5.5  Betriebsgrenzen

Limitations (load factor and manoeuvres)

Die Struktur eines Segelflugzeugs ist fest genug, um unter normalen Bedingungen fliegen zu können, aber seine Belastbarkeit ist nicht unbegrenzt. Fliegen von 60°-Kreisen mit 2·g geht in Ordnung, aber stationärer Kreisflug mit über 80° Grad ist nicht mehr möglich. Geschwindigkeiten von über 200 km/h sind erlaubt, aber du darfst keine vollen Ruderausschläge geben. In diesem Kapitel geht es um den sicheren Betrieb des Flugzeugs innerhalb seiner Betriebsgrenzen.

Die Betriebsgrenzen deines Segelflugzeugs findest du im Flughandbuch, und zwar ganz vorne, gleich nach einer kurzen Beschreibung und ein paar allgemeinen Angaben. Im Abschnitt Betriebsgrenzen geht es um alle möglichen Grenzwerte, von den Grenzen des zulässigen Schwerpunktbereichs bis zu den vorgeschriebenen Sollbruchstellen.

In diesem Kapitel interessieren wir uns insbesondere für die Grenzen bei den Geschwindigkeiten und den Lastvielfachen.

• 5.5.1  Geschwindigkeitsgrenzen
• 5.5.2  Abfangbelastungen
• 5.5.3  Böenbelastungen

5.5.1  Geschwindigkeitsgrenzen

Weil Geschwindigkeitsgrenzen sehr wichtig sind, findest du die wichtigsten nicht nur im Flughandbuch, sondern auch auf dem Fahrtmesser in Form von Farbmarkierungen.

Höchstzulässige Geschwindigkeit V_NE

Die höchstzulässige Geschwindigkeit V_NE ist auf der Skala des Fahrtmessers als roter radialer Strich gekennzeichnet. Diese Geschwindigkeit darf nicht überschritten werden, und der Ruderausschlag darf nicht mehr als 1/3 betragen. Andernfalls könnten hohe aerodynamische Kräfte die Struktur des Segelflugzeugs überlasten. Du erinnerst dich: Die Luftkräfte steigen mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Flattern

Besonders kritisch wäre das Überschreiten der höchstzulässigen Geschwindigkeit, wenn es um das Flattern geht.

Kein auch noch so fester Körper ist starr. Unter Belastung verformt sich jeder Körper mehr oder weniger stark, selbstverständlich auch die Bauteile eines Segelflugzeugs. Wird die Belastung plötzlich weggenommen, kehrt der Körper in seinen unverformten Zustand zurück, in der Regel in Form einer stark gedämpften Schwingung. Die beiden wichtigsten Schwingungsformen eines Flügels sind in Abb. 5.2.2 dargestellt, nämlich die Biegeschwingung (Krümmung des Flügels um die Längsachse) und die Torsionsschwingung (Verdrehung des Flügels um die Querachse).

Unter Flattern versteht man einen instabilen Schwingungsvorgang der Flugzeugstruktur, bei dem aerodynamische Kräfte mit Massenkräften zusammenwirken. Bei dazu gehöriger Geschwindigkeit reicht eine kleine Störung aus, um so eine Schwingung anzuregen. Instabil bedeutet, dass die Schwingung nicht gedämpft, sondern angefacht ist. Die Amplitude, also die Deformation der Struktur, wird mit jeder Schwingungsperiode immer größer, bis das Material so stark gedehnt wird, dass es bricht. Dabei ist die Frequenz der Schwingung in der Regel so hoch, dass die Bruchgrenze erreicht wird, ehe der Pilot überhaupt reagieren kann.

Grundsätzlich können alle Teile des Segelflugzeugs ins Flattern geraten. Allgemein bekannt ist der Fall, dass die Flügelbiegung und die Querruderausschläge miteinander koppeln. Ein weiteres Beispiel wäre das Biege-Torsions-Flattern des Leitwerksträgers. Und es gibt viele andere.

