Argo

Die Argo

Bau und Jungfernflug eines Starrluftschiffmodells

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Der Artikel als PDF:  Die_Argo

Warum ein Luftschiff bauen?

Die Argo ist kein gewöhnliches Luftschiff, sie ist als Starrluftschiff geplant. Das bedeutet, so wie die alten Zeppeline hat sie ein starres aerodynamisches bespanntes Außengerüst in dessen Inneren sich mehrere Gassäcke befinden. Das hat einige Vorteile gegenüber normalen Ballons, aber gleichzeitig auch eine Reihe von Nachteilen die den Bau eines solchen Modells zu einem großartigen Problem machen. In dieser kleinen Projektdokumentation zeigen wir wie einige dieser Probleme gut, andere in Ansätzen gelöst wurden.

Die Argo ist gleichzeitig ein experimentelles Luftschiff, bei dem eine Hüllenform getestet wird, die die Ruder, ähnlich wie bei einem Kanu direkt in die Form integriert. Das erhöht die Aerodynamik sowie das Volumen des Schiffs. Gleichzeitig soll die Argo zwei kleine diagonal drehbare Brushless Motoren nutzen um neben dem Vorwärtsflug auch extrem enge Kurven oder rückwärts Einparken zu beherrschen.

Um die ganze Geschichte noch spannender zu machen soll die Argo ihren Jungfernflug auf der Luftschiffregatta der Airship Association in Sussex, UK antreten. Das heißt das fertige, höchst filigrane Luftschiff muss irgendwie unbeschadet von Deutschland, über die Beneluxländer und den Kanal bis ins Vereinigte Königreich kommen. Aber erst mal muss die Argo geplant werden.

Plan:

Die Argo wurde von ihrem Vorgänger „Hugin“ abgeleitet, der noch über 4 starre Ruderflächen am Heck verfügte, die aus der Hüllenform herausgezogen sind. Die Argo selbst wurde auf 3 größere Ruderflächen umgestaltet, von denen jede in eine bewegliche Fläche mündet, die von einem Servo angesteuert wird. Durch 3 Ruder spart das Schiff etwas Gewicht gegenüber der 4 Ruder Variante und verliert im Prinzip keine Freiheitsgrade. Etwas schwieriger ist die Ansteuerung dieses Lambda-Ruders, aber da ein Microcontroller zum Einsatz kommen wird, ist das kein größeres Problem.

3DModell

Im Bild schon sichtbar ist die Zerlegung der Hülle in einzelne Querschnitte die später als Grundlage für das Gerüst dienen. Das Gerüst wird aus 1 mm starkem Balsaholz in 3 mm breiten Bahnen entstehen, mit Ponal verklebt und anschließend mit hauch-dünnem Papier bespannt. Die Gassäcke entstehen aus Rettungsdecke und werden formlos in die Hülle gestopft und mit Helium gefüllt. Die Elektronik kommt von Slowflyern und wird über einen Panstamp Micro-controller vom PC aus per Joystick gesteuert. Der Transport nach England schließlich soll in einer maßgeschneiderten Kiste passieren. Kommen wir also zur Realisierung.

Die Argo wurde wie folgt berechnet. Bei einer Länge von 2,4 m und einem größten Durchmesser von ca. 0,6 m hat sie ein theoretisches Innenvolumen von 470 Litern. Dies entspricht, bei minderwertigem Ballongas, einem praktischen Auftrieb von 470 g. Auf diese 470 g verteilen sich die Gewicht der verschiedenen Baugruppen geschätzt folgendermaßen:

Gerüst – 100 g
Bespannung – 64 g
Gassäcke – 80 g
Elektronik – 80 g

Das entspricht 324 g Gesamtgewicht. Da dies eine optimistische Rechnung ist, und es in der Praxis grundsätzlich schlechter wird, gingen wir beim Bau von über 150 g Redundanz in Gewicht aus, damit auch beim Auftreten von Problemen das Endkonstrukt in der Lage ist zu schweben. Das wird sich auszahlen, wie wir später sehen werden.

