In diesem Beitrag soll alles relevante (und irrelevante *g*) Wissen zu den Themen Spitze, Finnen und Aerodynamik übersichtlich präsentiert werden.
Dieser Beitrag erhebt keinenfalls den Anspruch darauf, alles Wissen des Forums zu vereinen, sondern soll nur als erste Anlaufstelle dienen, um die häufigsten Fragestellungen abzudecken und einen Ansatzpunkt für eigene Recherchen und Ideen zu bieten.

Zu den einzelnen Unterpunkten kann man über die folgenden Links kommen, die Reihenfolge der einzelnen Posts muss dabei nicht der Reihenfolge der Links entsprechen (z.Bsp bei Nachträgen!). Am einfachsten ist die Navigation also über die folgenden Links, viel Spaß bei der Recherche!

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Markus

Inhalte in diesem Beitrag:

Aerodynamik:

-Worum geht es bei der Aerodynamik und was will die Aerodynamik überhaupt von mir?
-Druckpunkt, Schwerpunkt: Wann fliegt eine (Wasser-)Rakete stabil?
-Punktlandung: So lokalisiere ich Druck- und Schwerpunkt
-Backglider: Eine kleine Spielerei mit der Physik und vielen Punkten
-Wider dem Luftwiderstand: Wie fliegt meine Rakete höher?

Spitze:

-Für was brauche ich eine Spitze und wie kann sie aussehen?
-Spitzfindig: welche Spitze ist für mich geeignet?
-Herstellung von Spitzen: eine Übersicht
-Spitzen aus Pappmaché, by Scorpion_XIII
-Spitzen schrumpfen à la Robby2001, by Scorpion_XIII

Finnen:

-Finnen? Was wollen die an meiner Rakete?
-Finnenanzahl: Warum mindestens drei?
-Material, Formen und Farben: Was ist geeignet?
-Montage: Techniken und Hilfsmittel zum Befestigen der Finnen.

To Be Continued!

Fast fertig ... Vorschläge für Inhalte, Kritik, oder freiwillige Schreiber sind dennoch herzlich Wilkommen!
@Freestyle-Gewinner: Wollt ihr nicht vielleicht ne Kleinigkeit über den Kampf gegen den Luftwiderstand schreiben?

Geändert von MarkusJ am 30. September 2009 um 19:41

Die Aerodynamik, beziehungsweiser der für uns relevante Teil von ihr, versucht das Verhalten von "von Körpern in kompressiblen Fluiden" (Zitat:Wikipedia), bei uns also in der Luft, zu beschreiben.

Kurz gesagt: Sie hilft uns, das Flugverhalten unserer Raketen in der Luft zu verstehen und somit auch in gewissen Grenzen vorauszuberechnen.

Dementsprechend geht es in diesem Abschnitt darum, welche Anforderungen die Umwelt an unsere Raketen stellt, damit jene so fliegen, wie wir es möchten.

So beeinflusst sie unter anderem die folgenden Punkte:

• Flugstabilität
  
• Flughöhe und Geschwindigkeit
  
• Verhalten von manchen Bergungselektroniken
  
• Verhalten der Bergung selbst
  

Stabilität und Flughöhe werden später noch behandelt, aber noch ein kleiner Kommentar zu Bergung:
Bergungselektroniken wie z.Bsp der SALT messen den Luftdruck, um daraus die Flughöhe zu errechnen. Das setzt voraus, dass der Drucksensor in einer Lage eingebaut wird, in der keine Verfälschungen auftreten können, wie etwa bei unregelmäßig geformten Raketen. Denn jeder Querschnittsänderung wirkt sich auf den dort anliegenden Druck aus ...
Zum Zweiten basiert die Bergung selbt auf die Aerodynamik ... Fallschirme, Strömer und was es noch alles gibt (->Bergung) basieren auf den Gesetzen der Aerodynamik ...

Egal was wir mit unseren Raketen machen, sie gehorchen immer den Gesetzen der Aerodynamik, die wir deshalb bei unseren Planungen immer mit einbeziehen müssen!