Ein Segelflugzeug erhält nur dann eine Musterzulassung, wenn bei der Konstruktion durch Bodenversuche, Berechnungen und Flugversuche nachgewiesen worden ist, dass im gesamten Betriebsbereich des Segelflugzeugs Flatterfreiheit besteht. Der Nachweis deckt Geschwindigkeiten bis 10% über V_NE ab. Was darüber geschieht, weiß man nicht. Bei irgendeiner Geschwindigkeit flattert jedes Segelflugzeug. Deswegen solltest du den roten Strich auf dem Fahrtmesser ganz besonders ernst nehmen.

Auch im zulässigen Bereich kann bei bestimmten Geschwindigkeiten eine Schwingung auftreten, wenn sie durch eine Böe oder einen abrupten Ruderausschlag angeregt wird. Die Schwingung ist dann aber stark gedämpft und klingt nach wenigen Perioden ab.

Kritisch kann die Sache allerdings werden, wenn sich das Segelflugzeug nicht mehr im Originalzustand befindet, weil unsachgemäße Änderungen oder Reparaturen vorgenommen worden sind. Besonders gefährdet sind Ruder, bei denen nach Lackierungsarbeiten das Gewicht nicht mehr stimmt. Ohne Ruderabdichtung zu fliegen kann ebenfalls Flattern hervorrufen. Der Einbau einer Batterie im Leitwerk, der dort vom Konstrukteur gar nicht vorgesehen ist, wäre ein weiteres Beispiel.

Solltest du tatsächlich einmal einen Flatterfall erleben, musst sofort und wirksam die Geschwindigkeit reduzieren. Jeder Flatterfall ist an eine bestimmte Geschwindigkeit gebunden und ebbt ab, wenn sich die Geschwindigkeit ändert.

Liegt dein Segelflugplatz im Gebirge, oder hast du später einmal Lust, dort einen Fliegerurlaub zu verbringen? Vielleicht hast du dann die Chance, im Wellenaufwind große Höhen zu erreichen – 5000 m oder mehr! Klar, dazu brauchst du Sauerstoff. Haben wir im Fach Menschliches Leistungsvermögen gelernt.

Aber auch dies musst du wissen:

Mit zunehmender Höhe sinkt die Luftdichte und damit bei gleicher Fluggeschwindigkeit der Staudruck. Den Staudruck wertet der Fahrtmesser aus (wird im Fach Allgemeine Luftfahrzeugkunde im Kapitel 6 erklärt). Deswegen ist die wirkliche Fluggeschwindigkeit größer als die angezeigte. Das stört aber erstmal nicht, denn die aerodynamischen Kräfte sind ebenfalls vom Staudruck abhängig. Dein Flugzeug verhält sich auch in der Höhe genauso, wie du es für die angezeigte Geschwindigkeit gewohnt bist.

Leider gilt dies nicht für die Sicherheit gegen Flattern. Dafür ist die wirkliche Geschwindigkeit maßgeblich. Also muss die zulässige Höchstgeschwindigkeit VNE angezeigt in Höhen über 2000 m reduziert werden. Angaben dazu findest du im Flughandbuch. Auch auf dem Instrumentenbrett könnte eine entsprechende Tabelle vorhanden sein. Gibt es für dein Segelflugzeug keine Informationen (bei älteren Konstruktionen könne dies durchaus sein), richte dich nach diesen Werten:

Höchstzulässige Geschwindigkeit mit ausgefahrenen Flügelklappen V_FE

Diese Geschwindigkeitsgrenze ist für dich während deiner Ausbildung ohne Belang. Weder Schuldoppelsitzer noch in der Segelfluggrundausbildung eingesetzte Einsitzer sind mit Flügelklappen ausgestattet. An dieser Stelle müssen wir uns aber über den Begriff Flügelklappen klar werden. Es handelt sich dabei nicht etwa um Luftbremsen, wie Schempp-Hirth- oder Störklappen. Flügelklappen sind ähnlich den Querrudern an der Hinterkante des Flügels angebrachte Klappen. Bei Segelflugzeugen handelt es sich also meistens um Wölbklappen, die Motorflieger sprechen von Landeklappen. Landeklappen werden ausgefahren, damit das Profil bei Start und Landung höhere Auftriebsbeiwerte liefert und somit geringere Fluggeschwindigkeiten zulässt. Zum gleichen Zweck und auch für den Langsamflug beim Thermikkreisen bringen wir bei Segelflugzeugen die Wölbklappen in eine entsprechende positive Stellung („Ausfahren“). Negative Wölbklappenstellungen, die dem schnellen Vorflug zwischen den Aufwinden dienen, sind von dieser Geschwindigkeitsgrenze nicht betroffen.

