8.6  Instrumentierung

               Instruments

 

8.6.1  Allgemein

Die ersten Segelflugzeuge hatten keine Instrumente. Der Pilot nutzte alle seine Sinne, um sich ein Bild von Geschwindigkeit, Höhe, Steig- oder Sinkflug und Kurs zu machen. Für die Segelflugzeuge der ersten Generation war das ausreichend: Die Flüge dauerten nicht lange und die Flugzeuge flogen niedrig und langsam. Nach und nach wurden die Flugzeuge fortschrittlicher (und die Leistung stieg) und es entstand der Bedarf nach einer eindeutigeren, genaueren und zuverlässigeren Messung, Auswertung und Anzeige dieser Flugparameter.

Ein Gerät kombiniert Messung, Berechnung und Anzeige eines Parameters. Es gibt Fluginstrumente, aber auch System- und Warninstrumente. Fluginstrumente wie Fahrtmesser, Höhenmesser, Variometer, Kompass zur Navigation (aber auch der Faden) liefern Informationen über die Flugposition und den Flugweg. Systeminstrumente liefern Informationen über den Zustand eines Systems wie z. B. des Motors, der elektrischen Anlage, des Funkgeräts und des Transponders.

Neben der oben genannten Einteilung können Instrumente auch in mechanische und elektronische Instrumente eingeteilt werden. Mechanische Instrumente sind in der Regel weniger genau als elektronische Instrumente, haben aber den Vorteil, dass sie ohne Strom arbeiten können.

Die Instrumente sind in einem gefederten Instrumentenbrett untergebracht, wobei die Fluginstrumente einen prominenteren Platz einnehmen als die Nicht-Fluginstrumente.

Die Fluginstrumente werden regelmäßig auf korrekte Anzeige überprüft. Die Anzeige muss nicht hundertprozentig genau sein; in Verbindung mit Verschleiß und Beanspruchung während des Gebrauchs ist eine kleine Toleranz erlaubt. Unter Toleranz versteht man die zulässige Differenz zwischen dem Istwert und dem angegebenen Wert. Wenn die Toleranzgrenze überschritten wird, muss das Gerät neu kalibriert werden. Bei der Kalibrierung wird die Anzeige mit dem Ist- und/oder Standardwert verglichen und angepasst. Dieser Vorgang wird auch als Kalibrierung bezeichnet. Die Kalibrierung sollte nur von einer zugelassenen Wartungsfirma durchgeführt werden.

 

8.6.2  Mechanische Instrumente

 

Einführung

Die meisten Segelflugzeuge verfügen über folgende mechanische Instrumente: Geschwindigkeitsmesser, Höhenmesser, Variometer, Magnetkompass und Libelle (Schiebekugel). Der Geschwindigkeitsmesser, der Höhenmesser und das Variometer basieren auf der Messung und Verarbeitung des Luftdrucks. Dies sind also Druckmessgeräte. Der Magnetkompass basiert auf der Messung der (horizontalen) Richtung des Erdmagnetfeldes und ist somit eine magnetische Messung. Der Magnetkompass ist Teil des Lehrplans für Navigation und wird daher hier nicht behandelt. Die Libelle (Schiebekugel) basiert auf der Messung der Richtung der (scheinbaren) Normalen. Darunter versteht man die kombinierte Wirkung von Erdbeschleunigung und Zentrifugalbeschleunigung.

Die Kugel in der Libelle zeigt also in Richtung der Resultierenden aus Erdanziehungskraft und Zentrifugalkraft.

 

Druckmessgeräte

Die Druckmessgeräte verwenden zwei Messdrücke: den Gesamtdruck und den statischen Druck.

Gesamtdruck

Der Gesamtdruck ist der Druck der ruhenden Luft plus der Druck der sich aus der anströmenden Luft ergibt. Der Gesamtdruck wird mit einem Staurohr gemessen. Dies ist ein hohles Rohr, dessen Öffnung im Luftstrom liegt und in dem sich der Luftstrom bis zum Stillstand staut. Das Staurohr befindet sich in der Nase oder am Seitenleitwerk des Flugzeugs.