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Geändert von MarkusJ am 15. August 2007 um 16:13

Hallo und Herzlich Willkommen beim wohl unerklärtesten Thema der Wasserraketenphysik.
Abhängig davon, ob man es sich leicht oder schwer Macht, kann das Thema Stabilität einer Wasserrakete bis ins Extremste ausdiskutiert werden, ohne dass man zu einem Ergebnis kommt.
Denn die Theorie und die Praxis differieren hier "etwas" ... wer sich mit dem Thema auseinander setzen möchte, kann das hier tun.
Zudem gibt es hier und hier sehr trockene Diskussionen über das Thema Flugstabilität (Achtung, Smokerzone ).

Für alle andern in Kürze das Kochrezept für eine stabile (Wasser-)Rakete:
Der Schwerpunkt soll mindestens ein Kaliber vor dem Druckpunkt liegen.

Nochmal auf Deutsch? Gerne:
Der Schwerpunkt (Punkt an dem man die Rakete aufhängen könnte, ohne dass sie kippt) soll ungefähr ein Raketendurchmesser (Kaliber) vor dem Druckpunkt (Punkt an dem die Kraft seitlich anströmender Luft ansetzt) liegen.

Als Maßstab nimmt man dabei die leere Wasserrakete. Und jetzt die gute Nachricht an alle, denen das zu komplex ist: eine (große) Wasserrakete ist eigentlich von Natur aus staibl. Der Grund: Mit Spitze und Bergungssystem hat sie einen recht hoch liegenden Schwerpunkt ... mit einem ordentlichen Leitwerk ist also eigentlich alles in Butter.
Wer die Stabilität seiner Rakete "trocken" Testen möchte, kann um den Schwerpunkt eine Schnur befestigen und die Rakete im Kreis schwingen ... trudelt sie bei einer ausreichenden Bahngeschwindigkeit, ist sie instabil und braucht in der Regel etwas mehr "Kopflastigkeit".

Noch einmal zum Druckpunkt: In der Physik vereinfacht man sich Betrachtungen und Rechnungen darurch, dass man Kräfte die auf eine Fläche wirken, in einem Punkt zusammenfasst. Hier geht es um die Kraft, die anströmende Luft auf die Rakete ausübt. Eben dieser Punkt ist der Druckpunkt. Ihn kann man nach verschiedenen Methoden ermitteln, bekannt sind u.a. die Schattenrissmethode und die Methode nach Barrowman.
Genauere Erläuterungen kommen vielleicht später noch, fürs erste möchte ich auf dieses Programm verweisen, welches euch diese Arbeit abnehmen kann.

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Geändert von MarkusJ am 03. Oktober 2007 um 18:37

So, für alle, die es einfach nur Interessiert sind, oder aber so verrückt, sich die folgenden Inhalte "reinzuziehen":

In der Physik vereinfacht man Probleme dadurch, dass man Körper etc. auf einen/mehrere charakteristische und verhaltensbestimmende Punkte reduziert. Man könnte bei der Berechnung der Schwerkraft die Kräfte für jedes einzelne Atom bestimmen ... das macht aber niemand, weils eine Wahnsinnsarbeit ist und wir heute noch in der Steinzeit wären, wenn wir so arbeiten würden.
Deshalb hat man festgestellt: Hey, wenn wir den "Mittelpunkt" finden, können wir das ganze so betrachten, als ob wir nur einen Punkt mit dem Gesamtgewicht unseres Objektes hätten ... der Schwerpunkt.
So wie der Mittelpunkt räumlich gesehen in der Mitte liegt, liegt der Schwerpunkt schweremäßig gesehen in der Mitte und hat so eine neutrale Position inne.

Zitat:

---

Wikipedia hat geschrieben

Im Sinne der klassischen Mechanik ist der Schwerpunkt der Punkt, an dem die Masse des Körpers die gleiche Wirkung auf andere Körper hätte, wenn sie in diesem Punkt vereint wäre. Umgekehrt kann man die Gravitation, die auf alle Massenpunkte des Körpers wirkt, durch eine einzige Kraft darstellen, die im Schwerpunkt angreift.

