Rennflugzeug

Flugzeug-Porträt: Rekordflugzeug CEA-311 Anequim

Du bist Pilot. Und jetzt stell Dir vor, du hast ein Flugzeug mit einem Vierzylinder-Motor, gebaut von einem Aerodynamik-Professor und seinem Team, speziell für Dich und nur zu dem Zweck, Geschwindigkeitsweltrekorde aufzustellen. Genau darum geht’s beim Anequim-Projekt

Von Redaktion
Flugzeug-Porträt: Rekordflugzeug CEA-311 Anequim

Wenn wir an Brasilien denken, haben wir Bilder im Kopf vom Amazonas oder von schönen Menschen am Strand von Rio, nicht von Flugzeugen. Aber das Land hat eine bedeutende Luftfahrttradition, die bis in die Zeit vor dem Ersten Weltkrieg zurückreicht, zu Santos-Dumont und dessen verwegenen Pionierleistungen. Heute fliegen Millionen von Passagieren in Airlinern von Embraer – um nur eines der Unternehmen in der wachsendenbrasilianischen Luft-fahrtindustrie zu nennen. Es kommt dieser Industrie zugute, dass an den Universitäten des Landes Studenten zu Luftfahrtingenieuren ausgebildet werden. An der Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) in Belo Horizonte hat Professor Paulo Iscold jahrelang Studenten durch eine Vorgehensweise inspiriert und weitergebracht, deren Praxisnähe unübertroffen ist: Er ließ sie Flugzeuge konstruieren und bauen.

Nicht einfach gewöhnliche Flugzeuge, sondern Apparate, die Rekorde aufstellten, also etwas vollbrachten, das kein anderes Flugzeug zuvor geschafft hatte. Paulos Ambition: das schnellste von einem Vierzylinder-Motor angetriebene Flugzeug der Welt konstruieren und bauen. So entstand unter seiner Leitung die CEA-311 Anequim, entworfen und hergestellt von Studenten. Paulos Verständnis davon, wie sich Luft verhält, hat ihn auch zum Ansprechpartner für Rennpiloten gemacht. Im Red Bull Air Race trug er zum Erfolg von Paul Bonhomme bei, um Kunstflugzeuge kümmerte er sich ebenfalls. Und jetzt hält seine CEA-311 mehrere Weltrekorde. Ironischerweise wird Paulo aber nie eine der Maschinen fliegen können, die er geschaffen hat, obwohl er Pilot ist. Mit seinen 1,98 Metern passt er schlichtweg nicht rein. Es hat schon einige ziemlich schnelle Flugzeuge mit Vierzylinder-Motor gegeben.

„Mit dem Steigpropeller konnte ich nach dem Rotieren den Horizont unterm Flügel sehen“ – Gúnar Armin Halboth, Anequim-Pilot und -Besitzer

Da ist zum Beispiel die Polen Special, mit der Dennis Polen 1973 in der Homebuilt-Szene Wellen schlug, die bis heute nicht verebbt sind. Der Ganzmetall-Einsitzer mit Einziehfahrwerk rannte in Höhen über 20 000 Fuß 320 Meilen pro Stunde TAS, mit aufgeladenem Lycoming IO-360 sogar 350. Jon Sharps Nemesis, ein Composite-Racer für die Sport Class, kam 1991 in die Luft und erreichte 290 Meilen pro Stunde – mit einem Continental O-200! Okay, das Gebrüll kam von einem sehr entfernten Verwandten des kleinen Köters in der Cessna 150, aber immer noch mit dem selben Hubraum von 200 Kubikzoll. Auch Paulo war ins Rennen gegangen, und zwar mit der von seinen Studenten gebauten CEA-308. Im Jahr 2010 hatte sie Rekorde aufstellt; mit einem Jabiru 2200 (134 Kubikzoll) wurden 223 Meilen pro Stunde erflogen, obwohl zwei Zylinder undicht waren.

Die Messlatte lag zwar hoch, aber die Rechnung war einfach: Um das schnellste Flugzeug zu schaffen, braucht man eine Zelle, die möglichst wenig Widerstand verursacht, einen Motor, der möglichst viel Leistung erzeugt, und einen Propeller, der diese Leistung über einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich in nutzbaren Schub umwandelt. Eine grundlegende Entscheidung betraf den Motor. Man wollte den ehrwürdigen Lycoming O-360. Vielleicht gäbe es ausgefuchstere Vierzylinder, aber weil mit einer brandneuen Zelle die Flugleistung hochgeschraubt werden sollte, befand Paulo, dass ein bewährtes Triebwerk das Risiko am geringsten hält. Sein Mentor Professor Claudio Barros hatte ihn das Mantra gelehrt: „Neues Flugzeug, alter Motor; altes Flugzeug, neuer Motor.“ Mit anderen Worten: Packe nie einen nicht erprobten Motor in ein nicht erprobtes Flugzeug!