Bauabschnitte:

Das Gerüst

Das filigrane Gerüst wird in zwei Abschnitten gebaut, eine Ober- und eine Unterseite, die anschließend in der Mitte verklebt werden. Als Schablone dienen 13 MDF Platten die dem 3D Modell entsprechend zugeschnitten wurden. Um die Querschnitte vom Computer auf die MDF Platten zu übertragen, wurde das referenzierte Bild mit einem Beamer auf die Holzplatten geworfen und abgezeichnet.

SONY DSCNun wird das Baumaterial produziert, aus nicht ganz 3 Platten 1 mm starkem Balsaholz 10 x 100 cm wurde ein riesiger Haufen filigraner Balsabalken geschnitten, die die Träger für das Gerippe bilden. Einer dieser Balsaholzbalken wiegt etwa 0.8g und ist alleine recht zerbrechlich und flexibel.

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Der Verbund der Balken in einer großen Struktur mit Quer und Längsträgern ist jedoch erstaunlich stabil und kann einiges an Belastungen wegstecken. Gleichzeitig ist das Material flexibel und kann auf spezielle Weise in Form gebracht werden, was für den Bau der Argo mit ihrer komplizierten Hüllenform perfekt ist. Als ersten Schritt werden die Längsspanten auf der Vorlage fixiert. Im zweiten Schritt werden Querrippen der Form nach gebogen und aufgeklebt. Damit die Rippen die korrekte Form auch halten werden sie in Wasser eingelegt und anschließend an den Knickpunkten über einem Lötkolben gebogen. Diese Technik kommt etwas abgewandelt im Schiffsbau vor und so kann Holz dauerhaft in Form gebracht werden. Die getrockneten und in Form gebrachten Querrippen werden nun ganz einfach mit Ponal, jeweils an den Kreuzungspunkten auf den Längsspanten aufgeklebt. Zur Fixierung verwenden wir Klammern aus dem Gartenbedarf, mit denen man eigentlich Kletterpflanzen dazu bringt an ihren Stangen zu bleiben. Diese Klammern sind leicht und haben einen guten Anpressdruck, außerdem hatten wir reichlich davon. In diesem Abschnitt ist die Geschwindigkeit des Baus prinzipiell nur durch die Menge der Klammern und das Abtrocknen des Klebers bestimmt.

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Bestimmte Bereiche des Schiffs wie die Ruderkonstruktion am Heck, oder die Ansatzpunkte der Motoren am Bug wurden verstärkt, indem zwei Balsahölzer übereinander verklebt wurden. Das verleiht der Spante eine deutliche Steigerung in der Steifheit, bedeutet aber auch zusätzliches Gewicht. Auf diese Weise wurde also zuerst die Oberseite des Schiffs konstruiert und anschließend die Unterseite. Um Platz zu schaffen, ist nun der richtige Zeitpunkt gekommen eine Konstruktion von Schnüren an der Decke des Zimmers anzubringen, um das Luftschiff später dort hoch zu hängen. An zwei Seilen konnte so die Oberseite der Argo an die Decke gehängt werden und so über der fertigen Unterseite positioniert werden, dass beide Stücke, im genau richtigen Abstand verklebt werden können. Die so fertige Gerüststruktur wird nun wieder an der Decke hochgezogen und so kann das Schiff von allen Seiten bearbeitet werden. Verschiedene Ankerpunkt in der Struktur für die Haken, die von der Decke herabhängen machen es sogar möglich das Schiff zu drehen um es von verschiedenen Seiten zu bearbeiten. Hier wurde bereits deutlich, dass beim Bau des Gerüstes ein wenig zu sehr an Gewicht gespart wurde und die Struktur dadurch zwar einiges an Steifheit besitzt, aber wahrscheinlich nicht genug um das Bespannpapier sauber aufzutragen. Aber das passiert im nächsten Bauabschnitt.

