Schempp-Hirth Arcus E

Med enhver prototype lærer man noget om udvikling, materialer og teknologi; Schempp-Hirth og Langes joint-venture omkring prototypen Arcus E var ikke uproblematisk, og man forsøgte måske at strække den tilgængelige teknologi for langt. Men resultaterne af dette pionerarbejde er interessante, selv her år efter flyets debut. Her er et glimt af fremtiden for elektrisk selvstart.

Tekst: Aldo Cernezzi / Fotos: Bernd Weber, Jean-Marie Clement og Aldo Cernezzi

Schempp-Hirth Arcus E
NORDIC GLIDING MENER

+ Handling og performance
+ Interessant E-SLG-koncept
+ Enkel håndtering
+ Høj motorperformance

– Potentielt dyre reparationer og opgraderinger
– Batterikapacitet kunne være bedre

En standard-Arcus, men E-versionen kan spottes på de enormt lange klapper (åbning) over motoren i fuselagen. Motorklapperne er lukkede i luften når motoren kører. EM42-motoren var den første el-motor til at få EASA-certificering. Propellen er udviklet specielt tll elektrodrift og er monteret direkte på motorens eksterne rotor.
Propeldiameteren på 2 meter resulterer i langsom rotation, høj effektivitet og lavt støjniveau.

 

Med over 500 byggede var 20-meteren Duo Discus en kommerciel succes, men det hindrede ikke Schempp-Hirth i at fundere over en evolution af denne model med kodenavnet ”Janus 2”, eller ifølge insidere ”Duo-Ventus”. Navnet ”Arcus” blev endeligt fastlagt ud fra den karakteristiske vingeform.

En øget performance ud fra en given spændvidde er altid resultat af højere wingloading (højere vægt og/eller mindre korde og vingeareal), tyndere profiler og optimeret aerodynamik. Den valgte vingeprofil skal kunne klare de øgede belastninger i virkeligheden, stige godt i termikken, men på samme tid have lav følsomhed (känslighet, red.) overfor turbulens og insekter /regn på forkanterne.

Listen med alle disse egenskaber var ”checked” i 2007, og produktionen af Arcus startede i 2008. Det var også klart, at fuselage og vingestruktur var bygget med SLG-potentiale i tankerne – noget som aldrig var muligt for Duo Discus-kunderne, som ”bare” disponerede over en turbovariant.

LÆS OGSÅ: NG tester Arcus M 2020-edition

Det er nu muligt at vælge Arcus i 3 varianter, en ren ”glider” uden motor – ikke mange er byggede, men det er muligt, en turboversion kaldet Arcus T og en selvstartsversion; Arcus M. Men der findes også en ”uofficiel” 4. variant, nemlig Arcus E, som er konstrueret i joint-venture med Lange (ligesom vingen til 23-meteren Quintus) og som drives af batteri og motor fra Antares. Men hvordan flyver en Arcus E? Er den for tung? Hvordan håndterer den svage forhold? Det skal vi svare på, men lad os først se på detaljerne.

En Arcus er skøn at se fra alle vinkler – uanset motorvalg.

Eksteriør
Hvilken som helst Arcus er en skønhed. Jeg ved, at det er fuldstændigt subjektiv æstetisk vurdering, men jeg synes, at de nye vinger er perfekt anpassede til den klassiske fuselage, som er næsten identisk med Janus C og Duo Discus.

Med indfældet motorpylon er den eneste forskel på varianterne størrelsen på lugerne over motoren. E-varianten har de længste luger, fordi propellen med 2 meters diameter er enorm. E-varianten også den Arcus som har det mest raffinerede og moderne look; Elektromotoren er ganske lille – en cirkel med et stort hul i. Vidunderet er komplet når man giver ”gas”; en svag summende lyd ledsages af store mængder luft som flyttes bagud af propellen. Utroligt!

