8.04 Masse und Schwerpunkt

8.4 Masse und Schwerpunkt

Mass and balance

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Einleitung

Das Produkt aus Masse und Erdbeschleunigung ist die auf einen Körper wirkende Gewichtskraft, ihren Angriffspunkt nennt man Schwerpunkt

Jedes Masseteilchen dm (jedes Molekül, jedes Atom) unterliegt der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s² und ist damit Ursache für eine Gewichtskraft dG:

dG = dm · g

Fasst man alle Masseteilchen dm zur Gesamtmasse m zusammen, so erhält man das Gesamtgewicht G:

G = m · g

G ist also die Resultierende aller Gewichtskräfte dm · g, ihren Angriffspunkt nennt man den Schwerpunkt. In ihm kann man sich die gesamte Masse des Segelflugzeugs vereinigt denken, auch wenn in Wirklichkeit die Gewichtskräfte an Ort und Stelle des jeweiligen Masseteilchens entstehen.

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Zusammenhang von Schwerpunkt, Beladung und Trimmung

Warum darf der zulässige Schwerpunktbereich weder nach vorne noch nach hinten überschritten werden, welche Folgen kann ein Nichtbeachten haben?

Beim stationären Geradeausflug müssen die am Segelflugzeug angreifenden Kräfte (Gewicht und Luftkraft) im Gleichgewicht stehen. Vernachlässigt man den (sehr kleinen) Widerstand F_Wund teilt den Gesamtauftrieb auf in Auftrieb am Flügel F_A und Auftrieb am Höhenleitwerk F_S, so ergibt sich dieses Bild:

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Momentausgleich um die Querachse

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Man erkennt, dass die Höhenleitwerkskraft F_S das Moment aus Gewicht G und Flügelauftrieb F_A ausgleichen muss. Da keine beliebig großen Höhenleitwerkskräfte erzeugt werden können, muss dieses Moment in bestimmten Grenzen gehalten werden.

→ Der (Flugmassen-) Schwerpunkt muss innerhalb des zulässigen Bereichs liegen.

Flugmasse und Flugmassenschwerpunkt ergeben sich aus der Leermasse (mit dem zugehörigen Leermassenschwerpunkt) und der Beladung (mit ihrer Lage im Segelflugzeug). Dies wiederum bedingt entsprechende Grenzen bei der Beladung.

Wird der zulässige Schwerpunktbereich nach vorne überschritten, so kann das Segelflugzeug nicht mehr richtig abgefangen werden.

Bei Überschreiten der zulässigen hinteren Schwerpunktgrenze treten folgende Komplikationen auf (dies ist die wesentlich kritischere Grenze):

die Längsstabilität ist nicht mehr gewährleistet
das Abkippverhalten verschlechtert sich
Beenden des Trudelns wird erschwert, u.U. sogar unmöglich (Flachtrudeln)

Um den Schwerpunkt im zulässigen Bereich zu halten, kann die Verwendung von Trimmballast notwendig werden:

fest eingebauter Ballast beeinflusst den Leermassenschwerpunkt
herausnehmbarer Ballast ergänzt die Zuladung

Merke: Ein Schwerpunkt außerhalb des zulässigen Bereiches, kann nicht durch die Trimmung ausgeglichen werden. Wenn du mit deinem Gewicht die Mindestzuladung nicht erreichst, musst du das fehlende Gewicht in Form von Ballast, entsprechend den Angaben im Flughandbuch, ergänzen. Der Ballast sollte natürlich unverrutschbar im Flugzeug befestigt sein, damit sich nicht der Schwerpunkt verschieben kann, oder gar die Steuerung blockiert.

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8.4.1 Aerodynamische Trimmung

Reduzierung der Steuerkräfte für den Piloten durch verstellbare Trimmklappen am Höhenruder

In der Vergangenheit wurde die Höhenrudertrimmung als eine vom Cockpit aus einstellbare Trimmklappe an der Hinterkante des Höhenruders ausgeführt. Durch Vorwärts-/Rückwärtsbewegen des grünen Trimmhebels im Cockpit wurde ein sogenannter Bowdenzug (dünnes Kabel in einer Hülle, das gezogen und geschoben werden kann) verwendet, um die Trimmklappe in eine solche Position zu bringen, dass Luftkräfte erzeugt werden, die das Höhenruder ein wenig auslenken, wodurch sich die Steuerkräfte für den Piloten reduzieren. Daher auch der Name „aerodynamische Trimmung“. Dabei gibt es eine Bauart, die ihre eingestellte Lage zum Ruder nicht verändert (Trimmklappe), und das sogenannte Flettner-Ruder, das seinen Winkel zum Ruder je nach Ruderausschlag selbst verändert, Die Wirkung dieser Trimmungen nimmt mit der Fluggeschwindigkeit zu und ab.

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8.4.2 Federtrimmung

Reduzierung der Steuerkräfte für den Piloten durch einstellbare Federkraft am Steuerknüppel, vergleichende Gegenüberstellung der Wirkungsweise eines Trimmruders und einer Federtrimmung

Heutzutage wird in der Regel eine Federtrimmung verwendet. Diese wird ebenfalls über den grünen Hebel bedient. Im Gegensatz zur Trimmklappe dient die Federtrimmung zur Einstellung einer Feder, die den Steuerknüppel mit einer einstellbaren Federkraft vorbelastet. Die Feder ist immer gleich stark; im Verhältnis zu den Steuerkräften wirkt sie im Langsamflug stärker als bei hoher Geschwindigkeit.