Foto: Marcio Jumpei
Schwindelerregend: 3000 Höhenmeter mit mehr als 20 Meter pro Sekunde – Steigzeitrekord!

Es mag abwegig erscheinen, sich bei der Konstruktion eines Flugzeugs auf eine bestimmte Person als Pilot festzulegen, aber in diesem Fall war es sinnvoll. Gúnar Armin Halboth heißt der Mann für diesen Job. Er ist ein erfahrener Berufspilot, ein früherer Kunstflug-Meister und – am wichtigsten – eher klein. Seine schlanke Erscheinung ermöglichte einen Rumpf, der den Menschen hinterm Motor versteckt. Im Grunde wurde Anequim um Gúnar herumgewickelt. Gut so, denn als Sponsor des Projekts gehört ihm das Flugzeug jetzt auch.Als die Basisparameter feststanden, vertieften sich Paulo und seine Studenten in jahrelange Konstruktionsarbeit. Viele der Computer-Programme, die sie benutzten, verfeinerten sie für ihre Zwecke. Das Ergebnis ist ein erlesenes Arrangement fließender Linien, um auf eine Weise durch die Atmosphäre gleiten zu können, dass die Luft es kaum merkt.

Eine exponierte Pilotenbehausung gibt es nicht, nur eine winzige Haube hiner dem Flügel. Nach vorn reicht die Verglasung bis halb über die Cowling. Der schlanke Rumpf und das gepfeilte Seitenleitwerk gleichen einem Haifisch – daher der Name Anequim, das portugiesische Wort für Makrelenhai. Die riesige Motorhaube erinnert mit ihren ausladenden Backen jedoch weniger an einen Hai als ein Eichhörnchen, das sich auf den Winter vorbereitet. Der Lycoming-Boxer ist einfach überdimensioniert für das winzige Flugzeug, das er antreibt. Die Tragfläche hat eine kontinuierlich gekrümmte Vorderkante, wodurch ihre Form jener eines Scimitar-Propellers ähnelt. An der geraden Hinterkante finden sich schmale Querruder und große Spaltklappen. Flaps mögen seltsam erscheinen an einem Flügel, der für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist, doch ohne sie wäre das Flugzeug sehr schwer zu landen, wenn nicht gerade eine Airliner-Piste zur Verfügung steht.

Gemeinschaftsleistung: Iscolds Studenten haben Tausende von Stunden in das Projekt gesteckt

Das Ding hat so wenig Widerstand – und bloß 4,7 Quadratmeter Fläche! –, dass es ohne Klappen für den Piloten schwieriger wäre, Geschwindigkeit abzubauen, als schneller zu werden. Es war klar, dass sich die fließenden Formen von Anequim nur in Kunststoff-Bauweise realisieren ließen. Die Formen wurden mit Hilfe von riesigen CNC-Fräsen hergestellt, und zwar aus Eukalyptusholz. Paulo Iscold hatte herausgefunden, dass Brasilien eines der weniger Länder ist, in dem solche Formenplatten mittlerer Dichte aus diesem Material produziert werden. Der Vorteil: Eukalyptus ist weniger wasseranziehend und formstabiler die gängigere Kiefer. So konnte man vergleichsweise günstig und schnell eine präzise Zelle fertigen. Nach einem Jahr Konstruktionsarbeit und einem weiteren fürs Bauen war die Zelle fertig für die Installation des Triebwerks.

Normalerweise leistet ein O-360 mit Parallel-Ventilen 180 PS – für Rekorde zu wenig. Die US-Firma Sky Dynamics kümmerte sich für die Brasilianer um mehr Power. Die Tuner erhöhten die Verdichtung von 8,5 auf 11:1, spezielle Kipphebel wurden montiert, man ersetzte die Zündmagnete durch eine elektronische Doppelzündung und modifizierte das Ein- und das Auslasssystem. Nahezu jedes Teil des Motors wurde überarbeitet. Anschließend verbrachte er zur Optimierung eine Woche auf dem Prüfstand. Die ermittelte Leistung beträgt knapp 280 PS. Winzige horizontale Schlitze beidseits des Spinners führen Kühlluft zur internen Abdeckung, die den Motor von oben her kapselt. Für einen optimalen Wärmeaustausch ist sie so gestaltet, dass ausreichend Luft mit der gewünschten Geschwindigkeit die Zylinder umfließt. Angesichts der Leistung, die das Triebwerk produziert, entsteht eine beachtliche Hitze, die wegtransportiert werden muss.