 

Vægt og dimensioner
Standard vingebelastningen på en Arcus er 51 kg /m2 ved 800 kg, men på grund af motor/batterisystemet på Arcus E er tungere end vanlige modeller, er maks.startvægt øget til 810 kg og 51,9 kg /m2. Den nyere konkurrent i 20-meter ASG 32 har et næsten identisk vingeareal, men den højere vægt på 850 kg giver en vingebelastning på 54 kg /m2.

E-systemet på Arcus vejer 162 kg, hvilket giver 196 kg til de to piloter og udstyr. Dette er acceptabelt, men sikkert ikke nok for alle piloter, og jeg tror også, at vi var noget over MTOW under vores testflyvninger.

Af de 162 kg er 65 kg placeret i fuselagen (motor og systemer), 48 kg er i hver vinge (batterier monteret i forkanten). Hver vinge vejer nu 146 kg, så fabrikken har inkluderet en meget praktisk og robust monterings-stativ (Wing rigging device) til vingerne. Hvis du har masser af tid og ingen venner er det faktisk muligt at montere Arcus E uden hjælp. Men det er klart en fordel med flere hænder.

 

Dimensioner på vingen og de 5 profiler som er anvendt i vingen. En bonus til vores RC-model-venner!

 

Laminart flow forlænget til 95 % som demonstreret ved placering af turbulator-strippen. Der er installeret mylar tætninger med teflon-bånd for at reducere friktion i styresystemet. Der er ingen bugwiper-garage

 

Det elektriske koncept
Axel Lange er en visionær ingeniør som kvittede jobbet hos Glaser-Dirks (nu DG) for at etablere en ny virksomhed og markedsføre elektrisk flyvning. Villy Balz er en tysk entreprenør som accepterede den risiko som det er at købe en uprøvet prototype som Arcus E.

Balz ejede dengang det grønne energiselskab WindReich, og konceptet var et fint match for et elektrisk fly som Arcus E. På taget af Cobra-traileren er der monteret mange solpaneler og desuden kan en mobil vindturbine rigges under parkering. Resultatet er fuldstændig grøn flyvning. Balz ejer også en Jaguar E-type som er elektrificeret. Efter denne test har flyet fået ny ejer, men jeg takker Dr. Balz for muligheden.

LÆS OGSÅ: Portræt af Lange Aviation

Den børsteløse motor, batterierne, hydraulikken og elektronikken er det samme som i Antares-familien. Power output er også identisk, så maksimal højdevinding er 1.600 meter. Med en opgradering er der muligt at stige 300 meter ekstra – op til 2000 meter på gode dage, men denne ekstra energi skal anvendes inden for et par dage for at sikre batteri en lang levetid.

 

Arcus E har hentet sit motorsystem fra Lange Antares-familien, her en 20E. Cirka 90 typer med dette motorsystem er bygget oplyser producenten Lange.

 

En start koster bare 3 euro i strøm. Omkostninger til vedligehold burde være meget lave, da motoren er rated til 900 timer og batterierne burde holde i mindst 10 år. Det skal dog siges, at hard-og software-opgraderinger er temmelig dyre. Et komplet sæt batterier (72 stk) koster ca 23.000 euro (2014-pris).

Men batteripriserne synker kontinuerligt. Det er muligt at bytte enkelte celler ud i vingerne på fabrikken, men det burde bare være nødvendigt hvis spændingen kommer under et prædefineret niveau. Flyets computer vil vise piloten mange alarmer på cockpitdisplayet, hvis spændingen falder under starten, men Lange har besluttet at ikke inkludere en auto-stop-mekanisme, som ellers ville beskytte batterierne på bekostning af et uønsket og pludselig motorstop.

Hvis flyet er opmagasineret længere end 2 uger kan batterispændingen falde til under minimum, fordi en del af elektronikken er altid ”vågen”. Batterierne skal ikke være fulde når de opmagasineres, så det rekommenderes at køre motoren et par minutter før vinteren sætter ind. Varme er også et problem; høje temperaturer accelererer degraderingen af batteri-kemikalierne, så temperaturer over 35 grader skal man undgå.

