8.5 Steuerung
Flight controls
8.5.1 Anlenkungen, Steuerung und Ruder
Allgemein
Die Bedienelemente werden zur Steuerung des Flugzeugs verwendet. Es gibt primäre und sekundäre Steuerflächen. Primärsteuerungen werden für die Steuerung der drei Achsen verwendet. Das bedeutet: Nicken um die Querachse mit dem Höhenruder, Rollen um die Längsachse mit den Querrudern und Gieren um die Hochachse mit dem Seitenruder. Der Auftrieb und/oder der Widerstand werden mit den sekundären Steuerorganen eingestellt. Dies geschieht mit Wölb- und/oder Bremsklappen.
Durch das Ausschlagen der Ruder werden Luftkräfte erzeugt, die eine Lageänderung des Flugzeugs bewirken, woraufhin sich die Flugbahn ändert.
Dieses Kapitel befasst sich nur mit dem Aufbau und Mechanik der Ruder; die Steuerung selbst ist Teil des Kurses 'Grundlagen des Fliegens'.
Seile und (Stoß-)Stangen und Torsionsrohr
Die Ansteuerung der Ruder erfolgt über Seile und/oder Gestänge. Drahtseile bestehen aus geflochtenen Metalldrähten. An den Enden sind sie mit Ösen („Kauschen“) versehen, um sie mit den Rudern bzw. Knüppel und Pedalen zu verbinden. Steuerstangen bestehen aus hohlen Metallrohren. Seile sind leichter als Stangen, haben aber den Nachteil, dass sie nur gezogen werden können, so dass immer zwei Seile für die Steuerung in zwei Richtungen benötigt werden. Ein Stab hingegen kann sowohl gezogen als auch geschoben werden; außerdem kann ein Stab um seine Längsachse rotieren. Aufgrund von Temperaturänderungen schrumpft bzw. dehnt sich ein Seil mehr als ein Rohr. Ein durch die Temperatur gedehntes und daher schlaffes Steuerseil ist für die Lenkung nicht optimal. Letzteres kann kritisch sein, wenn das Ruder flatterempfindlich ist (siehe Abschnitt "Grundlagen des Fliegens"). Aus diesem Grund werden Höhen- und Querruder heute über Gestänge gesteuert, während das Seitenruder oft über Seile angesteuert wird (siehe Abbildung 8.5.1.1).
Hinweis: Eine Stange, die gezogen oder geschoben wird, ist eine Schubstange. Ein Rohr, das um seine Längsachse gedreht wird, ist ein Torsionsrohr.
Umlenkrollen und Kipphebel
Umlenkrollen werden verwendet, um die Bewegungsrichtung von Seilen zu ändern. Eine Verknieung funktioniert als Verriegelung. Kipphebel werden verwendet, um die Richtung der Stangenbewegung zu ändern (siehe Abbildung 8.5.1.1).
Abb. 8.5.1.1 Kipphebel, Steuerstangen und -Seile, Umlenkrollen
Stoßstangenverbindung in älteren Segelflugzeugen
In älteren Segelflugzeugen werden Querruder- und Luftbremsenstoßstangen mit einem Bolzen, der durch eine Fokkernadel gesichert ist, mit den Stoßstangen im Flügel verbunden.
Abb. 8.5.1.2 Verbindung Querruder-/Luftbremsstoßstangen
Schnellkupplungen
Für eine schnelle und sichere Montage sind die Anschlüsse der Ruder an Flügel und Höhenleitwerk mit leicht lösbaren Kupplungen ausgestattet. Früher wurden Muttern verwendet, für die man Werkzeuge benötigte, oder Steckbolzen, die mit Fokkernadeln oder Splinten gesichert wurden. Bei modernen Flugzeugen werden automatische oder manuelle Schnellkupplungen verwendet. Eine Schnellkupplung zwischen Ruder und Lenkgetriebe kann durch ein sogenanntes Kugelgelenk erzeugt werden. Vergleichbar mit der Funktionsweise der menschlichen Hüfte oder Schulter. Auf der Rumpfseite befindet sich eine Buchse, die um eine Kugel an der Steuerstange passt. Die Kugel wird dann in der Buchse verriegelt, womit die Verbindung gesichert ist.