Gesamtgewicht an dieser Stelle: 60 g (Geschätzt waren 80 g)

 

Die Bespannung:

Um die Aerodynamik eines Starrluftschiffs zu schaffen, muss das Gerüst bespannt werden. Für ein Modell in der Größe der Argo mit etwa 2,5m Länge ist beim Bespannmaterial einzig wichtig dass es so leicht wie möglich ist. Das leichtest mögliche Material ist eine Art Mylar Kondensatorfolie, die angeblich mit wenigen Gramm pro m² daherkommt, aber für uns nicht zu beschaffen war. Vorhanden war eine große Rolle extrem dünnes Brotpapier, das sich gut verkleben ließ und ein Gewicht von ca. 12 g pro m² auf die Waage brachte. Da eine geschätzte Oberfläche von 4.5 m² bespannt werden musste, und reichlich Abfall beim Zuschnitt anfällt haben wir uns für diese bezahlbare Lösung entschieden. Bahn für Bahn wird dieses Papier nun zugeschnitten und mit extrem dünn aufgetragenem Ponal mit dem Gerüst verklebt. Die ist eine langwierige meditative Arbeit, verlang hohe Sorgfalt und zog sich über viele Abende hinweg. Die komplizierte Struktur des Hecks und die Rundungen des Bugs sorgten für einige Probleme beim Anbringen der Papierstücke, die sich später in Faltenwurf bemerkbar machen, was der Ästhetik des Schiffs einen gewissen Abbruch tun sollte. Für Elektronik und die Gassäcke wurden einige Elemente der Struktur nicht zugeklebt, so dass der Innenbereich der Argo zugänglich blieb.

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Nach dem Auftragen der Bespannung wurde das Luftschiff zu schwer für die exakte Feinwaage, aber die zur Verfügung stehende Ikea Waage brachte nur ungenaue Schätzungen zustande. Allem Anschein nach, ist das Gewicht aber deutlich über dem Schätzwert und ca. 220 g wiegt das Schiff mit der fertigen Bespannung, sowie dem vorher gebauten Gerüst. Schon eingerechnet sind 3 Mikroservos die die Heckruder bewegen sollen. Kommen wir also zum nächsten Bauabschnitt, der Elektronik der Argo.

Die Gassäcke:

Der Auftrieb der Argo kommt von zwei Gassäcken die aus einer dünnen Alu beschichteten Kunststofffolie (16 g/m²) gefertigt sind. Diese wurden in etwa zugeschnitten und mit einem doppelseitigen Klebeband verbunden, das extrem starke und Gas-dichte Verklebungen zulässt. Im Prinzip wird ein großes Stück Folie einfach in der Mitte gefaltet und an den Rändern verklebt. Ein vorher eingelegter Folienschlauch ist der Füllstutzen und wird nach Füllung mit Klebeband verschlossen. Da die Form der Argo durch ihr Gerüst und die Bespannung festgelegt ist, kann der Gassack formlos das innere ausfüllen, was die Fertigung deutlich erleichtert.

Die Elektronik:

Grob skizziert besteht die Elektronik des Schiffs aus folgenden Komponenten:

–          Ein 3,7 V 1S Lithium Polymer Akku am Bug, der das gesamte Schiff mit Strom versorgt

–          Ein panstamp Modul, das zum einen die Funkverbindung zum Grund aufbaut und zum anderen die Servos ansteuert, im Prinzip also die Rolle eines flexiblen Empfängers übernimmt, der gleichzeitig Rechnen und auch noch Senden kann. Dieses panstamp Modul kontrolliert die anderen Komponenten:

–          2 mikro Brushless Motoren mit ESC am Bug, die einzeln angesteuert werden können

–          2 Servos, die jeweils die Richtung der Brushlessmotoren steuern und ein Schwenken des Schubstrahls von vorne nach Hinten ermöglichen.

–          3 Servos am Heck die jeweils ein Ruder ansteuern.

Insgesamt sind also 7 Fernsteuerkanäle zu belegen und recht komplex anzusteuern, aber dazu später mehr.