Den specielle Cobra-trailer er isoleret af samme årsag. Der er intet problem med lave temperaturer. Det er altid muligt at starte og flyve, men under 20 grader C kan batterierne ikke umiddelbart levere fuld power. I dette tilfælde vil computeren foreslå at aktivere proceduren for batteri-opvarmning.
Opladning er via det indbyggede system, og en fuld opladning varer mellem 9-12 timer med 1700 watt-lader.

 

Det komfortable Arcus-cockpit.

 

Venstre side: Main engine control lever, trim (grøn), luftbremser (blå), flapsvælger (sort)

 

Cockpit højre side: Fleksibelt spejl, landingshjulsmekaniske, ventilation, nøgle og sikringer, emergency shut-off knap (rød), ballast-ventil.

 

E-livet er enkelt
Flyets manual er i store dele dedikeret til håndteringen af det specielle E-system. Der er meget at lære omkring operationer, forsigtighed, nødprocedurer og betydningen af alle advarsler (både visuelle warnings og gennem en syntetisk computerstemme). Flyet har en elektronisk check-liste og takket været en magnetisk sensor som korresponderer med flyets computer er det slut med potentielt farlige fejl som at glemme at låse luftbremser osv.

Når piloten har vænnet sig til dette system, bliver livet vældig enkelt. Overgangen til/og fra motorflyvning kontrolleres med bare 1 throttle-håndtag på venstre side af cockpittet. Alt andet er automatisk, inklusiv automatisk konfigurering af statisk tryk-switchen. Hvis der er strøm på batterierne, er der ikke meget plads til pilotfejl, men det skal selvfølgelig siges, at dårlig håndtering af batterierne kan bliver rigtig, rigtig dyrt.

Hovedcomputeren logger alle fejl for senere diagnose. Højdetabet under motorstart i luften er ca. 20 meter, hvilket ganske komfortabelt kan indhentes ved reduktion i glidehastighed (Fx fra 130 km/t til 100 km/t for motorstart).

En tysk entreprenør ejer 2 Antares og en Arcus E som udlejes til piloter både i Europa og Afrika, hele året og som flyver mere end 1000 timer tilsammen hvert år. Indtil videre har pålideligheden været fin, trods mange varierende piloter. (Lange siger, at systemet per 1. december 2017 har fløjet 100.000 timer og er monteret i 90 fly – heriblandt Antares 20E, Antares 23E og selvfølgelig også denne proof-of-concept-model som endeligt er markedsført som Arcus E., red.)

 

Full power take-off. På grund af det store moment fra motoren skal man ikke glemme at holde styrepinden fuldt tilbage, ellers risikerer man at flyet går på næsen.

Starten
Alle Arcus-modeller har hentet det styrbare halehjul monteret på sideroret fra Antares. Styreinput giver en umiddelbar, direkte og effektiv virkning. Selve konstruktionen virker robust og klarer hårde landinger, men hvis det udvikler sig til et groundloop kan man beskadige sideroret. Manualen foreskriver, at man holder styrepinden tilbage indtil rotation.

En vellykket start kræver, at man giver fuld power (43 kW) på den elektriske motor, holder styrepinden fuldt tilbage, holder neutralt sideror og venter på rotationen. (mange elektriske fly, fx Pipistrel Taurus Electro har så kraftig motor, at flyet går på næsen hvis man er uforsigtig med throttlesetting og styrepind under starten, red.) Bedste stigehastighed er 98 km/t. Ønsker man at økonomisere med energien kan man reducere power og Arcus E stiger herefter med 2 m/s. Som med alle svævefly kan man øge rækkevidde/endurance ved at anvende termikken og minimere power.

Er du i ønsket højde? Så er det bare at bevæge throttle hele vejen tilbage, mens du scanner himlen for termik. Undervejs liner propellen sig automatisk op ved små input fra motoren. Pylonen indfælder sig selv på mellem 12-16 sekunder, og der er ingen behov for en nedkølingsperiode, med mindre man har fløjet max. power hele vejen op.