Foto: Raphael Brescia
Viel Motor, wenig Flugzeug: Der winzige Composite-Einsitzer wiegt gerademal doppelt so viel wie sein Lycoming O-360

Viel Leistung heißt aber auch großer Durst. Gestillt wird er aus sechs Kraftstofftanks in Flügel und Rumpf, die zusammen 100 Liter fassen. Den Propeller hat man vielleicht am tiefsten in Zaubertrank getunkt. Er stammt vom kalifornischen Prop-Guru Craig Catto. Man bedenke die Anforderungen: Die Luftschraube muss 280 PS aufnehmen und sie in genügend Schub verwandeln, damit über 500 km/h erreicht werden; sie muss weit oberhalb des normalen Lycoming-Drehzahllimits von 2700 rpm effizient arbeiten und das Flugzeug aus dem Stand beschleunigen. Und all das ohne Blattverstellung. Ein bisschen ist es so, wie dasselbe Fahrrad mit Festübersetzung auf jedem Streckenabschnitt der Tour de France zu fahren. Etwas über zwei Jahre haben Paulos Studenten mächtig rangeklotzt, bis Anequim fertig war. Am stolzesten scheint der Projektleiter auf diese jungen Frauen und Männer zu sein, die Tausende von Stunden investiert haben, um knifflige Konstruktions- und Fertigungsprobleme zu lösen.

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Heraus kam ein wunderbares Gebilde, eine Skulptur wie aus poliertem Marmor. Ihre Oberfläche ist auf ein paar Hundertstel Millimeter genau – das Ergebnis tagelanger Finish-Arbeit des Composite-Spezialisten Fernando Zancani. Wenn man bedenkt, dass der Flieger leer nur 315 Kilogramm wiegt und der Motor allein schon zirka 160 Kilo, wird einem klar, welche Ingenieursleistung in der Zelle steckt. Wenn Testpilot Gúnar Halboth ins Cockpit schlüpft, ist es, als ob er sich einen handgemachten Schuh anzieht. Vor sich auf dem relativ schlichten Panel hat er ein kleines Dynon-EFIS, das mit verschiedenen Telemetrie- und Datenspeicherfunktionen aufgerüstet wurde, darüber ein Funkgerät und einen Transponder von Becker sowie ein Garmin-GPS. Seine rechte Hand ruht auf einem Sidestick – für einen zentralen Knüppel war schlichtweg kein Platz –, seine linke auf dem Gashebel, für die Füße gibt’s winzige Pedale mit – kaum zu glauben – Hackenbremsen.

Tierische Kombination: fließende Linien wie ein Hai, ausladende Backen wie ein Eichhörnchen

Der Erstflug fand am 14. November 2014 auf dem Flugplatz Brigadeiro Cabral in Divinópolis statt. Der Startlauf war recht lang, da Gúnar behutsam Gas gab, die Dichtehöhe bei zirka 3000 Fuß lag und die Propellersteigung auf eine Speed abgestimmt war, die etwa 300 Meilen pro Stunde oberhalb der Rotationsgeschwindigkeit lag. Doch sobald Anequim die Abhebegeschwindigkeit erreicht hatte, schoss sie in die Luft und gierte nach Höhe. 15 Minuten später musste Gúnar seine Profifähigkeiten unter Beweis stellen: Als die Landeklappen rauskamen, gab es ein Schnappgeräusch. Und einen Schlag, als sie wieder in die Neutralstellung fuhren – wo sie blieben. Der Pilot flog jetzt eine Maschine, die einzig und allein auf Speed ausgelegt war, nun aber keine Klappen hatte, auch keine Speedbrakes, kein Einziehfahrwerk mit unverkleideten Beinen und Rädern und keinen Verstellpropeller, den man auf flaches Pitch regeln kann.

