7.2.4  Flugleistung von Reisemotorseglern

Dieses gesamte Kapitel ist für die Ausbildung zum TMG unverzichtbar. Da auch andere Luftfahrzeuge angesprochen werden, ist es nicht vollständig in brauner Schriftfarbe gehalten

In früheren Zeiten war schon das Starten und Fliegen eines motorisierten Segelflugzeugs ein kleines Abenteuer, heutzutage gehören Reisestrecken von 1000 km und mehr oder die Überquerung der Alpen schon zum Standard. Selbst zum Schleppen von Segelflugzeugen und Werbebannern werden Reisemotorsegler erfolgreich und kostengünstig eingesetzt.

Erster in Serie gebauter deutscher Motorsegler SF 24 Motorspatz,

Motorleistung 20 kw, Erstflug 1957, Stückzahl 46 Flugzeuge
(Mit freundlicher Genehmigung von Bruno Hilkert)

In diesem Kapitel behandeln wir die folgenden Themen:

• Allgemeine Leistungstheorie - Einleitung (Leistungsklassen; Flugphasen; Endanflug als Teil der Platzrunde; Einfluss der Luftfahrzeugmasse, Wind, Flugplatzhöhe, Neigung der Start-/Landebahn und deren Zustand; Steigflug: Steiggradient, bester Steigwinkel, bestes Steigen)
• Flugleistungen
  (Start- und Landeleistung, Steig- und Reiseleistung)

Allgemeine Leistungstheorie -  Einleitung

Leistungsklassen

Luftfahrzeuge können auf Basis unterschiedlichster Merkmale unterteilt werden. So wurden in der allgemeinen Luftfahrt seitens der Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA) Flugleistungsklassen definiert, in die Flugzeuge je nach ihrem technischen Leistungsvermögen (ihrer performance) eingeteilt werden. Sie sollen sicherstellen, dass für alle Luftfahrzeuge einer bestimmten Kategorie identische Anforderungen gelten – sowohl was die Eigenschaften des Flugzeugs betrifft als auch die Anforderungen Flugzeughalter und an entsprechende Flughäfen. Ausschlaggebend für die Einteilung sind das maximale Startgewicht, die Anzahl der Passagierplätze und die Art des Antriebs. Die Leistungskategorien sind in der „Air Operations Regulation“ (EU OPS) spezifiziert.

Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) gliedert im Annex 1 zur Konvention der ICAO die Luftfahrzeuge in folgende Kategorien und Klassen:

• Flugzeuge
  • Einmotoriges Landflugzeuge
  • Mehrmotorige Landflugzeuge
  • Einmotorige Wasserflugzeuge
  • Mehrmotorige Wasserflugzeuge
• Drehflügler
• Luftschiffe
• Freiballone
• Segelflugzeuge
• Luftfahrzeuge mit vertikaler Start- und Landefähigkeit
• 1 Abs. 2 des deutschen Luftverkehrsgesetzes (LuftVG) definiert den Begriff Luftfahrzeug für die weitere Verwendung im deutschen Luftrecht durch eine Listung von Hauptgruppen. Umgekehrt ist somit jedes einzelne Luftfahrzeug nach deutschem Recht eindeutig einer dieser Luftfahrzeugklassen zuzuordnen:
• Flugzeuge
• Drehflügler
• Luftschiffe
• Segelflugzeuge
• Motorsegler
• Freiballone und Fesselballone
• (weggefallen) (In früheren Fassungen des LuftVG stand hier "Drachen")
• Rettungsfallschirme
• Flugmodelle
• Luftsportgeräte
• sonstige für die Benutzung des Luftraums bestimmte Geräte, sofern sie in Höhen von mehr als dreißig Metern über Grund oder Wasser betrieben werden können.

Entsprechend der Luftfahrzeugklasse werden in Deutschland die Luftfahrzeugkennzeichen vergeben:  nach dem Staatszugehörigkeitszeichen (D-) folgt an der ersten Stelle des 4-stelligen alphanumerisches nationalen Eintragungszeichen das Luftfahrzeugklassenkennzeichen (z.B. „D-H...“ für Drehflügler). Für Flugzeuge wurden – entsprechend der Anzahl der Motoren und des Gewichtes – mehrere Luftfahrzeug-klassenkennzeichen vergeben (z.B. „E“ für einmotorige Flugzeuge bis 2 t).