 

Abb. 8.6.2.1  Pitotrohr (Öffnung rechts)

Bemerkung: Nach Bernoulli ist der Gesamtdruck gleich dem dynamischen Druck plus dem statischen Druck. In Formelform: pT = ½ρ v2 + pS. Das Staurohr registriert also den dynamischen Druck plus den statischen Druck.

 

Abb. 8.6.2.2  Druckabnahmen am Rumpf

 

Exkurs: Die Standardatmosphäre

Im Fach Meteorologie wird der Verlauf von (statischem) Druck, Temperatur und Dichte mit zunehmender Höhe erklärt. Um dies berechnen zu können, wird ein Modell der Atmosphäre erstellt. Dieses Modell ist weltweit als internationale Standardatmosphäre (ISA) anerkannt. In der internationalen Standardatmosphäre wird der mittlere Meeresspiegel (MSL) als Referenz verwendet. In der ISA MSL gelten die folgenden Werte für Druck (p), Temperatur (T) und Dichte (ρ):

•            p0 = 1013,25 hPa;
•            T0=15°C;
•            ρ0 = 1.225 kg/m3

Darüber hinaus ist im Hinblick auf den Druck- und Temperaturgradienten

12,5 hPa pro 100 m (in geringer Höhe, danach abnehmend);

0,65 °C pro 100 m (bis zur Tropopause in ca. 11 km Höhe).

 

Geschwindigkeitsmesser

Der Geschwindigkeitsmesser ist für den Piloten wichtig, weil er Informationen über den aerodynamischen Zustand des Flugzeugs liefert („Fahrt ist das halbe Leben!“). Diesen erhält man durch Subtraktion des gemessenen statischen Drucks vom gemessenen Gesamtdruck (pT - pS = ½ρ v2). Im Geschwindigkeitsmesser befindet sich zu diesem Zweck eine Differenzdruckdose, deren Innenseite mit dem Gesamtdruck und deren Außenseite mit dem statischen Druck verbunden ist. Mit zunehmender Geschwindigkeit dehnt sich die Dose aus und der Zeiger bewegt sich durch einen Übertragungsmechanismus (siehe Abbildung 8.6.2.3).

 

Abb. 8.6.2.3  Aufbau des Geschwindigkeitsmessers

 

Der Geschwindigkeitsmesser verwendet eine sogenannte logarithmische Skala. Dies ist eine Skalenteilung, die mit steigendem Wert immer kleiner wird. Auf diese Weise wird eine genaue Ablesung der unteren Geschwindigkeiten mit einem großen Skalenbereich kombiniert (siehe Abbildung 8.6.2.3).

Der Geschwindigkeitsmesser ist hinsichtlich der Anzeige des Staudrucks kalibriert. Dies wird als "calibrated airspeed" oder kurz CAS bezeichnet. Das CAS wird jedoch nicht angezeigt. Dies ist auf den sogenannten "Positions- und Instrumentenfehler", abgekürzt "P&I", zurückzuführen. Der Positionsfehler ist der Messortfehler der statischen Anschlüsse: Es ist unmöglich, den korrekten statischen Druck unter allen Flugbedingungen zu messen. Der Gerätefehler wird durch Reibung, Verschleiß, Spiel, Schmutz usw. verursacht. Die Anzeige des Geschwindigkeitsmessers wird daher als "indicated airspeed" oder IAS bezeichnet. Man kann also feststellen: IAS = CAS + P&I.

Einsatz im Betrieb

Um den gleichen Staudruck, sprich IAS, in größeren Höhen zu erhalten, muss die wahre Fluggeschwindigkeit (v) aufgrund der geringeren Luftdichte (ρ) steigen. Die wahre Fluggeschwindigkeit ist die "True Airspeed" oder kurz TAS. Die TAS ist unter anderem wichtig für das Flatterverhalten des Flugzeugs. Die TAS ist nicht angegeben, kann aber mit der Formel TAS = IAS √(ρ0/ρH) berechnet werden, wobei r0 die Dichte auf Meereshöhe in der Standardatmosphäre (1,225 kg/m3) und ρH die Dichte in der Höhe H ist. In der Praxis gilt folgende Faustregel: pro 1000 m Höhe ist die TAS um 6% höher als die IAS. Wenn Du z.B. in 4 km Höhe mit einer angezeigten Geschwindigkeit von 200 km/h fliegst, ist die tatsächliche Fluggeschwindigkeit 4 x 6% = 24% höher, sie beträgt also 248 km/h.