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8 4 Aerodynamische Trimmung und Federtrimmung

Aerodynamische Trimmung und Federtrimmung gegenübergestellt

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Merke: Das Trimmruder schlägt bei z.B. schwanzlastiger Trimmung nach unten aus. Dies bewirkt einen kleinen Auftrieb an der Hinterkante des Höhenruders, was dadurch etwas nach oben ausschlägt. Das Flugzeug hebt dadurch die Nase. Trimmst du kopflastig, schlägt das Trimmruder nach oben aus, das Höhenruder wird nach unten gedrückt und die Nase senkt sich.

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Trimmruder

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8.4.3 Beladen und Trimmen

Zusammensetzung der Flugmasse eines Segelflugzeugs

Die Flugmasse eines Segelflugzeugs setzt sich folgendermaßen zusammen:

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Zusammensetzung der Flugmasse

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Für die richtige Beladung eines Segelflugzeuges sind die Zuladung und ihre Verteilung maßgeblich, denn es müssen eingehalten werden:

die höchstzulässige Flugmasse
die höchstzulässige Masse der nichttragenden Teile
die Schwerpunktgrenzen

Zu diesem Zweck werden für jedes Segelflugzeug bei der Stückprüfung durch Wägung die Einzelteilmassen, die Leermasse und der Leermassenschwerpunkt festgestellt.

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8.4.4 Wägung

Im Wägebericht wird berechnet, welche Zuladung aufgrund der Schwerpunktlage zulässig ist. Zu schwere Piloten dürfen nicht fliegen, zu leichte müssen das fehlende Gewicht durch Trimmballast ausgleichen

Im Wägebericht wird dann berechnet, welche Zuladung unter Einhaltung dieser Grenzen möglich ist. Das Ergebnis wird im Flughandbuch eingetragen, der Beladeplan (Cockpitschild) bei Bedarf aktualisiert.

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Wägebericht (untere Hälfte)

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Diese Wägung muss bei Änderung der Ausrüstung, bei Reparaturen oder nach Lackierarbeiten, ansonsten in regelmäßigen Abständen (alle 4 Jahre) wiederholt werden. Sie (und der Eintrag im Flughandbuch) darf nur von einem lizenzierten Prüfer bzw. einer freigabeberechtigten Person in einem Instandhaltungsbetrieb mit entsprechender Anerkennung durchgeführt werden.

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Eintrag der Wägung im Flughandbuch

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Wenn die im Flughandbuch angegebenen Grenzen für die Zuladung im Führersitz (bzw. in beiden Sitzen bei Doppelsitzern) beachtet werden, liegen Flugmasse, Masse der nichttragenden Teile und Flugmassenschwerpunktlage im zulässigen Bereich.

Überschreitet ein schwerer Pilot (mit Fallschirm) die Höchstzuladung im Führersitz, so darf er mit diesem Segelflugzeug nicht fliegen.

Unterschreitet ein leichter Pilot (mit Fallschirm) die Mindestzuladung, so kann er das fehlende Gewicht durch Trimmballast ausgleichen. Dazu dient entweder ein Bleikissen, das im Führersitz gegen Verrutschen gesichert werden muss, weil es sonst den Steuerknüppel blockieren könnte, oder eine vom Hersteller vorgesehene Trimmballasthalterung mit den zugehörigen Trimmgewichten.

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8.4.5 Wasserballast

Wasserballast kann den Flugmassenschwerpunkt verschieben, zulässige Wassermenge gemäß Flughandbuch, Landen mit Wasserballast ist meist nicht erlaubt

Da Wasserballast meistens in Tanks in der Flügelnase (vor der vorderen Schwerpunktgrenze) untergebracht ist, wird durch Einfüllen von Wasser die Masse der nichttragenden Teile nicht geändert. Jedoch erhöht sich die Flugmasse (und damit, - entsprechend dem Zweck des Wasserballasts -, die Flächenbelastung) und der Flugmassenschwerpunkt verschiebt sich nach vorne.

Einige Segelflugzeuge haben auch einen Wassertank im Heck. Mit Wasserballast im Heck kann eine mögliche vordere Schwerpunktlage durch Wasser in den Flügeltanks kompensiert werden. Beim Entleeren ist es wichtig, dass zuerst das Heckwasser und erst dann das Flügelwasser abgelassen werden muss, da sich sonst der Schwerpunkt zu weit nach hinten verlagern könnte. Deswegen ist oft der Griff für das Heckventil über dem der Flügelventile angeordnet.

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Kurz vor dem Aufsetzen, das letzte Restwasser läuft ab (Quelle: DAeC)

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Für Flüge mit Wasserballast sind im Flughandbuch Angaben zur zulässigen Menge in Tabellen- oder Diagrammform gemacht. Landen mit Wasserballast ist fast immer verboten. Da das Ablassen des Wasserballasts mehrere Minuten in Anspruch nimmt, muss es rechtzeitig vor der Landung erfolgen. Tiefergehende Informationen findest du im Kapitel 8.11 Wasserballast.

Anker: Zusammenhang = Trimm0; Aero-Trimm = Trimm1; Federtrimm = Trimm2; Beladen-Trimm = Trimm3; Wägung = Trimm4; Wasserballast = Trimm5

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Details: Geschrieben von Super User; Erstellt: 24. Dezember 2020; Zuletzt aktualisiert: 14. Dezember 2024; Zugriffe: 6123