecker des 2. Reglers die Plusleitung neutralisiert wurde, da die Stromversorgung des Empfaengers bereits ueber den ersten Regler erfolgte.

 
Ein Video von der Flugerprobung (siehe SPECIALS - 3D-FOLD-UP-KITES) zeigt - wie vermutet - eine noch staerkere Agilitaet des Flugobjektes in allen Fluglagen. Flache 360 Grad-Wenden auf der Stelle sind moeglich, ebenso vertikale und horizontale Spins.
Ebenfalls machbar ist folgende Anordnung: Der vordere Antrieb stellt eine komplette 3D-Zugvektorsteuerung dar und dient vornehmlich der Richtungssteuerung und liegt v o r dem Schwerpunkt des Flugzeuges; der hintere Antrieb ist starr verbaut und liefert den Hauptschub h i n t e r dem schwerpunkt. Eine umgekehrte Anordnung ist ebenfalls denkbar: hinten eine 3D- Schubvektor- steuerung, vorne das 'ziehende' Triebwerk.