Motorsegler (TMG und motorisierte Segelflugzeuge) haben das Luftfahrzeugklassenkennzeichen „K“.  und nichtmotorisierte Segelflugzeuge – abweichend von der Regel – ein rein numerisches Eintragungszeichen (D-1234).

Im Segelflug wurden von der Fédération Aéronautique Internationale (FAI) Wettbewerbsklassen eingeführt, um die Entwicklung des Sports zu fördern. Sie dienen außerdem der Sportpolitik oder als Antwort auf Trends des Marktes bzw. die Entwicklung neuer Technologien.

Die Klassenpolitik soll die Gerechtigkeit im Wettbewerb fördern, die Kosten für Einsteiger senken und für ein stabiles Umfeld für Investitionsentscheidungen der Hersteller sowie der Wettbewerbsteil-nehmer sorgen. 

Die FAI-Wettbewerbsklassen sind:

• Offene Klasse, es gibt keine Beschränkungen außer einer Gewichtsbeschränkung auf 850 kg max. Startmasse, z. B. eta, Nimbus-4, ASH 25.
• Standardklasse, maximale Spannweite von 15 m, Startmasse maximal 525 kg, aber keine Wölbklappen oder andere auftriebserhöhende Vorrichtungen, beispielsweise ASW 28, LS 8, Discus-2, ASW 24.
• 15-Meter-Klasse, wie Standardklasse, jedoch sind auftriebserhöhende Vorrichtungen erlaubt, beispielsweise ASW 27, Ventus.
• 18-Meter-Klasse, wie die 15-Meter-Klasse, jedoch Startmasse 600 kg und Spannweite bis zu 18 Metern, beispielsweise ASH 26, LS 10, DG-808, LAK-19.
• Doppelsitzerklasse, beschränkt auf eine maximale Spannweite von 20 Metern, beispielsweise Duo Discus, Arcus, ASG 32, DG Flugzeugbau DG-1000.
• Clubklasse, erlaubt viele ältere Segelflugzeuge innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs, wobei die Leistungsunterschiede durch Handicapfaktoren ausgeglichen werden. Einrichtungen für Wasserballast dürfen vorhanden sein, jedoch nicht verwendet werden. Beispiele sind Glasflügel Libelle, Standard Cirrus, LS 1, Pilatus PC-11, Cobra 15
• 13,5-Meter-Klasse, Einsteigerklasse, beschränkt auf eine maximale Spannweite von 13,5 m, beispielsweise PZL PW-5 (ehemals Weltklasse, die nur den Typ PZL PW-5 erlaubte, jetzt für weitere 13,5-m-Modelle geöffnet).

Handicapfaktoren / Segelflug-Index

Um einen möglichst fairen Vergleich der Streckenleistungen unterschiedlicher Segelflugzeugtypen zu gewährleisten, wurde seitens der FAI ein Index-System eingeführt. Eine Streckenleistung wird hierbei mit dem Index verrechnet:

                         Punkte = geflogene Streckenkilometer mal 100 geteilt durch den Index

Beispiel:

1000-km-Flug SZD 55-1 (Index 108): 926 Punkte

  500-km-Flug Ka 4 „Rhönlerche“ (Index 54): 926 Punkte

Der typische Index der Spitzenflugzeuge der Offenen Klasse liegt bei 124, der der 18-Meter-Klasse bei 119, der 15-Meter-Klasse bei 114, der Standardklasse bei 108, der Doppelsitzerklasse bei 114, der Clubklasse bei 103 und der 13,5-Meter-Klasse bei 85.

Flugphasen

Flugphasen wurden definiert, um diesen generelle sowie luftfahrzeugspezifische Betriebshinweise und Verfahrensvorgaben zuordnen zu können.

Für motorgetriebene Luftfahrzeuge sind folgende Flugphasen definiert:

0-Rollen, 1-Start und Anfangssteigflug, 2-Steigflug, 3-Reiseflug, 4-Sinkflug, 5-Landeanflug, 6-Endanflug, 7-Landung, 8-Rollen.