 

Die Heckservos

Als erstes wurden die Ruder ins Gerüst eingebaut und mit Servos verbunden. Um Gewicht zu sparen entschieden wir uns für micro Linearservos. Diese wogen mit Halterung nur 2.5 g und wurden mit dünnem Kuperlackdraht mit dem Controller im Bug verbunden. Alle 3 Servos im Heck teilen sich den Draht der die Versorgungsspannung liefert und haben je einen Draht für das Signal. Die 3 Servos können also mit 5 Einzeldrähten angesteuert werden. Nach Einbau der Ruder stellte sich heraus, dass die kleinen Linearservos zum einen zu schwach sind, und zum anderen recht zappelig, eine Kombination die sie von der Verwendung der Ruder ausschloss. Wir suchten also weiter und kamen zu den nächst größeren normalen RC Servos (ca. 3 g), die direkt mit den Rudern verbunden einen Ausschlag von ca. 80° auf beide Seiten ermöglichten. Mithilfe des Controllers kann man den vollen Bereich der Servos nutzen, der normalerweise von handelsüblichen Fernsteueranlagen auf einen deutlich engeren Bereich begrenzt wurde. Im Fall der Ruder haben wir den Ausschlag schließlich auch wieder begrenzen müssen, da sie in Maximalauslenkung gerne miteinander kollidierten. Vor allem bei der Heckkonstruktion und deren Elektronik musste ein Maximum an Gewicht gespart werden, da im Vergleich weniger Traggas im Heck ist und dass erreichen einer horizontalen Balance des Schiffs nur mit viel Gewicht im Bug möglich ist.

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Die Motoren:

Als Motoren verwendeten wir die kleinsten bezahlbaren Brushlessmotoren (2.3 g) die wir auf dem Markt ergattern konnten. Angesteuert werden diese von winzigen ESC(0.2 g), die über den Servodraht mit Strom versorgt werden. Das gesamte Bordnetz hängt direkt und ungeregelt am Akku, so dass Servos und Fahrtenregler mit einem Strom von, je nach Ladung des Akkus, 3.7 V – 4.2 V arbeiten, was im Experiment sehr gut funktioniert. Da die Motoren recht kräftig sind und rechnerisch bis zu 2 Ampere ziehen, entschieden wir uns zur Stromversorgung Kabel dickere und isolierte Kabel mit 0.14m² Querschnitt zu nutzen, während das Signal wieder über Kupferlackdraht zum ESC geleitet wird. Die kleinen Slowflyerluftschrauben wurden direkt auf die Motorwelle geklebt um das Gewicht für den Spinner zu sparen. Beide Motoren zusammen entwickeln trotz ihrer winzigen Größe ordentlich Schub und klingen durch den riesigen Resonanzkörper des Luftschiffs großartig.

 

Die Motorservos:

Zwei kräftigere 5g Servos regeln die Richtung des Motorschubs. Dies dient der besseren Manövrierbarkeit und funktioniert nach dem folgenden Prinzip. Die Motoren sind weit vorne im Schiff und ihre Schubachsen schräg angeordnet. Pusten die Propeller nach vorne, fliegt das Schiff nach hinten, pusten sie nach hinten, fliegt es vorwärts. Auf der Mittelstellung sind sie nach unten und nach Außen gerichtet. Ein Teil des Schubs geht also nach unten, ein anderer nach Links und Rechts. Wenn man nach oben fliegen will, wählt man diese Einstellung, will man zur Seite fliegen, wird einer der Motoren runtergeregelt, so dass durch den anderen Motor eine Kraft zur Seite entsteht. Dadurch dass die Motoren vorne angebracht sind, dreht sich das Schiff auf der Stelle. Die Fassungen der Servos und Motorhalter wurden in FreeCAD designed und auf einem Ultimaker gedruckt. Da die Bauteile akkurat ausgeführt und wegen der Motorkräfte recht robust sein müssen, entschieden wir uns gegen eine Balsaholzkonstruktion und für die gedruckte Plastik Variante. Ein vollständiger Motorpod mit Propeller, Motor, ESC, Servo, Halterung und Kabeln wiegt so schlussendlich 15 g. Es kommen also 30 g für die beiden Pods zum Schiffgewicht hinzu.

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Der Akku:

Um das Schiffsgewicht niedrig zu halten werden die kleinsten vertretbaren Batterien verwendet. Da die Motoren nicht sehr viel Strom benötigen, und Luftschiffe überhaupt außerordentlich sparsame Flieger sind, da sie keinerlei Energie für das Schweben verschwenden, sind 1S 300mAh Akkus perfekt geeignet und wiegen 8,5 g pro Stück.