Landingshjulet er Schempp-Hirth standard, ikke det elektro-hydrauliske system fra Antares. Det er simpelt og fungerer, givet at gasfjederen er korrekt dimensioneret og fungerer. Men det kræver også, at man griber om hjulhåndtaget med højre hånd roteret så tommelfingeren vender ned. Ellers skraber man huden af hånden på den grove cockpitfinish.

Restart under flyvning tager bare 8 sekunder fra beslutning til kørende motor. Det er bare at flytte power-lever frem og så klarer elektronikken resten, inklusiv en 2 sekunder opstartsfase hvor propellen langsomt og skånsomt øger sin kraft.

Når man tænker over, at vi startede med batterierne under 90 %, og at flyet var over max.vægt, så var startperformance ganske fortrinlig. Efter en start til 450 meter var batterierne ca. 50 %. Det er næsten nok til en start nummer 2. Ikke meget til at undgå en potentiel udelanding. Dette understreges også af, at en gruppe østrigske piloter som flyver i de ugæstfri Namibiske ørken-områder har besluttet sig for at bytte deres Arcus E til en M, på grund af netop den begrænsede rækkevidde efter en start. En anden løsning kunne være en klassisk flybugsering under starten for at bevare kapaciteten. Et område hvor en E har en fordel over en turbo er måske i pålideligheden under opstart i luften.

Restart under flyvning tager bare 8 sekunder fra beslutning til kørende motor. Det er bare at flytte power-lever frem og så klarer elektronikken resten.

 

Med en stor del af den ekstra masse nær fuselagen er roll-rate fx ganske fin.

Handling
Den øgede vægt har ikke nogen negativ påvirkning af de skønne flyveegenskaber som præger Arcus. Jeg har fløjet alle varianter ved varierende vingebelastninger, og jeg tror fuldt og fast på, at det er en fordel som med Arcus E at have mere masse nær eller i fuselagen, ikke på grund af roll rate (som altid er udmærket, meget bedre end gennemsnittet), men på grund af mindre inerti i længdeaksen (roll) end Turbo- modellen når den er tanket med vand til maks.vægt. E-versionen har derfor bedre ”feel” overfor ustabil luft end fuldtankede T-versioner.

Det er lettere at centrere termikken og i øvrigt manøvrere i fjeldområder. Selvfølgelig kan man ikke droppe vægten (og dermed batterierne) i svag termik (det ville blive dyrt i længden, red.), men jeg har set en Arcus E stige ganske udmærket på vanskelige dage under konkurrenceflyvning i Finland. På stærke dage er det bare de nyeste åbenklasse hotships som kan glide fra en Arcus E.

Landingsflap kan vælges med stor effektivitet i termik, hvor stor kontrol over hastigheden er påkrævet. Flap +2 kan anvendes i termik med stor bank-angle. Min oplevelse er, at flap +1 er bare anvendelig med et meget let Arcus, som fx en tom Arcus T eller en M med bare 1 person ombord. Trim-mekanismen er ikke specielt praktisk og kan bare balancere ror-kræfterne ud op til ca 190 km/t.

Landing
De 3-delte luftbremser er meget effektive, og meget dramatiske indflyvningsvinkler kan virkeliggøres gennem at vælge flaps L plus bremser. I flaps L skal udfladnings-timing være præcis og næsen skal pege ned indtil ganske sent i forløbet. Luftbremserne skal anvendes i rigelig grad for at forhindre ”flere landinger”. Glem ikke, at den gule trekant på fartviseren definerer minimum approach speed ved MTOW. Med flaps + 2 er landinger enkle som i en ASK 21. Alle rorkræfter, inklusiv landingshjul, er moderate og acceptable for piloter i alle aldre.

 

Konklusioner
Den høje vægt giver problemer med deltagelse i 20m-konkurrencer fordi den officielle grænse er sat ved 750 kg, i det mindste indenfor den nærmeste fremtid. I handikappede konkurrencer er hvilken som helst Arcus en stærk type på grund af MTOW på 800 kg (eller 810 kg for E), det fine glidetal på +50 ved 135 km/t og i øvrigt god performance ved højere hastigheder.