---

Wie ermittle ich nun den Schwerpunkt? Wie schon erwähnt, kann man es sich einfach machen und den Punkt ermitteln, in dem die Stelle sucht, an der man die Rakete "aufhängen" kann, ohne dass sie nach vorne oder hinten kippt.

Mit dem Druckpunkt sieht die Sache schon etwas komplexer aus:
Zur Bestimmung des Druckpunktes gibt es zwei Verfahren, zum einen die einfache Schattenrissmethode, zum anderen die wesentlich komplexere Technik nach Barrowman.

Zuerst mal der Schattenriss: Wenn eine Rakete nach der Schattenrissmethode stabil ist, ist sie es in der Regel auch nach Barrwoman und erst recht in der Praxis.
Neben dem mathematischen Weg (auf den ich jetzt nicht eingehen werde) gibt es die praktische Variante: Man schneidet den Schatten, den die Rakete von der Seite auf einen Karton wirft aus und versucht den Punkt zu finden, an dem der Schattenriss ausbalanciert ist. Gestatten, der Druckpunkt!

Nun muss man allerdings dazu sagen, dass diese Schattenrissmethode eben von der irrigen Annahme ausgeht, dass die Rakete QUER fliegt. Da freilebende Raketen das in der Wildbahn eher weniger tun und der Anstellwinkel gegen der "Fahrtwind" normalerweise deutlich geringer ist, gibt es die Berechnungen nach Barrowman.
Grundsätzlich ist zu sagen, dass eine Rakete, deren Druckpunkt nach der Schattenrissmethode ermittelt wurde, zwar stabil ist, aber die Finnen werden meist überdimensioniert sein.

Ich werde mich jetzt aber nicht noch mit der Barrowman-Methode auseinandersetzen, sondern verweise hiermit auf diesen Thread und die Jugend forscht-Arbeit von Oliver Arend.

Wer im Forum stöbert, wird vielleicht über Abkürzungen wie CG, CLA oder BCP stoßen, die (englische) Abkürzungen für die o.g. Punkte sind:
CG: Center of Gravity - Schwerpunkt
CLA: Center of Lateral - Druckpunkt nach der Schattenriss-Methode
BCP: Barrowman Center of Pressure - Druckpunkt nach der Barrowman-Methode

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Geändert von MarkusJ am 30. September 2009 um 19:33

Nun, jetzt kommen wir wohl zum interessantesten Teil dieses Unterabschnittes: Schneller, höher, und weiter können unsere Raketen nur fliegen, wenn wir auch Rücksicht auf die Aerodynamik und den den aus ihren Gesetzen resultierenden Luftwiderstand nehmen.
Um das zu erläutern, greife ich jetzt einfach mal auf die Formel für durch Luftwiderstand hervorgerrufene Kräfte zurück:
F = cw * A * 0,5*roh*v^2

Der cw-Wert ist der Luftwiderstandsbeiwert und eine Konstante, die Abhängig von der Körperform und Oberfläche ist. Diesen Wert können wir durch eine aerodynamische Spitze, schlanke Finnen, saubere Lackierung etc. beeinflussen.

A steht für die Grundfläche des Körpers, die der anströmenden Luft ausgesetzt ist, also das, was wir sehen würden, wenn wir eine Rakete von oben beleuchten und den Schatten betrachten. (Vorausgesetzt, die Lichtquelle würde sich in unendlicher Entfernung von der Rakete befinden ... aber das nur am Rande)

roh soll eigentlich das griechische Zeichen Roh sein, welches in der Physik die Dichte des umströmenden Stoffes, hier Luft, ausdrückt.

Und v ist die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Umgebung und Rakete (faktisch also die Geschwindigkeit der Rakete).