Die Abbildung 8.5.1.3 zeigt eine l'Hotellier-Schnellkupplung. Auch diese wird meist noch mit einem Federstecker oder einer Fokkernadel gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert.
Abb. 8.5.1.3 l'Hotellier-Schnellkupplung
Abb. 8.5.1.4 ASK 21 Höhenruder mit l'Hotellier-Schnellkupplung
Heutzutage sind die meisten neuen Segelflugzeuge mit automatischen Ruderanschlüssen ausgestattet, die automatisch hergestellt und verriegelt werden, wenn der Flügel bzw. das Höhenleitwerk montiert wird. Wichtig ist allenfalls, dass die Ruder vor der Montage in der richtigen Position sind.
Abb. 8.5.1.5 Automatische Anschlüsse Querruder und Luftbremsen
8.5.2 Primäre Steuerorgane
In diesem Abschnitt wird der Aufbau der Steuerungen für Höhen-, Quer- und Seitenruder erklärt.
Höhenruder
Das Höhenruder ist die bewegliche Hinterkante des Leitwerks (Höhenleitwerks). Die Konstruktion des Höhenruders (und anderer Ruder) ist bereits in Abschnitt 8.1 beschrieben. Heutzutage wird das Höhenruder meist mit einem automatischen Ruderanschluss an ein Stangensystem angeschlossen, das durch das Seitenleitwerk und den Heckausleger (Leitwerksträger) zum Steuerknüppel im Cockpit geführt wird.
Pendelruder
Ein Pendelruder ist ein voll bewegliches Höhenleitwerk. Flosse und Ruder sind ein gemeinsames Bauteil. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines separaten Höhenruders. Das Pendelruder wird ebenfalls über den Steuerknüppel, Gestänge, Führungen, Wippen und einen Schnellanschluss gesteuert. Das Pendelruder hat weniger Widerstand und größere Wirkung bei kleineren Handkräften, aber die stabilisierende Wirkung der Flosse hängt allein von der Trimmstellung ab.
Trimmung des Höhenruders
Bei Segelflugzeugen wird die gesamte Kraft, die zum Bewegen der Ruder benötigt wird, vom Piloten aufgebracht. Die zum Ausschlagen eines Ruders erforderliche Kraft nimmt mit der Fluggeschwindigkeit zu. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird es immer schwieriger, das Ruder zu bewegen. Dies ist ein guter Schutz, da ein großer Ruderausschlag bei hoher Geschwindigkeit leicht zu unzulässig hohen Luftkräften führen kann, die das Ruder und sogar das Flugzeug beschädigen können. Siehe den Abschnitt über das v-n-Diagramm in Abschnitt 8.2 Lasten.
Da das Höhenruder den Anstellwinkel und damit die Fluggeschwindigkeit steuert, ist am Höhenruder eine Trimmung angebracht. Die Höhenrudertrimmung ermöglicht es, die Steuerkräfte am Höhenruder im normalen Geschwindigkeitsbereich auf null zu reduzieren. Das macht es für den Piloten weniger anstrengend, die Nase in Position zu halten, sprich: die gewünschte Geschwindigkeit zu halten.
Der Verstellhebel für die Trimmung kann nahe dem Steuerknüppel oder an der Bordwand sein. Seine Standardfarbe ist grün.
Aerodynamische Trimmung
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.
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.