Den provisoriske glidepolar i forhold til Duo Discus viser den samme synkehastighed, men for Arcus’ vedkommende med 20 km/t større hastighed, og denne tendens øger med hastigheden.

Ved langdistanceflyvning, rekordjagter eller fornøjelsesflyvninger er Arcus E en eksotisk, men i det store hele en meget praktisk variant. Eneste minus er den begrænsede batterikapacitet, som er fyldestgørende i donorskibet, den 1-sædede Antares, men som i den tungere Arcus E er lidt under forventning.

Det er min oplevelse og min personlige holdning, er det skønt at flyve et cutting-edge innovativt svævefly, men det er også lidt bekymrende at have en så begrænset rækkevidde i et så tungt fly, når man tænker over konsekvenserne ved en udelanding.

Prisen, da flyet var nyt, var 320.000 euros for en komplet ”package” med skat, trailer, integreret ladere og instrumenter. Det er ca 60.000 euro mere end prisen for en Arcus M. Driftsomkostninger er lavere end en Arcus M, men de potentielle omkostninger for reparationer og opdateringer er høje. Som et kuriosum er hver E-model linket op til fabrikken, som kan køre remote-support på ethvert Lange-system. Service af motorsystemet kræver – naturligvis – specielt trænede teknikere.

Redaktionelt post scriptum
Det er tydeligt, at fremtidens motor er elektrisk, og en naturlig fase for udvikling er altid at konstatere, hvor grænserne for materialer og teknologier er. I øjeblikket eksisterer bare 4 typer af to-sædede elektriske svævefly, og alle må siges at være i varierende grader af ”working prototype”-stadier; Arcus E, Binder EB29D Electro og ASG 32 EL (som er turbo) samt Pipistrel Taurus Electro (som er den elektro-slg produceret i størst antal).

Alle producenter har lært noget af koncepterne, nogle af producenterne har været for tidligt ude med 2-sædede elektriske SLG-koncepter. De er i mange tilfælde ganske enkelt for komplicerede, tunge og har for dårlig rækkevidde, når man tager prisen og teknisk ”first mover”-risiko i betragtning.

Det er nok ikke uden årsag, at bl.a. Schempp-Hirth har valgt at re-starte sit elektriske program med FES i single seaters. Dette motorkoncept og medfølgende batterier er bygget i over 140 eksemplarer, og her kan man tale om serieproduktion hvor producenten har mulighed for udvikling og forbedringer over en årrække. Skulle batterierne blive dårlige, er udgiften til indkøb af nye batterier relativt overkommelig, netop fordi batterierne er relativt små og ikke er indbyggede i vingen.

Både Ventus og Discus har dette system og med lettere fly som fx miniLAK FES (13,5 m) er der mulighed for selvstart, hvor netop tyngden er et problem for elektriske drivsystemer i de store 2-sædede fly. Derfor har Schleicher, måske baseret på andres erfaringer, (indtil videre) begrænset sig til en E-turbo-variant i ASG 32 EL, hvor man med en turbo har realistiske forventninger til stig og rækkevidde (1,3 m/s og 100 km rækkevidde)

Det rokker dog ikke ved, at SLG-koncepter i store 2-sædede fly som demonstreret i denne testflyvning er interessante, og enhver producent med respekt for sig selv ville gøre sig til drabsmand for et økonomisk realistisk, velfungerende, velprøvet elektrisk drivsystem til et 2-sædet fly. Motorteknologien er fin, men den krævende batterikapacitet er endnu for tung og dyr til de 2-sædede SLG-fly. Med streg under ”endnu”. Stay tuned!

Schempp-Hirth Arcus E
Spændvidde (m) 20
Længde (m) 8,73
Vingeareal (m2) 15,59
Vingebelastning (kg/m2) 44.0 – 51.9
Tomvægt (kg) ca 615
Max vægt (kg) 810
Bedste glidetal 50
Motor EM 42, 42 kW