November 2001

Nach den deprimierenden Erfahrungen mit dem Geschwindigkeitspotential und dem Handling des Topcat kam die Idee auf, das Boot mit Hydrofoils aufzupeppen. Da aber keine Erfahrungen auf diesem Terrain vorliegen, und auch keine Bauanleitung zu bekommen war, mußte also von ganz vorne angefangen werden.

und es funktionierte (nach einigen Startschwierigkeiten). Da aber die Querstabiliät nicht zufriedenstellend war, ist der Entwurf nochmal geändert worden. Die Rümpfe behalten den bisherigen Abstand, und die Foils werden auf verlängerten Beams außen angebracht.

Die Foils habe ich zum Testen in Balsa mit Kiefernholm aufgebaut. Die Steckung besorgt ein 8-mm-Nirostab. Darauf kam Unidirektionalgewebe 220 g/m², einmal durchlaufend und einmal 30 cm auslaufend, sowie 3 Lagen 80er Gewebe diagonal. Die Torsionssteifigkeit ist auch sehr gut, die Biegefestigkeit könnte besser sein. Ich habe Glasgewebe verwendet, weil das einfach billiger ist und ich es in der Kiste noch hatte. Der ganze Kram kam nach dem Laminieren in den Vakuumsack, daß spart nachher am spachteln und schleifen. A propos Schleifen - das Profil hätte ein E 836, auf 10% ausgedünnt, werden sollen...

Juli 2002

Um den zweiten Satz Foils besser bauen zu können, ist eine bessere Berechnung der Foils notwendig. Die hierzu notwendigen Formeln lassen sich in jedem besseren Aerodynamik-Buch finden:

Die Auftriebsgleichung:

Die Auftriebsverteilung ist natürlich nicht genau elliptisch, man hat hier schätzungsweise 5% Verlust. Dafür erhöhen die senkrechten Schwerter am Ende der Foils die Streckung und senken damit den induzierten Widerstand deutlich. Für die Minimierungsrechung ist das aber unbedeutend.

Für die Foil - Fläche (entscheidend für den Widerstand) und die horizontale Projektion (entscheidend für den Auftrieb) gilt folgendes Verhältnis:

Setzt man jetzt die Gleichung für den cwi in die Auftriebsgleichung ein und multipliziert die Klammer aus, so erhält man:

Als nächsten Schritt löst man die Auftriebsgleichung nach der Fläche auf, ersetzt die Projektion und setzt sie in obige Gleichung ein, danach kann man einiges herauskürzen, worauf verbleibt::

Hieraus kann man jetzt einige Schlußfolgerungen ziehen:

• Das Schiffsgewicht geht quadratisch in den cwi ein, und beeinflußt auch den Profilwiderstand, hier ist also Leichtbau angesagt, was beim vorhandenen Topcat leider nicht geht...
• Die Foillänge, besser die Streckung der Foils spielt eine wichtige Rolle, aber aus Querstabilitätsgründen ist eine eher kurze Länge sinnvoll.
• und: je höher die Abhebegeschwindigkeit, desto geringer wird der Widerstand (logisch, die Foils werden ja kleiner, die Streckung größer usw...!!!

Was schließen wir jetzt daraus? Betrachtet man die Rumpfgeschwindigkeit::

zumindest als Anhaltspunkt, bei Mehrrumpfbooten sind die Verhältnisse durch die geringe Rumpfbreite eher wie bei Profilen, aber trotzdem ist es ein Anhaltspunkt für die Amwind-Geschwindigkeit. Die Abhebegeschwindigkeit sollte also darunter liegen, denn mit den Rümpfen im Wasser ist das Boot überhaupt nicht konkurrenzfähig. Andererseits bedeutet eine zu geringe Abhebegeschwindigkeit den Bau von gering gestrecken Foils, wobei die Streckung mit zunehmender Geschwindigkeit und Austauchen von weiter außenliegenden Flächen noch weiter abnimmt. Wegen diesem Dilemma zwischen so-gut-wie-nicht-foilen, wie es mit den ersten Foils der Fall ist, und “lahme Ente”, habe ich mit der Federwaage mit dem Kasko des Topcat Schleppwiderstandsmessungen durchgeführt und das Verhältnis so bestimmt

wobei die Proportionalitätskonstante irgendwo zwischen 1,15 und 1,7 liegt. Es war halt ein Feldversuch, kennt jemand einen Schlepptank? Die höheren Werte sind wohl auf eine gewisse Abtrift zurückzuführen, denn mit den schmalen, spitzen Rümpfen steigt der Widerstand sehr schnell an, denn natürlich hatte ich beim Versuch auch Seitenwind...