Eine Maschine mit dem Flächeninhalt einer etwas größeren Motte! Wenn Gúnar seine Hand hätte raushalten können, hätte das den Widerstand wahrscheinlich verdoppelt. Plötzlich schienen die 1500 Meter der längsten Landebahn in Divinópolis überhaupt nicht mehr lang. Erst im vierten Anlauf gelang die Landung. Dabei musste Gúnar wild slippen und den Motor abstellen, um die Maschine an den Boden und zum Stillstand zu bringen. Nachdem ein gebrochenes Schubstangen-Lager repariert worden war, arbeiteten die Landeklappen normal. Das machte Gúnars Leben einfacher. Die Flugerprobung fand eher sporadisch statt, unterbrochen von Paulos terminlichen Verpflichtungen und Gúnars Einsätzen als Berufspilot, aber auch von schlechtem Wetter. Der Motor erwies sich als zuverlässig, und Anequim zeigte wenig Eigenheiten, mal abgesehen von ihrer extremen Windschlüpfrigkeit.

Foto: Marcio Jumpei
Maschinenwesen: Ohne erkennbares Cockpit tritt der Pilot nicht in Erscheinung – Anequim wirkt wie ein Geschöpf aus einer fremden Welt

Paulo ist zurückhaltend, was die gemessenen Flugleistung betrifft, aber einige Flüge fanden schon nachweislich weit jenseits von 300 Meilen pro Stunde (483 km/h) statt. Irgendwo werden Wilbur und Orville schmunzeln: „Wir haben Euch doch gesagt, dass vier Zylinder reichen!“ Fünf Rekorde hat die Maschine bisher aufgestellt, wobei die Anerkennung durch die FAI noch aussteht: Über die Drei-Kilometer-Distanz mit Höhenlimit betrug die Durchschnittsgeschwindigkeit 521,08 km/h. Dabei wurde der bisherige Rekord, gehalten von Jon Sharp mit seiner Nemesis, um 54,25 km/h übertroffen. Über 15 Kilometer erreichte Anequin 511,19 km/h – auch hier hat das Iscold-Team Sharp entthront. Zwei weitere Rekorde wurden auf geschlossenen Strecken erzielt: über 100 Kilometer mit 490,14 km/h und über 500 Kilometer mit 493,74 km/h. Der fünfte Rekord betraf die Steigzeit: Für 3000 Meter brauchte die kleine weiße Rakete zwei Minuten und 26 Sekunden (20,55 Meter pro Sekunde) – 42 Sekunden weniger als der alte Rekord.

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Unabhängig davon, wie schnell Anequim am Ende mal sein wird – eine Aufgabe hat sie schon jetzt erfüllt, denn Paulo erinnert jeden: „Der Hauptgrund, dieses Flugzeug zu bauen, war es, junge Leute zu motivieren und in Luftfahrttechnik und Maschinenbau zu unterrichten. Erst in zweiter Linie – ich nenne das den ’spielerischen Grund‘ – geht es darum, Geschwindigkeitsweltrekorde aufzustellen.“

So fliegt sich die Anequim

Gúnar Armin Halboth, der einzige Pilot, der die Maschine bisher gesteuert hat: „Anequim ist ein winziges Flugzeug. Wenn ich einsteige, muss ich meine Arme überkreuzen, um die Haubenverschlüsse zu erreichen. Es ist mein erstes Flugzeug mit Sidestick. Obwohl der Knüppel sehr kurz ist, funktioniert die Steuerung prima. Getrimmt wird elektrisch per Taste auf dem Stick. Für die ebenfalls elektrisch arbeitenden Landeklappen hat man auf der rechten Seite einen Drehknopf, den ich mit der linken Hand bediene. Was die Cockpitsicht betrifft – na ja, eigentlich gibt es keine. Weder beim Start noch bei der Landung kann man nach vorn etwas sehen; deshalb habe ich auch noch nie Pisten benutzt, die schmaler als 30 Meter sind. Die Richtungskontrolle während des Startlaufs ist nicht schwierig. Das Seitenruder erfordert wenig Kraft, ich bediene es mit den Zehen.

Wegen der hohen Propellersteigung hält sich die Anfangsbeschleunigung in Grenzen. Nach ein paar hundert Metern hebt das Heck ab, und sobald das Flugzeug den Boden verlässt, kommt richtig Fahrt in Sache. Mit dem Drei-Blatt-Propeller, den wir für die 3000-Meter-Steigzeitmessung verwendet haben, zeigte der Haifisch ein vollkommen anderes Gesicht. Da war der Startlauf brutal. Nach weniger als sieben Sekunden habe ich aus der Dreipunktlage heraus mit 30 Grad rotiert. Ich konnte den Horizont unterm Flügel sehen!
Die Steuerkräfte sind gut abgestimmt – die Steuerung fühlt sich ungefähr wie bei einer RV-6 an; um die Längsachse ist die Kraft etwas höher, die Stabilität aber neutral, da die Tragfläche keine V-Stellung hat. Bei den frühen Flügen waren die Querruderausschläge größer und der Ruderdruck höher. Weil die Querruder aber sehr wirksam sind, habe ich Paulo gebeten, die Hebelverhältnisse zu ändern.