So, wie bekommen wir nun eine hohe Flughöhe? Indem wir diese Kraft so gering wie möglich halten!
Daraus resultiert: Wir müssen den cw-Wert und die Fläche unserer Rakete so gering wie möglich halten. Zusätzlich bringt eine lange Brenndauer bei niedriger Geschwindigeit ebenfalls eine Reduktion der einwirkenden Kraft.
Aber Achtung! Hier muss berücksichtigt werden, dass wir irgendwo einen optimalen Geschwindigkeitswert haben, werden wir zu schnell, bremst der Luftwiderstand, sind wir zu langsam, nimmt die Schwerkraft zusätzliche Schubkraft in Anspruch!

evtl. kommt hier noch eine Formel zur Berechnung der optimalen Fluggeschwindigkeit hin

Genug der grauen Theorie, nun einige praktische Tricks!
Für den Unterschallbereich ist eine parabolische, elliptische oder ogive Spitze die beste Spitzenform.
Dünnen Finnen verringern deren Luftwiderstand beim Geradeausflug.
Ein schlanker Raketenkörper ist natürlich aerodynamischer wie ein dicker.
Unregelmäßigkeiten verursachen Wirbel und bremsen somit.
Weiche Übergänge statt harter Kanten sind ebenfalls besser.
Eine glatte Oberfläche (Lack, Politur) sollte auch einen Bonus bringen.
Immer wichtig: Das Gewicht sollte möglichst gering sein!

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Geändert von MarkusJ am 03. Oktober 2007 um 15:20

Ja, das ist eine sehr gute Frage ... und die Antwort ist noch besser: prinzipiell gar nicht!
Bevor man mich jetzt kreuzigt ... am oberen Ende der Rakete kann alles mögliche sein ... ein Brett, ein offenes Rohr etc.
Die Rakete würde fliegen, zwar weder schnell noch hoch, aber sie würde fliegen!
Da wir aber schnell und hoch fliegen wollen, setzen wir als Sahnehäubchen eine Spitze auf unsere Rakete. Deren Zweck ist es, den Luftwiderstand der Rakete so minimal wie möglich zu gestalten, je besser die Spitze, desto besser die Werte für Flughöhe und -Geschwindigkeit.

So, wie kann so eine Spitze nun aussehen? Dafür gibt es schier unendlich viele Antworten. Es kann sich sowohl um einen Tennisball handeln, als auch um eine nach aerodynamischen Gesichtspunkten entworfene, ultraleichte CFK/GFK-Spitze handeln.
Es ist (fast) alles erlaubt, was die Aerodynamik besser macht (manchmal kann auch der gegenteilige Effekt gewünscht sein, aber das ist sehr selten).
Zu diesem Zweck wird man eine möglichst glatte, leichte und spitz zulaufende Spitze wählen.
Einige Beispiele, wie eine Spitze aussehen kann:

Diverse Spitzen in der Diskussion zum Baubericht "New Home" by CharlyMai
Ungewöhnliche Spitze: Baubericht "Meine 2 Rakete die gelbe"

Und noch ein Bild von The big launch und tommy timer:


Um es zusammenzufassen: als Spitze kommt alles in Frage, was die Flugeigenschaften der Rakete verbessert, ohne dabei eine potentielle Gefahr (durch metallische Spitzen etc.) darzustellen

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Geändert von MarkusJ am 03. Oktober 2007 um 15:21

Nun ja, am besten mache ich hier mal eine kleine Sammlung mit den "gängigen" Spitzenformen und deren Vor- und Nachteile (zum Großteil aus dem Glossareintrag von Andreas Hader/Oliver Arend entnommen):

Spitzenform Kreisauschnitt:
Diese Spitzenform wird durch einem Kreisauschnitt beschrieben. Der Mittelpunkt des Kreises liegt weit außerhalb der Raketenachse auf der Höhe des Überganges zum Körperrohr. Dabei entsteht keine Kante. Der Vorteil dieser Spitzenform ist die Einfachheit der Herstellung.
+Der Herstellungsaufwand ist minimalst ... (Tennisball!)
-Die Aerodynamik ist ... naja ... nicht so toll.

Spitzenform Kegel:
Diese Spitzenform ist die einfachste Form. Da hier eine Kante zwischen Körperrohr und Spitze entsteht, ist der cw-Wert nicht optimal. Diese Form eignet sich am besten für Spitzen aus Papier.
+Einfach zu bauen.
-Naja ... nur bedingt optimal.