Abb. 8.5.2.1 Aerodynamische Trimmung und Federtrimmung
Querruder
Die Querruder sind die beweglichen Steuerflächen an der äußeren Hinterkante der beiden Tragflächen. Sie sind über ein Torsionsrohr, Schubstangen mit Führungen, Kipphebel und die Ruderanschlüsse mit dem Steuerknüppel im Cockpit verbunden. Die seitliche Bewegung des Steuerknüppels bewirkt eine asymmetrische Bewegung der Querruder: ein Querruder geht nach oben, das andere nach unten. Um das negative Wendemoment zu verringern (siehe Kurs 'Grundlagen des Fliegens'), wird eine Differenzialsteuerung eingesetzt, bei der das nach oben ausschlagende Querruder stärker ausgelenkt wird als das nach unten ausschlagende Querruder. Auf diese Weise haben beide Flügel etwa den gleichen Luftwiderstand, was das negative Wendemoment reduziert.
Abb. 8.5.2.2 Differenziertes Querruder
Seitenruder
Das Seitenruder ist die bewegliche Hinterkante des Seitenleitwerks. Da das Ruder im demontierten Zustand nicht getrennt wird, ist es nicht mit einer Schnellkupplung verbunden. Das Ruder wird vom den Pedalen im Cockpit über zwei Seilzüge im Heckausleger (Leitwerksträger) gesteuert. Auch wenn die Pedale im Cockpit miteinander verbunden sind, zieht nur das getretene Pedal Ein Pedal ist IMMER ein „Fußpedal“ (lat. pedes = Fuß) an dem daran befestigten Seil, wodurch das Ruder in die entsprechende Richtung schwenkt.
Einstellung des Pedals
Bei vielen Segelflugzeugen sind die Pedale in Längsrichtung für lange und kurze Beine einstellbar. Dies kann einfach durch Verstellen der Stelle, an der die Pedale mit den Steuerseilen verbunden sind, oder durch einen Verstell-Mechanismus, der durch einen schwarzen oder grauen Hebel betätigt wird, erfolgen. Achte darauf, dass der Mechanismus nach der Einstellung wieder verriegelt ist.
Schlaufen
Bei Segelflugzeugen der A-Kategorie (Kunstflug) sind die Fußpedale mit Schlaufen ausgestattet, die bei bestimmten Kunstflugmanövern die Füße auf den Pedalen halten müssen.
Abb. 8.5.2.3 Fußpedale mit Schlaufen einer ASK 21
8.5.3 Sekundäre Steuerorgane
Nun folgt eine Beschreibung der sekundären Steuerorgane, nämlich der Bremsklappen, der Wölbklappen und zusätzlich der Schleppkupplung.
Bremsklappen
Die Bremsklappen sind die Einzel- oder Doppelplatten, die oberhalb und manchmal auch unterhalb des Flügels ausgefahren werden können, um die Luftströmung zu stören. Die Störung erfolgt zum einen durch Auftriebsminderung an der Stelle der geöffneten Klappen und zum anderen durch Erhöhung des Widerstands dort. Formal sollten diese als Störklappen oder auch als Spoiler bezeichnet werden; reine Bremsklappen erhöhen nur den Luftwiderstand, wie es bei einem Bremsfallschirm der Fall ist.
Die Bremsklappen sind so ausgelegt, dass auch bei einem steilen Sinkflug (45° Flugbahn-Neigung) die Höchstgeschwindigkeit nicht überschritten wird, wenn die Klappen voll ausgefahren werden. Deswegen heißen sie auch „Sturzflugbremsen“.
Abb. 8.5.3.1 Segelflugzeug mit ausgefahrenen Bremsklappen
Die Bremsklappen sind ebenfalls über Gestänge, Führungen, Kniehebel und Schnellkupplungen mit dem blauen Bremsklappenhebel auf der linken Seite des Cockpits verbunden.