Foto: Raphael Brescia
Gúnar Armin Halboth: „Ich habe noch nie Pisten benutzt, die schmaler als 30 Meter sind“

Nun haben wir weniger Ruderausschlag und -druck. Eine heikle Angelegenheit bei schnellen Flugzeugen ist die Höhenruderansprache. Bei niedrigen Geschwindigkeiten fühlt sich ein Muster wie die RV-6 gut an. Aber stell dir vor, sie mit mehr als 260 Knoten zu fliegen! Es wäre praktisch unmöglich, hohe g-Kräfte zu vermeiden. Wir haben eine sehr einfache elektrische Federtrimmung entwickelt, die erhöhten Zug aufbringt, wenn man für hohe Speeds kopflastig trimmt. So bleibt die Steuerkraft bei Lasteinwirkung zwischen 75 und mehr als 300 Knoten nahezu konstant. Das Seitenruder ist sehr leichtgängig, vielleicht nicht ganz ideal, aber da braucht nichts geändert zu werden. Insgesamt gefällt mir das Handling sehr gut.

Landungen sind eine Herausforderung, vor allem weil Anequim einfach nicht langsamer werden will. Nach vorn siehst du weniger als in einer Pitts oder Christen Eagle vom vorderen Sitz. Im Landeanflug ist die Tragfläche fast exakt auf Höhe des Horizonts, sodass man ihn als Referenz verliert. Mit ausgefahrenen Klappen bin ich über der Schwelle gern schneller als 85 Knoten, meistens sind es sogar über 95, aufgesetzt wird mit zirka 72 Knoten. Dabei ist der Anflugwinkel natürlich flacher, als man es so gewohnt ist. Bisher habe ich keine Radlandungen versucht. Die Propellerfreiheit ist sehr klein (der große Drei-Blatt-Steigpropeller frisst sie komplett auf), und ich habe das Gefühl, dass mich das steife Fahrwerk wieder in die Luft kicken würde. Für die Richtungskontrolle braucht man die Bremsen nicht, allerdings schon, um zum Stillstand zu kommen.

Foto: Marcio Jumpei
Cockpitsicht? Bei Start und Landung sieht der Pilot nach vorn nichts. Doch nur in Dreipunktlage ist die Propellerfreiheit halbwegs okay

Da die Körperlage sehr flach ist, flacher als in einem Segelflugzeug, muss ich die Gurte richtig straff ziehen, um mich beim Bremsen nicht nach hinten zu schieben. Uns ist gar nicht bewusst, wie viel Halt eine normale Rückenlehne gibt! Falls es irgendetwas gibt, das bei Anequim besser ist als die Speed, dann ihre Zuverlässigkeit. Erst ein einziges Mal sind wir zum Flugplatz gefahren und dann nicht geflogen – was an einer toten Batterie lag. Der Flieger wird immer noch weiterentwickelt, aber seine Qualitäten sind schon ziemlich zufriedenstellend. Wir sind sicher, dass wir alle Rekorde, die wir bereits aufgestellt haben, noch verbessern können.“

Text: Ken Scott; Fotos: Raphael Brescia, Marcio Jumpei, UFMG; fliegermagazin 12/2015

Technische Daten
Anequim
  • 5,99 m
  • 4,74 qm
  • 5,28 m
  • 1,12 m
  • 315 kg
  • 500 kg
  • 100 l
  • Lycoming O-360, getunt von Sky Dynamics/ ca. 280 PS
  • Catto, fest, Holz-Composite, 2-Blatt für Speed, 3-Blatt für Steigzeit
  • 800 m
  • 900 m
  • 4200 fpm (21,34 m/s)
  • www.faceboob.com/anequimproject
  • Video vom Erstflug: https://vimeo.com/ 112598730
Schlagwörter
  • Rennflugzeug
  • Flächeninhalt
  • Anequim
  • Universidade Federal de Minas Gerais
  • UFMG
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  • Makrelenhai
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  • Luftfahrttechnik
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  • elektrische Federtrimmung
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