Klartext: setzt man die Größen des Topcat mit
Rumpflänge = 1,3 m
l = 0,5 m
F_G = 52 N
r = 995 kg/m³

und die Daten des E214 mit c_a = 1,2 und c_wp = 0,016 in die Gleichung ein, so erhält man für F einen Wert von 2,7 N für v = 1,42 m/s und 4,4 N für v = 1 m/s. Der Profilwiderstand ist übrigens geschwindigkeitsunabhängig.

Was wäre noch zu berücksichtigen? Der hintere T-Foil trägt zwar auch einen Teil des Gewichts, erzeugt aber auch zusätzlichen Widerstand. Wer will, kanns nachrechnen, bei 4°, 6 x 36 cm, einem symmetrischen Profil kommt ungefähr so viel Ersparnis raus, wie an Widerstand produziert wird. Wichtig ist der T-Foil für die Steuerung des Anstellwinkels, denn durch den konstanten Auftrieb hinten neigt sich das Ganze bei höherer Geschwindigkeit nach vorne und senkt den Anstellwinkel, was zu Widerstandseinsparung führt.

Durch die “Schwertlets” ergibt sich beim cwi eine Einsparung von 25%, es erge- ben sich also 3,6 N respektive 2,3 N Widerstand. Der Widerstand der Schwertlets wird ein paar Zehntel kosten, eine leichte Einsparung wird bleiben.

Verglichen mit den Werten für den Schleppwiderstand, dürften wir bei Rumpf- geschwindigkeit etwa den gleichen Widerstand wie ohne Foils haben, bei verbessertem Handling also eine Verbesserung. Es bleibt ein höherer Widerstand bei geringer Fahrt - also See mit Wind suchen. Die Foils werden also eine Fläche für ein Abheben leicht unter der Rumpfgeschwindigkeit bekommen - also etwa 0,065 m² bei waagerechter Schwimmlage (Dies entspricht dann ungefähr dem doppelten der vorherigen Fläche, bei einem Profil, welches 50% mehr Auftrieb liefert). Wenn dann noch etwas oberhalb der Wasserlinie ist, kann die Fläche bei Krängung ungefähr gleich bleiben. Der Entwurf sieht dann so aus:

Einen Entwurf haben wir also, also Material bestellen und bauen. Das Ruder ist noch vorhanden, daher das Profil ..., die Ausleger müssen nur mit neuen Aufnahmen versehen werden. Stabilitätsmäßig werden aber wohl noch Stützstreben dran müssen. Also mal sehen...

März 2003

Also zunächst mal nur als Text, da Bilder noch nicht gemacht: Die Fahrerprobung mit den Foils V2. Die Foils waren zwar noch im Herbst fertig, aber bei See 1 gibt es nunmal keinen ordentlichen Wind. Für See 2 mußte die richtige Windrichtung abgewartet werden und erstmal eine Wathose besorgt werden, denn bei dem jetzigen Tiefgang war der Apparat einfach nicht einzuwassern. Dann war der See vereist. Beim Test jetzt war zwar immer noch etwas Eis auf dem Wasser, aber es ging. Wie fast schon zu erwarten, ist V2 auch noch nicht die ideale Lösung, aber ein großer Schritt ist getan.