Flugphasen motorgetriebener Luftfahrzeuge

Der prinzipielle Ablauf in den Flugphasen sieht wie folgt aus:

Beim Start (1) beschleunigt das Luftfahrzeug und hebt dann den Bug an. Nach dem Abheben beschleunigt es auf die Geschwindigkeit mit sicherer Steiggeschwindigkeit. Nach Erreichen einer Sicherheitshöhe über Grund endet der Anfangssteigflug und die Leistung wird etwas gedrosselt / die Flugbahn wird etwas flacher.

Nun beginnt der Steigflug (2) mit Steigflug-Geschwindigkeit und -Leistung. 

Der Punkt, an dem der Steigflug beendet ist und zum Reiseflug übergegangen wird, wird als „top of climb“ (TOC; „höchster Punkt des Steigflugs“) bezeichnet.

Für den Reiseflug (3) kann die Triebwerksleistung etwas zurückgenommen werden, da keine zusätzliche Energie für den Höhengewinn mehr benötigt wird.

Am Ende des Reiseflugs liegt der „top of descent“ (TOD; wörtlich: höchster Punkt des Sinkflugs). Hier beginnt der Sinkflug.

Der wirtschaftlichste Sinkflug (4) wird mit minimalem Treibstoffverbrauch durchgeführt, wobei die Triebwerke auf Leerlauf reduziert sind.

Der Landeanflug (5) erfolgt gemäß Landeplatz-spezifisch definierter Routen und Regeln oder gemäß der Standard-Platzrunde mit Einflug in die Platzrunde an der Position, einem Gegenanflugteil, einem Queranflug (um den Landeanflug hinsichtlich Höhe und Flugweg zum Aufsetzpunkt ggf. zu korrigieren bzw. zu optimieren) und dem Endanflug.

Der Endanflug (6) beginnt mit dem Eindrehen in die Verlängerung der Landebahn. Der Gleitwinkel wird mit dem Motor und/oder den Landehilfen gesteuert.

Die Landung (7) besteht aus dem Abfangbogen, dem Ausschweben und dem Aufsetzen.

Weitere mögliche Flugphasen während oder bei der Landeprocedures sind noch:

9-Fehlanflug (Durchstarten), 10-Warteverfahren.

Im weiteren Sinn gehören zu den Flugphasen auch:
a-Flugplanung bzw. Flugvorbereitung, b-Vorbereitung am Boden, c-Rollen, die Bewegung des Flugzeuges von der Parkposition bis zum Startpunkt auf der Start- und Landebahn bzw. nach der Landung zurück zur Parkposition (in der Skizze oben 0 und 8), d-Flugnachbereitung.

Die Platzrunde ist ein standardisiertes An- und Abflugverfahren für Flüge nach Sichtflugregeln (VFR). Sie dient z. B. der Einleitung eines sicheren Landeanflugs, aber auch dem Schutz lärmempfindlicher Gebiete rund um den Flugplatz. Für jeden Flugplatz gibt es VFR-Anflugkarten, auf denen der Flugweg sowie die Flughöhe in der Platzrunde eingezeichnet ist. Andernfalls gilt die Standard-Platzrunde nach ICAO. Der Pilot darf von der Platzrunde nur dann abweichen, wenn es die sichere Führung des Flugzeuges verlangt (z.B. in Notfällen) oder es ihm von der zuständigen Bodenfunkstelle erlaubt wird, ansonsten begeht er gemäß LuftVG eine Ordnungswidrigkeit. 

Platzrunden werden nur bei unkontrollierten Flugplätzen festgelegt und veröffentlicht. Bei kontrollierten Plätzen leiten der Flugverkehrskontrolle den Flugplatzverkehr.

Soweit nicht von der zuständigen Luftverkehrsbehörde abweichend festgelegt, werden Platzrunden in einem Abstand von ca. 1,5 km von der Landebahn und linksherum (entgegen dem Uhrzeigersinn) geflogen, damit der links sitzende Pilot die Landebahn während des gesamten Manövers im Auge behalten kann. Platzrunden werden normalerweise nach dem Start über den Querabflug oder den Gegenanflug verlassen und zur Landung über den Gegenanflug angeflogen.