5.5.2  Abfangbelastungen

Wenn die zusätzliche Belastung des Segelflugzeugs aus der Betätigung des Höhensteuers durch den Piloten resultiert, spricht man von einer Abfangbelastung.

Ein Segelflugzeug ist so konstruiert, dass es zwar leicht, aber gleichzeitig ausreichend fest ist, um sicher fliegen zu können. Es muss für seinen Einsatzzweck ausreichend dimensioniert sein. Ein Kunstflugflugzeug muss fester sein als eine LS4, die nicht für Kunstflug zugelassen ist.

Um ein Segelflugzeug sicher zu fliegen, musst du dich innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen des Segelflugzeugs bewegen. Bei der Beantragung der Musterzulassung gibt der Hersteller an, ob das Segelflugzeug in der Lufttüchtigkeitsgruppe „U“ (Utility) oder „A“ (Aerobatic) zugelassen werden soll. In Lufttüchtigkeitsforderungen für Segelflugzeuge und Motorsegler der EASA CS-22 findest du die Anforderungen, die ein Segelflugzeug erfüllen muss. Unten siehst du, welche Lastvielfache ein Segelflugzeug ertragen können muss, ohne Schaden zu nehmen.

V_A ist die sogenannte Manövergeschwindigkeit. Oberhalb dieser Geschwindigkeit sind keine vollen Ruderausschläge erlaubt, da die dadurch auftretenden Belastungen für das Flugzeug zu hoch sein könnten. V_NE ist die zulässige Höchstgeschwindigkeit, die niemals überschritten werden darf.

V-n-Diagramm für Abfangbelastungen

Im V-n-Diagramm wird das Lastvielfache n über der Fluggeschwindigkeit V aufgetragen. In Abb. 5.5.3 siehst du das V-n-Diagramm, das für die LS4 gilt. Du erkennst einen hellgrünen und einen dunkelgrünen Bereich. Solange du dich im hellgrünen Bereich bewegst und die Betriebsgrenzen im Handbuch beachtest, brauchst du keine Schäden, Brüche oder Flattern erwarten.

Bleibst du unter V_NE und begibst du dich in die dunkelgrüne Zone, musst du zwar erwarten, dass die Struktur deines Segelflugzeugs geschädigt wird, es wird aber noch nicht in der Luft zerbrechen. Der Grund liegt darin, dass bei der Konstruktion eine Sicherheitszahl von 1,5 berücksichtigt wurde. Das bedeutet, dass die Struktur 1,5-mal höher als zulässig belastet werden kann, ehe ein Bruch eintritt. Außerhalb des dunkelgrünen Bereichs darf (und wird) ein Segelflugzeug zerbrechen.

In dem dunkelgrünen Bereich oberhalb V_NE sind die Luftkräfte auch noch nicht so groß, dass sie zum Bruch führen würden. Aber du kennst ja schon die Flattergefahr – also hüte dich!

Trotz allem: Du brauchst keine große Angst zu haben, solange du dich an die Vorgaben zu den Betriebsgrenzen im Flughandbuchs hältst. Es ist nicht so einfach, unter normalen Bedingungen den hellgrünen Bereich zu verlassen.

Aus dem Flughandbuch der LS4 stammen die folgenden Daten:

            Höchstzulässige Fluggeschwindigkeit V_NE = 280 km/h (in 0 bis 2000 m Höhe)

            Manövergeschwindigkeit V_A = 190 km/h

            grüner Bereich auf dem Fahrtmesser 100 - 190 km/h

            gelber Bereich auf dem Fahrtmesser 190 - 280 km/h (hier max. 1/3 Ruderausschlag)

            bei 190 km/h 5,3 g positiv und 2,65 g negativ

            bei 280 km/h 4 g positiv und 1,5 g negativ

            Kunstflug: nicht erlaubt

Mit diesen Daten können wir das V-n-Diagramm für Abfangbelastungen erstellen. Dies machen wir im Folgenden in vier Schritten.