Der Geschwindigkeitsmesser wird in km/h kalibriert und ist farblich gekennzeichnet. Die Farbcodierung hilft dem Piloten, den Geschwindigkeitsmesser richtig zu interpretieren:

• Der weiße Streifen zeigt den Bereich, in dem mit ausgefahrenen Wölbklappen geflogen werden darf. Das Band beginnt bei der Überziehgeschwindigkeit mit maximal positiv gestellten Wölbklappen (1,1 vS0) und endet bei der maximalen Geschwindigkeit mit der bei positiv gestellten Wölbklappen geflogen werden darf. (vFE: maximale Geschwindigkeit mit ausgefahrenen WölbKlappen).
• Das grüne Band zeigt den normalen Betriebsbereich und beginnt bei der Überziehgeschwindigkeit (1,1 vS1: stall speed) und endet bei der maximalen Geschwindigkeit in turbulenter Luft (vRA: rough air speed). Wie in Kapitel 8.2 zu den Belastungen angegeben, wird die vRA für Segelflugzeuge gleich der Manövriergeschwindigkeit vA gesetzt.
• Das gelbe Band zeigt den Vorwarnbereich und beginnt bei der vRA und endet bei der maximal zulässigen Fluggeschwindigkeit (vNE: never exceed speed). Du darfst in diesem Bereich nur mit Vorsicht fliegen, wenn die Luft ruhig ist.
• Die rote Linie zeigt die vNE, die niemals überschritten werden darf, da sonst das Flugzeug irreparabel beschädigt werden kann.
• Das gelbe Dreieck zeigt die empfohlene Landegeschwindigkeit an.
• Eine blaue Linie wird für ein motorisiertes Segelflugzeug verwendet und steht für die beste Steiggeschwindigkeit Vy. Dies ist die Fluggeschwindigkeit, die zu der höchsten Steiggeschwindigkeit (mit Motorkraft) führt.

Hinweis: Die Farbcodierung gilt für ein maximal beladenes Fluggerät ohne Wasser bei einem „g“ (Erdbeschleunigung)

Hinweis: Ein Geschwindigkeitsmesser sollte niemals durch Blasen auf das Staurohr (Anschluss für das Staurohr) getestet werden. Dies kann das Gerät irreparabel zerstören.

 

Höhenmesser

Vorwort

Der Höhenmesser ist eines der wichtigsten Instrumente im Flugzeug und wird daher auch in folgenden Fächern mit behandelt.

Kapitel 3.1 Die Atmosphäre - 3.1.7 Barometrische Höhenmessung; Höhenmesser und Höhenmessereinstellungen

Kapitel 4.1 Begriffsbestimmungen  – 4.1 Begriffe zu Höhe und Höhenmesser

Kapitel 9.1 Grundlagen der Navigation –9.1.4 Höhenmessereinstellungen

Insofern können sich einige Inhalte wiederholen, enthalten jedoch dem Fach entsprechend wichtige Schwerpunkte, die du als Pilot kennen solltest.

Der Höhenmesser bietet dem Piloten die Möglichkeit, seinen Flug unter Berücksichtigung der Leistung des Flugzeugs, eventueller (gesetzlicher) Höhenbeschränkungen, sowie meteorologischer und technischer Einflussfaktoren, optimal zu planen und durchzuführen. Zudem gibt der Höhenmesser den Piloten eine gewisse Sicherheit. Dazu muss aber jeder Pilot jederzeit seine genaue Höhe gegenüber anderen Luftfahrzeugen kennen und kommunizieren können.

Analoge Höhenmesser

Sie zeigen die Druck- und damit die Höhenänderung zur Ausgangshöhe mechanisch direkt über Zeiger und einer normierten Skala an. Siehe Abb.  8.6.2.5.  Das Fensterchen oben in der Anzeige zeigt den eingestellten Luftdruckwert an, welcher mit dem Drehknopf links unten eingestellt werden muss. Es wird „Kollsman Window“ genannt.