 

Die panstamp:

Das Herzstück der Elektronik und Steuerzentrale des gesamten Luftschiffs ist ein panstamp Modul. Diese kleinen Funkmodule entstammen einem Hausautomatisierungsprojekt, sind Freeware und werden per Arduino programmiert. Wir haben uns für diese Lösung entschieden, weil die Argo per Software über den PC gesteuert werden sollte, um völlig frei programmierbar die komplexe Ansteuerung der Motoren und Ruder zu schreiben. Gleichzeitig kann das Übertragungsprotokoll der Steuersignal frei geschrieben werden und ermöglicht so beliebig viele Kanäle und Funktionen einzubauen. Letzten Endes entschied aber das Gewicht von nur 2.2 g für die Panstamp als Lösung, genauso wie der niedrige Preis. Die Panstamp wurde mit einem 3.3 V Spannungswandler vom Bordnetz der Argo entkoppelt und mit den Signalkabeln der Servos verbunden. Eine dünne Kuperlackdrahtantenne bildet die leichtgewichtige Empfangseinheit und wir sind bis zu einer Entfernung von ca. 100 m Luftlinie nie in Empfangslücken gekommen.

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Die Programmierung:

Auf dem panstamp modul läuft eine recht simple selbstgeschriebene Arduino Firmware, die sich einiger open source libraries bedient und im Prinzip nichts anderes tut als ständig auf Funksignale der Bodenstation zu warten. Gleichzeitig schreibt sie die letzten vernünftigen Signale an die jeweiligen Servos und Motoren raus. Das läuft mit einer Frequenz von etwa 16 ms pro Zyklus ab, was etwas schneller ist als die 20 ms, die handelsübliche Fernsteuerungen leisten. Die eigentliche Rechenarbeit und die Steuerung erfolgt am Boden. Dort ist ein weiteres panstampmodul als Sender an einen Notebook angeschlossen. Auf diesem Notebook läuft eine Software die in der offenen Programmiersprache Processing geschrieben ist und Steuersignale von einem Joystick einließt, in Befehle für die einzelnen Servos und Motoren der Argo umrechnet und dann als Paket an das Schiff sendet.

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Da der Steuercode recht komplex ist wird er hier nur in groben Zügen besprochen. Der eigentliche Sinn des Codes ist es, die Bewegungen aller Servos und Motoren auf die Steuerbefehle des Piloten umzurechnen. Lenkt der Pilot also nach rechts, bewegen sich die 3 Servos des Heckruders entsprechend und wird die Position der Motorservos genauso wie der Schub der Motoren automatisch auf die Steuerbewegung angepasst. Dabei gibt es zwei Modi, den Hover und den Cruise mode. Im Cruise mode sind die Motoren starr nach Hinten gerichtet und es wird nur über den Schub und die Ruder gelenkt. Es ist also nur Vorwärtsflug möglich, ähnlich wie bei einem Flugzeug. Wird der Mode per Tastendruck zum Hovermode umgestellt, werden die Motoren nach unten gerichtet und das Schiff schwebt auf der Stelle und kann durch Steuerbewegungen auch rückwärts fliegen oder eine Punktwende durchführen. Zum Steuerprogramm gehört eine Benutzeroberfläche, die Eingaben und Ausgaben sichtbar macht, sowie Trimmung ermöglicht. Damit ist die Argo theoretisch flugbereit und hat schon einige trockene Testflüge an den von der Decke herabhängenden Schnüren bewältigt. Bis zum Jungfernflug sollte die Argo aber noch auf eine lange Reise gehen.

 

Die Kiste

Im November 2013 veranstaltete die Airship Association ein Symposium, in dessen Rahmen auch eine Luftschiffregatta für Modelle stattfand. Dort sollte die Argo als Starrluftschiff mitfliegen und ihre innovative Hüllenform und Steuerung präsentieren. Außerdem würden wir erst dort erfahren ob sie überhaupt leicht genug ist, denn erst dort würden wir zum ersten Mal Helium in die Gassäcke füllen. Damit die filigrane Argo den Weg zur Regatta schafft musste eine Transportkiste konstruiert werden. Die epischen Ausmaße dieser Kiste von 2,6 x 0,6 x 0,6 Meter lassen sich nur schwer fassen und passten auf etwa 5 cm genau in den Laderaum des uns zur Verfügung stehenden Bullis mit langem Radstand und ausgebauter hinteren Sitzbank. Sogar der Baumarkt war nur schwer in der Lage Platten in der entsprechenden Größe zu liefern. Tatsächlich hat der Bau der Kiste etwa doppelt so viel Geld verschlungen wie der Bau der Argo, aber die Kiste wird vielleicht auch in Zukunft