In Abb. 5.5.4 siehst du ein Diagramm, bei dem die Geschwindigkeit in km/h auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Auf der vertikalen Achse siehst du das Lastvielfache n. Nach oben sind positive Lastvielfache aufgetragen, also Lastvielfache, die z.B. in steilen Kurven oder beim Abfangen aus einem Sturzflug auftreten. Nach unten gehen die negativen Lastvielfachen. Diese entstehen, wenn der Steuerknüppel während des Fluges stark nach vorne gedrückt wird. Dann löst du dich aus dem Sitz und hängst nach oben in den Gurten.

Die rote parabelförmige Kurve zeigt die Grenze an, bei der die Strömung ablöst. Wenn du geradeaus fliegst, wirkt nur die Erdbeschleunigung, also 1 g. Mit anderen Worten, das Lastvielfache n ist 1. Du kannst bei n = 1 nicht langsamer fliegen als mit der Überziehgeschwindigkeit V_S1 = V_min. Bei V_min gerätst du an die rote Kurve, links von ihr zu fliegen ist nicht möglich. Das gilt auch bei höheren Lastvielfachen. Mit n = 5,3 reißt die Strömung bei der Geschwindigkeit V_A ab. Bis V_A kann ein Segelflugzeug nicht überlastet werden, die bis zu dieser Geschwindigkeit auftretenden Lasten kann die Struktur in jedem Fall tragen.

Weil bei ihr das höchstmögliche Lastvielfache n = 5,3 ist, gehört die LS4 zur Lufttüchtigkeitsgruppe „U“ (Utility). Zur Überziehgeschwindigkeit V_S1 wäre noch zu bemerken, dass sie sich auf das Höchstgewicht bezieht (also mit Wasserballast). Sie liegt bei der LS 4 laut Flughandbuch bei 80 bis 85 km/h.

Bei V_A = 190 km/h ziehen wir in Abb. 5.5.5 eine vertikale Linie bis zur roten Kurve bei n = 5,3. Auf der horizontalen Achse markieren wir den Bereich von 100 km/h bis 190 km/h grün. Dies entspricht dem grünen Bogen auf dem Fahrtmesser. Die Daten stammen wiederum aus dem Flughandbuch der LS4. Im Bereich des grünen Bogens sind Rudervollausschläge erlaubt, aber jeweils nur mit einem Ruder, nicht gleichzeitig. (siehe auch: 8.2.2 Wirkung von Lasten und überlagerten Belastungen auf die Struktur).

Hierzu müssen wir Folgendes bemerken:

Genau genommen reicht der grüne Bogen auf dem Fahrtmesser nicht bis zur Manövergeschwindigkeit V_A, sondern bis zur zulässigen Geschwindigkeit in starker Turbulenz V_RA. Bei der LS4 und bei vielen anderen Segelflugzeugen hat jedoch der Konstrukteur darauf geachtet, dass die beiden Geschwindigkeiten V_A und V_RA auf den gleichen Wert festgelegt worden sind, und damit den Piloten das Leben leichter gemacht. Das muss aber nicht so sein – daher aufgepasst!

Bei 280 km/h wird V_NE erreicht, die höchstzulässige Geschwindigkeit. Auf die horizontale Linie setzen wir einen roten Strich, genau wie auf dem Fahrtmesser. Bei 280 km/h darf dieses Flugzeug bis n = 4 belastet werden. Jenseits von V_NE finden wir V_D. V_D ist die sogenannte Bemessungshöchstgeschwindigkeit. Für diese Geschwindigkeit ist die Struktur des Segelflugzeugs ausgelegt. Die höchstzulässige Geschwindigkeit V_NE liegt 10 bis 20 % niedriger als V_D.