Die Platzrunde, ein standardisiertes An- und Abflugverfahren für Flüge nach Sichtflugregeln (VFR)

Bei Standortmeldungen in der Platzrunde über Flugfunk sind die Angaben „Funkrufzeichen“ und „Standort“ zu machen.

Für den Segelflug wird i.d.R. eine Rechtsplatzrunde definiert, um den Segelflug und Motorflug zu entzerren.  

 Beispiel für festgelegte Platzrunden eines unkontrollierten Flugplatzes

Endanflug als Teil der Platzrunde

Im Segelflug ist die korrekte Einteilung der Platzrunde zur Landung sowie die richtige Steuerung der Landegeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Nutzung der Landehilfen von großer Bedeutung: ein Motor als Hilfe, um ggf. den Endanflug zu strecken, gibt es nicht!

Informationen zur Endanfluggeschwindigkeit sowie zur Nutzung von Landehilfen findet man im Flughandbuch eines jeden Segelflugzeugs.

Beim Ausfahren der Luftbremsen für den Endanflug ergibt sich ein größerer Gleitwinkel (der Gleitpfad wird steiler) und die Mindestgeschwindigkeit bzw. Überziehgeschwindigkeit erhöht sich im Normalfall (bei den heute gebräuchlichen Luftbremsen ohne auftriebserhöhende Wirkung).

Die wirksamste und ungefährlichste Methode zur Streckung des Landeanflugs OHNE Motorleistung ist das Einfahren der Luftbremsen und das Anpassen der Geschwindigkeit.

Bei einer durch besondere Umstände bedingten Landung mit Rückenwind muss mit der normalen Anfluggeschwindigkeit nach Flughandbuch gelandet werden

Einflüsse auf die Flugleistung

Einfluss der Luftfahrzeugmasse, Wind, Flugplatzhöhe, Neigung der Start-/ Landebahn und deren Zustand

Beim Start eines motorgetriebenen Luftfahrzeugs beeinflussen verschiedene Faktoren die Start- und Steigleistung:

• Luftdichte und Dichtehöhe

Die Luftdichte beeinflusst die Leistungsdaten eines Luftfahrzeugs bzgl. der Motorleistung als auch der Propellereffizienz.

Die Luftdichte beeinflusst sowohl den aerodynamischen Auftrieb und den aerodynamischen Widerstand des Flugzeuges als auch das Leistungsvermögen des Motors (absolute Sauerstoffmenge in der Luft) und des Propellers (bei dünnerer Luft schaufelt er bei gleicher Drehzahl weniger Luftteilchen, der erzielte Vortrieb ist also geringer).

Die Luftdichte ist abhängig vom Luftdruck, der Lufttemperatur und der Luftfeuchte. Die Kombination aus tiefem Luftdruck, hoher Temperatur, hohe Luftfeuchte und ein Flugplatz in großer Höhe wirkt sich besonders negativ auf die Leistungsvermögen aus: auf die Startstrecke, das Steigvermögen, den Treibstoffverbrauch und die Reichweite. die angezeigte Fluggeschwindigkeit (IAS) ist davon unabhängig und korrekt - die vorgeschriebenen Start- und Landegeschwindigkeiten ändern sich nicht.

Über die Berechnung der Dichtehöhe lässt sich der Einfluss der Luftdichte auf das Leistungsvermögen des Motorflugzeugs beurteilen. Die Dichtehöhe ist die Höhe, in der ein Flugzeug glaubt, dass es sei - und sich dementsprechend verhält.

Zur Berechnung der Dichtehöhe gibt es eine Reihe von Online-Rechnern und Apps. Daneben enthält jedes Flughandbuch entsprechende Tabellen und/oder Diagramme.

• Wind

Gegenwind verringert die Start- und Landestrecke, Rückenwind vergrößert sie.
Zu beachten ist auch der im Flughandbuch dokumentierte Maximalwert für Seitenwind bei Start!