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Luftschiffmodelle beherbergen und ist somit eine echte Investition. Da es hier um ein Luftschiff und nicht um eine Kiste geht, sei hier nur grob die Bauweise beschrieben. 6 Multiplexplatten, mit Holzlatten verstärkt wurden geklebt und geschraubt und anschließend mehrfach mit Außenfarbe überstrichen. Prinzipiell ist die Kiste damit sogar als Dachbox einsetzbar. Griffe und Verschlüsse der Kiste kamen wieder aus dem 3D Drucker und trugen das „W“ als Emblem der Windreiter.

 

Der Jungfernflug

Damit war alles bereit und die Argo trat sicher verpackt in einer gigantischen Kiste die Reise von Düsseldorf über Holland und Belgien, nach Frankreich, dort von Dunkirchen aus mit der Fähre nach Dover bis schließlich West Sussex an. Dort trafen wir auf eine spannende Luftschifffahrer Gemeinde und rüsteten die Argo zu ihrem Jungfernflug auf. Die Regatta fand in einer Turnhalle statt, und allein der Moment als die Kiste, von 4 Personen durch die Türen der Halle getragen wurde und alle Augen sich auf den weißen Koloss und die Geheimnisse die er barg richteten, entlohnte für die Mühe des Baus. Die beiden Gassäcke der Argo wurden mit Helium gefüllt und gewaltige Erleichterung machte sich breit als das Starrluftschiff langsam zu ziehen begann und nach oben zu entschwinden drohte. Die Argo war leicht genug. Mit Hilfe des Akkus und einiger Cent Münzen wurde sie austariert und mit Herzklopfen für den ersten Start bereit gemacht. Die weiße Kiste, nun ihres kostbaren Inhalts beraubt wurde zum Kommandoposten auf dem der Notebook zur Steuerung, genauso wie der Joystick und das Funkrelais einen guten Platz fand. Die Argo schließlich, nach etlichen Funktionsschecks, warf surrend ihre Motoren an und erhob sich mit langsamer, fast majestätischer Beschleunigung in den Luftraum. Die erste Runde flog sie völlig fehlerfrei und kehrte zum Ausgangspunkt zurück. In den folgenden Minuten testeten wir alle Steuerfunktionen, trimmten hier und da die Ruder und lernten das Flugverhalten dieses experimentellen Schiffes kennen und zu schätzen.

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Die Argo ist als Starrluftschiff träge, aber sehr gefühlvoll zu steuern. Die Panstampübertragung funktioniert extrem schnell, so dass genaue Steuerungen möglich sind. Der Wechsel von Cruise zu Hover ermöglicht das Anhalten in der Luft und Wenden auf der Stelle, sehr zum Staunen der Besucher. Das Schiff selbst hat natürlich einige Makel, so hat der Innendruck der Gassäcke dazu geführt, dass das Gerüst sich verformte und unschöner Faltenwurf die Hülle verzerrte. Damit einher gingen einige Unstimmigkeiten beim Flugverhalten, wie Schwanzlastigkeit beim schnelleren Flug, die sich aber durch das wunderschöne Gleiten des Schiffs ohne weiteres übersteuern ließen. Der Jungfernflug war großartig, einzigartig und dabei viel zu kurz. Eines noch, die Argo nahm am Rennen teil, aber in dieser Baugröße sind Blimps den Zeppelinen überlegen und haben die Argo um Längen geschlagen. Die Reise und den Bau war es dennoch wert und die Argo harrt nun, gut geschützt in ihrer Kiste den Abenteuern die da kommen mögen.

 

Mehr Bilder vom Jungfernflug gibt es in der PDF der Dokumentation:

Die_Argo

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