Jetzt können wir auch die gelbe Markierung einzeichnen. Sie entspricht dem gelben Bogen, der auf dem Fahrtmesser zu finden ist. Er reicht vom Ende des grünen Bogens bis zum roten Strich, also von V_RA = V_A (bei der LS4) bis V_NE. In diesem Bereich darfst du keine vollen Ruderausschläge mehr geben, bei V_NE nur noch maximal 1/3 des Vollausschlags (laut Flughandbuch gilt das bei der LS4 für den gesamten gelben Bereich), damit eine Überlastung vermieden wird.

Eins ist dabei wichtig:

Die Sache mit den erlaubten Rudervoll- bzw. -1/3-Ausschlägen gilt nur, wenn es sich um die Betätigung eines Ruders handelt. Werden zwei Ruder gleichzeitig betätigt, z.B. Höhenruder und Querruder, dann dürfen nur Lastvielfache von 2/3 der Werte aus dem V-n-Diagramm für Abfangbelastungen auftreten. Solltest du einmal etwas von „Rolling G“ zu hören bekommen, geht es genau um dieses Thema.

Sieh dir noch einmal Abb. 5.5.3 an (Button  drücken! Dort sind sowohl positive wie auch negative Lastvielfache eingezeichnet. Im Rückenflug fliegst du mit einem Lastvielfachen von -1. Auch im Rückenflug darfst du abfangen, also den Steuerknüppel nach vorne drücken. Die zulässigen Werte für negative Lasten sind für die Lufttüchtigkeitsgruppe U allerdings kleiner als die für positive Lasten. Nur für die Lufttüchtigkeitsgruppe A sind sie gleich.

5.5.3  Böenbelastungen

V-n-Diagramm für Böenbelastungen

Es wird dich also nicht wundern, dass wir für Böenbelastungen ebenfalls ein V-n-Diagramm zeichnen können. Abb. 5.5.7 sieht aber ein bisschen anders aus als das V-n-Diagramm für Abfangbelastungen.

Wir gehen von einem normalen Geradeausflug in ruhiger Luft aus. Plötzlich trifft uns eine Böe in der gleichen Form, wie wenn wir ohne jeden Übergang in einen starken Aufwind einfliegen würden. Eben noch Null, jetzt plötzlich 7,5 m/s Steigen. Du kannst dir vorstellen, dass dies zu ganz erheblichen Lastvielfachen führt. Jedoch ist die 7,5-Meter-Böe eine „normale“ Böe, die das Segelflugzeug bei jeder Geschwindigkeit ertragen können muss, also auch bei V_NE. Für „starke“ Böen von 15 m/s hat der Hersteller für die Dimensionierung der Struktur eine Geschwindigkeit V_B festgelegt. Die hierbei auftretenden Lastvielfachen können durchaus größer sein, als das maximale Abfanglastvielfache. Neben Aufwinden gibt es auch Abwinde, und ebenso negative Böen. Auch von diesen nehmen wir an, dass sie uns im normalen Geradeausflug treffen, nicht etwa im Rückenflug.

Hohe Abfangbelastungen in Kombination mit Böenbelastungen in turbulenter Luft können zu einer Überbeanspruchung des Flugzeugs führen.

Bei ruhigem Wetter kannst du innerhalb des hellgrünen Bereichs des V-n-Diagramms fliegen. Bei starker Turbulenz ist die Geschwindigkeit auf V_RA = 190 km/h (bei der LS4) beschränkt. V_RA steht für rough-air speed, also zulässige Höchstgeschwindigkeit in starker Turbulenz. V_RA ist so groß wie V_B oder etwas kleiner. Bei höheren Geschwindigkeiten als V_RA können starke Böen das Segelflugzeug überlasten und beschädigen oder gar zerstören, obwohl die höchstzulässige Geschwindigkeit V_NE noch gar nicht erreicht ist. Zu deiner Beruhigung: So starke Böen können zwar in Leewellenrotoren, Gewitterwolken, sichtbaren Windhosen oder über Bergkämmen auftreten. Bei normaler Thermik brauchst du jedoch nicht mit 15m-Böen zu rechnen.