• Flugzeugmasse

Eine höhere Masse benötigt mehr Auftrieb und erzeugt damit auch mehr Widerstand. Folge ist auch der Anstieg der Überziehgeschwindigkeit.
Folge ist, dass sich Start- und Landestrecke mit höherer Flugzeugmasse vergrößern.

• Start- und Landebahnbeschaffenheit

Oberflächenbeschaffenheit
Optimal für Start und Landung ist eine harte, ebene und trockene Piste. Gras und Nässe erhöhen den Widerstand: ein höheren Rollwiderstand verlängert die Startstrecke, verringert aber die Landestrecke durch erhöhte Bremswirkung.

Neigung
Abfallende Pisten verkürzen die Startstrecke, aber verlängern die Landestrecke; umgekehrt verlängern ansteigende Pisten die Startstrecke, aber verkürzen die Landestrecke.

Steigflug: Steiggradient, bester Steigwinkel, bestes Steigen

Maße für die Fähigkeit zu Steigen sind der Steiggradient, der Steigwinkel und die Steigrate (Meter pro Sekunde, Fuß pro Minute).

Der Steiggradient (gewonnene Höhe pro Strecke) dient der Ermittlung eines Höhengewinns über eine Flugstrecke. Anwendungszweck ist z.B. die Berechnung, ob ein Berg auf Kurs bei gegebener Entfernung überstiegen werden kann oder nicht.

Der Steiggradient lässt sich errechnen, indem die Steigrate (das mittlere Steigen) des Luftfahrzeugs durch die zurückgelegte Strecke pro Minute dividiert wird.

Beispiel:    Steigrate = 2 m/s = 120 m/min, Strecke pro min = 150 km/h = 2,5 km/min

                  Steiggradient = 120/2,500 = 48 m/km

Ist ein Berg mit einer Höhe von 1500 m nur 20 km entfernt, sollte man besser während des Steigens Kreise ziehen. (Höhengewinn nach 20 km: 48*20 = 960 m).

Das Äquivalent im Segelflug ist der „Gleitwinkel“.

Steigleistung - Anflug Mont Blanc in einer Höhe von 16740 ft -

Weitere Kennwerte für die Leistungsfähigkeit eines motorgetriebenen Luftfahrzeugs sind:

• Steigrate:
  Die Zunahme der Höhe pro Zeiteinheit.
  Maßeinheit: m/s, Fuß pro Minute (fpm)
  Das Äquivalent im Segelflug ist das Sinken / die Sinkrate.
• Bestes Steigen:
  Um den Steigflug eines motorgetriebenen Luftfahrzeugs einzuleiten muss ein dynamischer Auftrieb erzeugt werden, der größer als die Gewichtskraft des Flugzeugs ist. Hierbei ist vorübergehend ein größerer Anstellwinkel der Tragflächen nötig als beim Horizontalflug. Während des stationären Steigflugs ist der erforderliche Auftrieb dann etwas kleiner als im Horizontalflug, da der Triebwerksschub einen Teil des Gewichtes trägt. Der optimale Anstellwinkel ist der gleiche, wie für das geringste Sinken.
  Die Steigleistung (maximale Steigrate) charakterisiert motorisierte Fluggeräte.
  Sie sinkt mit steigender Flughöhe. Die Höhenabhängigkeit liegt an der verringerten Dichte der Luft, was Auftrieb, Motorleistung und Schub beeinträchtigt.
  Die Geschwindigkeit des besten Steigens ist im Flughandbuch dokumentiert.
  Das Äquivalent im Segelflug ist das „geringste Sinken“.

Flugleistungen

Ein wesentlicher Teil eines jeden Flughandbuchs eines Luftfahrzeugs das Kapitel „Flugleistungen“. Hier findest Du bei motorgetriebenen Luftfahrzeugen Informationen zu Start- und Landeleistungen sowie Steig- und Reiseflugleistungen. Bei Segelflugzeugen entfallen alle motorantriebsspezifischen Informationen.