Raumschotskurse:
Also alles ab 90° zum Wind mag der Foilkat sehr gerne und foilt auch willig. Leider taucht hier ein bei der Berechnung so nicht erkanntes Problem auf: Eine zu hohe Geschwindigkeit. Bei etwas Wind oder einer Bö erfolgt eine ultimative Beschleunigung, und das Teil hebt soweit ab, bis das Ruder aus dem Wasser kommt. Das sieht dann ungefähr so aus wie eine Rolle in der Fliegerei, und das Ergebnis heißt mal wieder: Schlauchboot. Hier hat eine Verminderung des Anstellwinkels der Foils auf 5 Grad etwas geholfen, für noch weniger muß ich erstmal noch umbauen. Durch den geringeren Anstellwinkel sinkt außerdem der Gesamtwiderstand und die Geschwindigkeit nimmt nochmals zu. Jedenfalls sind schnelle Halsen ohne Geschwindigkeitsverlust einfach ehrfurchtserregend!!! Überschlagsweise konnte die Geschwindigkeit aus der Flughöhe geschätzt werden. Bei 5° und höchstens 15 cm Foils im Wasser haben wir etwa das 2,3-fache der Rumpfgeschwindigkeit. Hier ist sicherlich mit weniger Auftrieb (= weniger Widerstand!) im unteren Bereich der Foils noch eine weitere Geschwindigkeitssteigerung möglich.

Amwindkurse:
Leider nicht ganz der Bringer. Die Probleme an der Kreuz liegen nur teilweise an den Foils, vielmehr an den vorher vorhandenen Eigenschaften des Topcat und des Riggs. Das aufrichtende Moment ist einfach zu klein, um den Querkräften der Besegelung standhalten zu können. Was hier fehlt, ist außenliegender, großer Auftrieb bei vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeiten (ca. Rumpfgeschwindigkeit). Der Knackpunkt liegt am Widerstand, den so ein Foil bei hohem Auftrieb und geringen Geschwindigkeiten produziert. Das Wendeverhalten ist zwar nach wie vor besch..., aber da können die Foils nichts für.

Fazit:
Aus dem bisherigen Verhalten ergibt sich ein verändertes Foildesign, und zwar

• eine hohe Zuspitzung und/oder
• ein Profilstrak von starker auf schwache Wölbung und/oder
• eine geometrische Schränkung.und/oder
• Zusatzflügel außen (Stichwort: Ladder-Foil)

Dies alles ermöglicht hohes aufrichtendes Moment bei niedrigen Geschwindigkeiten und Krängung am Wind und hohe Geschwindigkeiten bei niedrigem Widerstand Raumschots. Da aber in neue Foils recht viel Kohle rein muß, möchte ich mir das sparen und werde die Version V2PLUS testen, und zwar mit einem Stück Plastik, welches die Flügelsehne verlängert (Schränkung und mehr Auftriebsfläche). Geht schnell und bringt wieder neue Erkenntnisse.

Sommer 2003

Im Laufe weiterer Erprobungen stellte sich heraus, das das Konzept mit den V-Foils nicht den erwarteten Effekt bringt. Für ein Foto auf Foils hätte es zwar gelangt, wenn man im richtigen Moment auf den Auslöser gedrückt hätte. Aber die Ziele

• einfaches Handling
• hohe Geschwindigkeit

wurden nicht erreicht. Das Hauptproblem ist - wie schon direkt erkannt - der enorme Geschwindigkeitssprung, der das ganze Schiff aus dem Wasser hebt. Und je weiter die Foils aus dem Wasser tauchen, desto geringer ist die Stabilität, also kippt das ganze einfach um. Der gleiche Effekt verhindert auf Amwindkursen jeglichen hydrodynamischen Auftrieb, denn ohne stabilisierende Gegenkraft kann die erforderliche Geschwindigkeit nicht erreicht werden.

Die Lösung dürfte in Form von T-Foils liegen, die über einen einfachen Mechanismus (Schwimmer) angesteuert werden. Im Original erfolgreich getestet wurder der Rave. Bei diesem Konzept kann auf der Luvseite sogar Abtrieb erzeugt werden, auf der Leeseite entsprechender Auftrieb. Nur muß man das ganze auch noch bauen, und dazu komme ich einfach im Moment nicht.