Um zu verhindern, dass die Klappen im Normalflug durch den Unterdruck an der Flügeloberseite "herausgesaugt" werden, werden sie durch einen Verriegelungsmechanismus in eingefahrener Position gehalten. Dieser Mechanismus verwendet Stangen und Hebel, die "überkniet" (überzentriert) sind, solange der Klappenhebel im Cockpit in der vorderen Position ist. Vergleiche den überstreckten Zustand mit dem "überknieten" Zustand des Knies, des Ellbogens oder des Kiefers. Wenn der Klappengriff nach hinten bewegt wird, wird zuerst die überstreckte Position beendet, danach können die Klappen geöffnet werden (siehe Abbildung 8.5.3.2).
Abb. 8.5.3.2 Bedienung der Bremsklappen
Brems-Fallschirm
Ein Bremsschirm wird manchmal als zusätzliches Mittel zur Erhöhung des Widerstands verwendet. Mit dem Bremsfallschirm kann ein noch größerer Abstiegswinkel erreicht werden.
Abb. 8.5.3.3 Segelflugzeug mit entfaltetem Bremsschirm
Der Bremsschirm ist im Leitwerksträger untergebracht und wird über einen Hebel mit drei Stellungen bedient. In der verriegelten Position hält ein federbelasteter Haken die Abdeckung mit dem verstauten Fallschirm geschlossen. Durch Bewegen des Hebels um eine Position nach hinten wird die Feder durch ein Seil teilweise gezogen, so dass sich die Abdeckung löst und der Luftstrom entlang des Flugzeugs diese nach hinten bewegt und den Fallschirm mit herauszieht. Der Fallschirm wird sich nun entfalten und viel zusätzlichen Widerstand erzeugen. Um die Geschwindigkeit konstant zu halten, muss das Flugzeug nun mit einem viel größeren Neigungswinkel fliegen, was das Sinken erheblich vergrößert. Kurz vor oder nach der Landung kann der Hebel in die hintere Position gebracht werden, wodurch die Feder noch weiter gezogen und der Fallschirm vom Flugzeug getrennt wird.
Wölbklappen
Leistungssegler sind mit Wölbklappen ausgestattet. Das sind die beweglichen Hinterkanten der Tragflächen zwischen Rumpf und Querrudern. Diese werden ebenfalls über ein Stangensystem bedient, das über Führungen, Umlenkhebel und Schnellverschlüsse mit einem schwarzen Hebel auf der linken Seite des Cockpits verbunden ist. Dieser Hebel kann durch Aussparungen in der Seitenwand des Cockpits in eine Reihe von markierten Positionen bewegt werden. Zu bemerken ist, dass die Klappen im Gegensatz zu Motorflugzeugen nicht nur nach unten (positiv), sondern auch nach oben (negativ) ausschlagen können.
Abb. 8.5.3.4 Wölbklappeneinstellungen
Flaperons
Bei einigen Segelflugzeugen bewegen sich die Klappen zusammen mit den Querrudern. Diese werden Flaperons genannt, ein Akronym aus Flaps und Ailerons. Auf diese Weise kann das Rollverhalten des Flugzeugs beim Einsatz der Klappen bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten verbessert werden. Bei Flaperons werden mit dem Wölbklappenhebel die Wölbklappen in die gewünschte Position gebracht, danach bewegen sich die Wölbklappen zusammen mit den Querrudern mit dem Steuerknüppel. Eine Zwischenform besteht darin, dass die Bewegung der (inneren) Wölbklappen teilweise auf die Querruder übertragen (überlagert) wird. So vergrößern die Querruder die Wirkung der Wölbklappen.
Landeklappen
Landeklappen sind eine Kombination aus Bremsklappen und Wölbklappen. Bei einer bestimmten positiven Stellung der Landeklappe kippt die Klappe so, dass sie wie eine Bremsklappe senkrecht zum Luftstrom steht.
Abb. 8.5.3.5 Segelflugzeug mit ausgefahrenen Bremsklappen bzw. Wölbklappen/Landeklappen.