Spitzenform ogive:
Diese Spitzenform wird durch einem Kreisauschnitt beschrieben. Der Mittelpunkt des Kreises liegt weit außerhalb der Raketenachse auf der Höhe des Überganges zum Körperrohr. Dabei entsteht keine Kante. Der Vorteil dieser Spitzenform ist die Einfachheit der Herstellung im Vergleich zu den etwas besseren elliptischen oder parabolischen Bauweisen.
+Gute Aerodynamik, geringer Herstellungsaufwand im Vergleich zu parabelförmigen oder elliptischen Spitzen
-Schwer herzustellen (schrumpfen/schleifen)

Spitzenform elliptisch:
Diese Form besteht aus einer halben Ellipse. Eine kurze elliptische Spitze ist die ideale Form für Flüge im Unterschall.
+Beste Aerodynamik im für uns relevanten Bereich
-Schwer zu bauen (schrumpfen/schleifen)

Spitzenform parabolisch:
Diese Form wird durch eine Parabel beschrieben. Hierbei entsteht am Übergang zum Körperrohr eine Ecke. Der cw-Wert ist mit dem der elliptischen Spitze vergleichbar.
+Gute Aerodynamik
-Schwere Herstellung (schrumpfen/schleifen)

Weitere Informationen und Bilder gibts im englischsprachigen Wikipedia-Artikel Nose Cone Design

Meine Schlussfolgerung aus dem ganzen Kladderadatsch:

• Schnell und einfach ist die konische spitze (Kegel). Leicht herzustellen, mit einem guten Aufwand/Nutzen-Verhältnis.
  
• Noch einfacher, dafür aber mit einem geringeren Nutzen ist nur der Tennisball (Halbe Kugel)
  
• Wer mehr will, der sollte gleich zur ogiven Spitze greifen, bei den "fortgeschrittenen" Spitzen ist diese noch am einfachsten herzustellen (Da die Schleifschablone "nur" ein Kreissegment mit großem Radius ist)

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Geändert von MarkusJ am 02. Oktober 2007 um 14:17

Ja, nachdem ich nun lang und breit über Spitzenformen referiert habe, schreiten wir nun zur Tat.

Es gibt für den geneigten WasserRaketeur verschieden einfache und effektive Methoden:

• Den Tennisball: Aufschneiden, aufkleben, fertig ... und wird hier nicht näher erläutert.
  
• Die konische Spitze
  
• Spitzenherstellung durch schleifen/drehen
  
• Spitzenherstellung durch schrumpfen

Die konische Spitze:
Ist relativ einfach zu bauen ... das Material der Wahl (Papier, Karton, dickere Plastikfolie o.ä.) mit den geeigneten Mitteln auf die größe der Mantelfläche "zurechtstutzen" und dann in Kegelform zusammenkleben.
Fertig!

Spitzenherstellung durch schleifen/drehen:
Jaaa, jetzt fängt die Sauerei erst richtig an ... Feinstaub ist nichts gegen das, was hierbei produziert wird
Bevor sich der Spaß jetzt aber in die Länge zieht, mache ichs kurz und gebe weiter an Paul und Tom, die im Archiv hervorragende Anleitungen zu diesem Thema veröffentlicht haben!
Archiv, Section: Raketen im Eigenbau: "Raketenspitzen aus Styrodur", by Tom & "Spitzen nach Maß aus Balsaholz", by Paul Stania

Der Nachteil bei dieser Technik ist, dass ihr das ganze Prozedere für _jede_ Rakete wiederholen müsst ... die alternative für alle, die ihre Werkstatt nicht in Bergen von Holz/Styrodur/Expxy/Spachtel-Staub untergehen sehen wollen, kommt nun die Alternative:

