Entwurf, Simulation und Bau von Hydrofoil-Ski für Kitesurfing (Studienarbeit 2007 )
Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Hydrofoil-Wasserski entworfen, untersucht und gebaut, die ähnlich einem Tragflächenboot mit im Wasser liegenden Tragflächen sehr widerstandsarm fahren.
Für niedrige Geschwindigkeiten beim Anfahren unterstützt eine kleine klassische Wasserski-Gleitfläche die Auftriebserzeugung, die sich dann bei höherer Geschwindigkeit aus dem Wasser hebt.
Angewendet werden sollen die Skier bei der Sportart Kitesurfing, bei der der Fahrer von einem Zugdrachen durch Windkraft gezogen wird.
Das Potential des Hydrofoil-Systems liegt in dem deutlich verringerten Widerstand gegenüber heute üblichen Kitesurf-Boards, was höhere Geschwindigkeiten bei gleichen Wind zulässt, besseres Kreuzen gegen den Wind, sowie die untere Windgrenze zur Ausübung des Sports deutlich senkt.
Zuerst wurden die Anforderungen und Zielsetzungen an die Hydrofoil-Skier geklärt, u.a. bzgl. zu erreichender Fahrleistungen, Fahrergewicht und maximal akzeptabler Strukturmasse. Da im Leichtwindeinsatz die Widerstandeinsparung eine besonders große Rolle spielt, erfolgte die Auslegung besonders auf Leichtwindbedingungen hin orientiert.
Zur Analyse der Fahrleistungen wurde ein Simulatonstool erstellt, das es ermöglicht, in Abhängigkeit der Geometrieparameter die Zielgrößen, v.a. fahrbare Geschwindigkeiten, und fahrbare Kurse zu berechnen.Dieses Simulationstool ermöglicht es damit die Geometrieparameter zu variieren und möglichst optimal zu wählen. Als Grundlage zur Erstellung des Simulationstools erfolgte zunächst eine ausführliche Betrachtung der Mechanik des Kitesurfens. Hier lassen sich bereits grundlegende Zusammenhänge erkennen.
Das Simulationstool ist dabei allgemein parametrisch aufgebaut und kann grundsätzlich für jedes beliebige von einem Zugdrachen angetriebene Fahrzeug benutzt werden. Es müssen hierzu nur jeweils die charakteristischen Eigenschaften des Zugdrachens bzw. des Fahrzeugs als Datensatz vorliegen.
Die Modellierung des Hydrofoilsystems erfolgte basierend aus Polaren-Abschätzformeln aus dem Flugzeugentwurf. Diese ermöglichen ausgehend von simulierten 2D Profildaten mit dem Programm X-Foil eine Gesamtpolare abzuleiten. Das Zugdrachen-System wurde basierend auf Messungen der maximalen Gleitzahl modelliert, d.h. eine vereinfachte Auftriebs-Widerstands-Polare zu Grunde gelegt.
Stehen für einen Zugdrachen oder ein beliebiges Wasser- oder Landfahrzeug genauere und ausführliche Messdaten zur Verfügung, z.B. aus Windkanalmessungen, können diese ebenfalls für das erstellte Simulations-Tool verwendet werden. Es sind damit alle relevaten Zustandsgrößen bei stationärer Fahrt berechenbar.
Mit den optimierten Geometrieparametern aus der Simulation wurden die Hydrofoil-Skier konstuiert und die Struktur ausgelegt. Für die Hydrofoil-Tragflächen und den Kiel wurden Windsurf-Finnen passender Geometrie und Bauweise als Zukaufteile ausgewählt. Alle Verbindungselemente, Verstärkungen aus Glas-/Kohlefaser-Halbzeug etc. wurden eigens konstruiert und dimensioniert. Der Aufbau der Skilauffläche erfolgte als einfache Sandwich-Leimholzkonstruktion mit lokalen Verstärkungen. Unbekannte Werkstoffdaten wurden in Bruchversuchen ermittelt.
Im Praxistest konnten die Hydrofoil-Ski bereits ohne jegliche Modifikationen erfolgreich gefahren werden. Die Fahrleistungen bei wenig Wind übertrafen ein marktübliches Kitesurfboard deutlich. Es konnte durch den geringeren Widerstand mit deutlich kleineren Zugschirmen, bzw. schon bei weniger Wind überhaupt gefahren werden und dabei besser gegen den Wind gekreuzt werden.
Die Testfahrten incl. Kitehandhabung, Wasserstart etc. wurden in einem Präsentations-Video zusammengestellt.
Für ein kommerziell vermarktungsfähiges Produkt sollten die Hydrofoil-Ski noch einfacher zu fahren sein, sowie die Handlings-Problematik des Ski An- und Ausziehens (Bindungssystem etc.) noch besser
gelöst werden. Es besteht jedoch noch viel Verbesserungspotential des ersten Prototypen, sowohl in der Konstruktion, als auch in den Bauweisen.