Schleppkupplung
Beim Start werden die Segelflugzeuge mit einem Seil von einer Winde oder einem Schleppflugzeug in die Luft gezogen. Am Ende des Schleppseils befindet sich ein Ring, der in die Schleppkupplung eingehängt wird. Ein Segelflugzeug ist immer mit einer Schwerpunktkupplung ausgestattet; eine F-Schleppkupplung ist oft nur eine zusätzliche Option. Die Schwerpunktkupplung, die für den Windenstart verwendet wird, befindet sich an der Unterseite des Rumpfes knapp unterhalb und vor dem Schwerpunkt. Der Zug des Windenseils hat dann während eines großen Teils des Windenstarts eine Wirklinie durch den Schwerpunkt, was die Steuerbarkeit verbessert. Einige Segelflugzeuge können auch an der Schwerpunktkupplung F-geschleppt werden, was aber zu einer weniger stabilen Kombination führt, da die Wirkrichtung des Schleppseils dann unterhalb des Schwerpunkts liegt und das Flugzeug ständig die Nase nach oben ziehen will. Um eine stabilere Situation zu gewährleisten, wird oft eine eigene Schleppkupplung in oder in der Nähe der Nase verwendet.
Die Wirkungslinie des Schleppseils geht dann fast durch den Schwerpunkt und außerdem tritt bei einer Störung der Lage hinter dem Schleppflugzeug ein Rückstellmoment auf, das das Segelflugzeug wieder hinter das Schleppflugzeug bringt.
Die Kupplung besteht im Wesentlichen aus einem beweglichen Haken, der durch eine starke Feder geschlossen gehalten wird, sowie einen Ringkäfig, der den Ring am Ende des Schleppseils in Position hält. Der Ringkäfig ist bei der Windenschleppkupplung ebenfalls federbelastet, aber in die andere Richtung wie der Haken und gibt automatisch das Seil frei, wenn der Zug nachlässt und das Seil einen bestimmten Winkel nach hinten (unten – vergl. Abb. 8.5.3.13) überschreitet.
Um das Schleppseil in die Kupplung einzuhängen, muss der Pilot zunächst aus dem Cockpit heraus den Haken gegen den Widerstand der Feder öffnen. Dann kann der Starthelfer den Metallring am Ende des Seils in die dafür vorgesehene Einbuchtung einlegen. Anschließend lässt der Pilot den Haken in seine Ausgangsposition zurückschnappen, in der er nun den Ring festhält.
Beide Haken werden gleichzeitig über ein Zugseil durch den gelben Knopf auf der linken Seite des Cockpits betätigt. Eine Feder hält in Kombination mit einem Kniehebel den Haken geschlossen, bis der gelbe Knopf gezogen wird. Um beide Haken herum ist ein Stützring angebracht, der bei zu starkem seitlich gerichtetem Zug eine Beschädigung des Rumpfes verhindert. Der Ringkäfig um den Schwerpunkthaken kann nach hinten gekippt werden. Wenn der Auslösemechanismus versagt oder der Pilot nicht ausklinkt, kippt der Stützring nach hinten, sobald die Seilkraft nach hinten gerichtet ist, wodurch der Haken freigegeben wird und das Seil herausfällt.
Abb. 8.5.3.6 Aufbau der Schleppkupplung
Funktionsweise
Der Kupplungshaken kann durch einen Seilzug vom Piloten betätigt werden. Der Ringkäfig wird durch eine Feder auf der vorderen Position gehalten und im Schlepp sowieso in diese Richtung gedrückt.
Abb. 8.5.3.7 Kupplung geschlossen (Haken hält Ring quer zur Flug-/ Zugrichtung fest im Ringkäfig, der in Flugrichtung auf Anschlag gehalten wird.)
Abb. 8.5.3.8 Pilot klinkt aus (er zieht am gelben Knopf und dadurch den Haken aus dem Ring. Der Ring ist damit frei und das Seil fällt.)