Spitzenherstellung durch schrumpfen:
Zuerst einmal für alle die gehofft haben, komplett ohne Staub auszukommen: Pech gehabt.
Denn diese Technik benötigt zuerst einmal eine Form, auf die die Flaschen dann geschrumpft werden können. Und die wird *Trommelwirbel* nach Pauls Holzspitzenmethode hergestellt. Zu beachten ist bei der Herstellung der Form, dass man die Dicke der PET-Flasche noch mit einbeziehen sollte!
Hat man dann eine Holzform, so wird einer Flasche der Boden genommen.
Die Flasche wird dann über die Holzform gesteckt, wobei man darauf achten sollte, dass die Holzform unten noch herausschaut.
Sinnvoll könnte es sein, die Flasche und die Holzform (welche möglichst glatt sein sollte), mit Fett oder einem anderen Mittelchen, einzuschmieren/sprühen, um zu verhindern, dass man die Flasche später nicht mehr von der Form abbekommt.
Daraufhin wird die Flasche vorsichtig und gleichmäßig auf die Form geschrumpft, in der Regel greift man dazu auf ein Heißluftgebläße zurück. Dabei sollte man darauf achten, dass der Schraubverschluss unversehrt bleibt!
Mit diesem wird nämlich, nachdem man das Werk vollendet hat und alles abgekühlt ist, die Form aus der Spitze herausgepumpt.
Nun nur noch den oberen Teil abschneiden, mit einem kleinen Styrodur/Holzpropfen verschließen und diesen in Form schleifen ... fertig!
Noch ein Bild von Robby2001 welches eine Holzform mit aufgeschrumpfter Flasche zeigt: Link

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Geändert von MarkusJ am 03. Oktober 2007 um 15:07

Und nun von der Spitze zum anderen Ende der Rakete. Dem Leitwerk, den Flossen, den Finnen, oder wie auch immer man sie sonst nennen mag.
Wie man den Erläuterungen hier entnehmen kann, muss der Druckpunkt hinter dem Schwerpunkt liegen ... tut er das nicht, gibt es zwei Möglichkeiten:

a) Schwerpunkt rauf (ungünstig, da schlecht für die Flughöhe) oder
b) Druckpunkt runter (günstiger, da nur ein leichtes Leitwerk benötigt wird)

Was macht also der geneigte Raketeur? Er setzt sich Finnen an die Rakete, möglichst so groß, dass sie die Stabilität der Rakete sichern, aber nicht viel größer, weil sie ansonsten die Rakete überstabil machen und zudem unnötiges Gewicht darstellen.

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Nun, das ist einfach zu erklären. Man stelle sich eine Rakete mit ...

• einer Finne vor: was passiert, wenn Seitenwind kommt? Richtig, die Finne wird sich einfach wie ein Wetterhahn in die Windrichtung drehen.
  
• zwei Finnen in gegenüberliegender Befestigung vor: In einer Richtung kann das Leitwerk jetzt seine Aufgabe erfüllen, aber was ist, wenn die Rakete sich so dreht, dass der anströmende Fahrtwind _parallel_ zu den Finnen strömt? Nichts, die Rakete wird nicht stabilisiert. Das wäre nur möglich, wenn sich die Rakete um die eigene Achse drehen würde.
  
• zwei Finnen in einem Winkel von 90° zueinander vor: rein theoretisch würde eine Rakete mit dieser Anordnung stabil fliegen können ... die Finnen müssten aber relativ groß sein, evtl. würde der Schwerpunkt nicht mehr mittig sitzen, und vor allem: wenn wir mal ehrlich sind, sieht es doch einfach nur bescheiden aus, oder?
  
• drei Finnen in einem Winkel von 120° zueinander: Das ist die erste gleichmäßige Kombination, die funktioniert und auch noch gut aussieht. Wenn man die Rakete von der Seite betrachtet und um die eigene Achse dreht, sieht man immer mindestens zwei Finnen => von jeder Seite wirkt die Stabilisierung.
  
• mehr als drei Finnen vor: Mit jeder weiteren Finne steigt die Fläche, die man von der Seite sieht ... aber leider auch die Masse ... deshalb gelten mehr als vier Finnen eher als unwirtschaftlich.

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Geändert von MarkusJ am 03. Oktober 2007 um 15:16