Im Regelfall werden hier bei Reisemotorseglern folgende Daten/Informationen geliefert:

• Überziehgeschwindigkeiten (mit und ohne Bremsklappen)
• Roll- und Startstrecken (Startleistung)
• Nachgewiesene Seitenwindkomponente bei Start und Landung
• Steigleistung (Steigrate)
• Dienstgipfelhöhe
• Reiseleistung (Verbrauch, Reisegeschwindigkeit, Höchstflugdauer)
• Landeleistung (benötigte Landestrecke)

Bei Reisemotorseglern werden zusätzlich segelflugspezifische Daten/Informationen geliefert:

• Segelflugleistungen (Geringstes Sinken, Beste Gleitzahl)

Die Daten basieren entweder auf Erprobungsflügen oder Berechnungen. Die Daten gelten für definierte Konfigurationen und gutem Wartungszustand des Luftfahrzeugs (guter Zustand von Motor und der Flugzeugoberfläche). Ein schlechter Wartungszustand des Flugzeuges sowie ungünstige äußere Bedingungen (hohe Temperatur, Regen) können die angegebe­nen Flugleistungen erheblich verschlechtern.

Startleistung

Hier werden die benötigte Roll- und Startstrecke zu definierten äußerlichen Bedingungen aufgeführt.

Start- und Steigflugphase TMG

Beispiel für die Dimona HK36 TTS:

Bedingungen:
  - Lufttemperatur: 15 ^oC
  - Luftdruck: 1013 hPa - Windstille
  - Volllast
  - Höchstmasse
  - Propellereinstellung: Start, voll gedrückter Verstellknopf
  - Abhebegeschwindigkeit ca. 90 km/h (56 mph / 49 kts)
  - Steigfluggeschwindigkeit (V_Y - blauer Strich). ca. 97 km/h (60 mph / 52 kts)
  - ebene Startstrecke, Asphaltbelag

Die Startrollstrecke betragt 134 m.
Die Startstrecke über ein 15 m hohes Hindernis betragt 251 m.

Informationen zur Ermittlung der Startstrecke unter abweichenden Bedingungen:

Bedingungen:
  - Volllast
  - Höchstmasse
  - Propellereinstellung: Start
  - Abhebegeschwindigkeit ca. 90 km/h (56 mph / 49 kts)
  - Steigfluggeschw. ca. 97 km/h (60 mph / 52 kts)
  - ebene Startstrecke, Asphaltbelag
  - Turbo Steuerung EIN 

Landeleistung

Ähnlich wie bei der Startleistung wird aufgeführt, wieviel Landerollstrecke und Landestrecke über ein 15 m Hindernis unter definierten Bedingungen benötigt werden.

Steigleistung

Hier wird die Steigrate zu definierten äußerlichen Bedingungen benannt.

Beispiel für die Dimona HK36 TTS:

Bedingungen:
  - Meereshöhe
  - Volllast
  - Höchstmasse
  - Horizontalgeschwindigkeit 110 km/h (68 mph / 59 kts)
  - Drehzahl:                           2260 UPM
  - Ladedruck:                        34 inHg / 35.4 inHg

Steigrate:                              5,4 m/s (1063 ft/min)

Bei Motorflugzeugen werden in der Regel zusätzlich Informationen zur Steigrate in anderen Flughöhen und bei definierten Lufttemperaturen aufgeführt.

Reiseleistung

Hier findest Du Leistungsinformationen zum Verbrauch, zur Reisegeschwindigkeit und zur Höchstflugdauer eines motorgetriebenen Luftfahrzeugs.

Die Angaben über Höchstflugdauer beziehen sich auf einen vollen Tank und beinhalten keine Reserven. Die Geschwindigkeits- und Verbrauchsangaben beziehen sich zudem auf Windstille, Standardatmosphäre und ein ordnungsgemäß eingestelltes und gewartetes Flugzeug. Bei der Bestimmung der Reichweite müssen Windeinfluss und Sicherheitsreserven berücksichtigt werden.

Beispiel für die Dimona HK36 TTS:

Reisemotorsegler mit guten Start-, Steig- und Reiseleistungen sind kostengünstige Alternativen für das Schleppen von Segelflugzeugen und Bannern.

Luftfahrzeugschlepp zum Kunstflug mit TMG Briditschka HB-21 und Lo 100 Zwergreiher

Anker:  Wind = Bahn1;  Flugleistungen = ReiLei;  

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