Abb. 8.5.3.9 Selbständiges Ausklinken nach dem Windenschlepp (wenn der Ring beginnt entgegen der Flugrichtung zu ziehen, wird der gesamte Ringkäfig gegen die geringe Federkraft nach hinten verschoben, während der Haken fest steht. Dies beginnt bereits bei einem Seilwinkel von ca 80°, da der Fahrtwind auf das Seil und den Schirm wirkt.)
Abb. 8.5.3.10 Manuelles Ausklinken (Sollte die Kupplung nicht automatisch öffnen, kann immer noch der Pilot manuell ausklinken, indem er am gelben Knopf zieht und dadurch den Haken aus dem Ring zieht.)
Schematischer Ablauf
Das Startwindenseil darf erst eingeklinkt werden, wenn das Segelflugzeug startbereit, der Startcheck durchgeführt, die Startstrecke frei ist und der Pilot die Einklinkbereitschaft signalisiert hat. Der Tragflügel bleibt so lange am Boden, bis der Pilot nach dem Einklinken des Windenschleppseiles seine Startbereitschaft signalisiert.
Je nach Startart gibt es verschiedene Bauarten und Montagepunkte von Schleppkupplungen.
Für den Flugzeugschlepp wird das Seil mit der Sollbruchstelle in die Bugkupplung eingeklinkt. Ist keine Bugkupplung vorhanden kann ein F-Schlepp auch an der Schwerpunktkupplung durchgeführt werden, wenn eine entsprechende Einweisung und Erfahrung gegeben ist..
Abb. 8.5.3.11 Bugkupplung und Schwerpunktkupplung am Segelflugzeug
Für den Windenstart immer die Schwerpunktkupplung verwenden. Niemals an der Bugkupplung einklinken, sonst bekommt der Windenfahrer Panik, wenn das Flugzeug anstatt zu steigen direkt auf die Winde zufliegt!
Abb. 8.5.3.12 Seilkraft wirkt gegen Haken.
Abb. 8.5.3.13 Seilkraft verschiebt Ringkäfig nach hinten und das Seil fällt heraus.
Prüfung vor dem ersten Start
Vor dem ersten Schlepp am Tag, wird die Funktion der Kupplung geprüft. Dazu nimmt der Starthelfer das Schleppseilende mit dem Ring, führt es an die Kupplung und gibt dem Piloten das Kommando zum Öffnen der Kupplung in dem er “AUS” sagt. Der Starthelfer setzt den Ring quer zur Flugrichtung ein und sagt “EIN”. Der Pilot schließt die Kupplung.
Dann probiert der Starthelfer das Seil entgegen der Flugrichtung nach hinten herauszuziehen. Dies sollte ohne Probleme leicht funktionieren.
Er setzt den Ring wieder ein mit den oben genannten Kommandos und zieht diesmal in Flugrichtung, hält das Seil gestrafft und gibt dem Piloten das Kommando “AUS”, worauf meist der Starthelfer mit Seil in der Hand nach hinten umfällt und alle Umstehenden anfangen zu lachen.
Für die F-Schlepp-Kupplung gibt es nur den zweiten Teil des Tests, weil dort ja der Ringkäfig des Kupplungshakens feststeht.
Die Prüfung ist damit abgeschlossen und das erneute Einklinken für den Start kann erfolgen, wenn der Pilot startbereit ist.
Hinweis: Sehr alte Segelflugzeuge verwenden einen anderen Typ von Schleppkupplung. Bei der täglichen Inspektion werden der Zustand, die Bedienung, die Befestigung und die Sicherung von:
- Bedienelementen wie Steuerknüppel, Pedale einschließlich Verstellmechanismus, Trimmhebel, Bremsklappenhebel einschließlich Sperre, Klappenhebel und Auslösehebel;
- Schubstangen einschließlich Kniehebel,
- Seile einschließlich Umlenkrollen,
- Ruder einschließlich Scharniere und Verbindungen; Schleppkupplungen einschließlich (beweglichem) Tragring; Bremsschirm falls vorhanden,
überprüft.