Der Betrieb des Höhenmessers (digital und analog) basiert auf der Messung des statischen Drucks. Zu diesem Zweck enthält das Instrument eine Reihe von unter Vakuum stehenden Druckkapseln, die mit zunehmendem statischen Druck (abnehmende Höhe) zusammengedrückt werden und sich mit abnehmendem Druck (zunehmende Höhe) ausdehnen. Ein Mechanismus überträgt diese Bewegung auf zwei Zeiger, die zusammen die Höhe entlang einer linearen, in Metern kalibrierten Skala anzeigen. Ein großer Zeiger zeigt die Hunderter an und läuft alle 1.000 m einmal um; ein kleiner Zeiger zeigt die Tausender an und läuft theoretisch alle 10.000 m einmal um. Auf diese Weise wird ein großer Messbereich mit einer genauen Ablesung kombiniert.

 

Abb.  8.6.2.4  Höhenmesser

 

Kalibrierung des Höhenmessers

Der Höhenmesser ist auf das Druckprofil der Standardatmosphäre kalibriert. Das bedeutet, dass der Höhenmesser null Meter anzeigt, wenn der Luftdruck 1013,25 hPa und die Temperatur 15 °C beträgt. Nur in dieser Situation hat der Höhenmesser eine Toleranz von ± 15 m, d. h. der Höhenmesser darf zwischen -15 und +15 m anzeigen. Unter diesen Bedingungen dürfen die beiden Höhenmesser in einem zweisitzigen Luftfahrzeug maximal 30 m unterschiedlich anzeigen.

Druckabweichungen

Die Standardatmosphäre ist nur ein mathematisches Modell, das zur Kalibrierung dient. In der Praxis sind Luftdruck und Temperatur auf Meereshöhe fast nie so wie die Werte der Standardatmosphäre. Zum Beispiel kann der Luftdruck auf Meereshöhe je nach Wetter zwischen 950 und 1050 hPa variieren. Ein Höhenmesser wird bei 950 hPa etwa 500 m anzeigen, obwohl er sich auf Meereshöhe befindet. Damit der Höhenmesser unter solchen Bedingungen Null anzeigt, kann die Anzeige mit einem Einstellrad an der Vorderseite des Höhenmessers angepasst werden. Der eingestellte neue Referenzdruck kann auf einer Unterskala abgelesen werden, die durch eine Aussparung in der Höhenskala sichtbar ist (siehe Abbildung 8.6.2.4). Die betriebliche Nutzung des Höhenmessers wird im Abschnitt "Navigation" behandelt.

Für solche Einstellungen gelten die folgenden internationalen Vereinbarungen:

Abb.  8.6.2.5   Höhenmessereinstellungen

QFE   bezeichnet die Höhe über Flugplatzniveau

Für (sehr) lokale Flüge kann der Höhenmesser vor dem Start auf null gestellt werden. Die Druckreferenz ist dann der lokale Druck, der am Flugplatz gemessen wird. Dies ist das QFE. Der Höhenmesser zeigt dann während des Fluges eine Höhe in Bezug auf die Höhe des Flugplatzes an.

In diesem Fall besteht kein Zusammenhang mit der Höhe des anderen darunter liegenden Geländes und eventuellen Hindernissen. Im flachen Land kann dies vertretbar sein, in bergigen Gebieten ist dies jedoch sehr problematisch. Außerdem kann sich nach einem (langen) Flug der lokale Luftdruck verändert haben, so dass der Höhenmesser nicht mehr die korrekte Höhe in Bezug auf den Flugplatz anzeigt auf dem du gestartet bist.

QNH   bezeichnet die barometrische Höhe über Meeresniveau

Diese Höhenmessereinstellung ist wichtig, da auf Flugkarten die Höhe von Flugplätzen, Bergen und anderen Hindernissen relativ zur Meereshöhe angegeben wird.

Wenn Du auf dem Flugplatz am Start stehst und das QNH eindrehst, zeigt der Höhenmesser die Höhe des Flugplatzes in Bezug auf die Meereshöhe an. Alternativ geht es auch anders herum, wenn du die Platzhöhe kennst bzw. aus der Luftfahrtkarte entnimmst und den Höhenmesser auf die Flugplatzhöhe einstellst, dann kannst du in der Druckanzeigeskala den QNH Wert ablesen.

QNE   bezeichnet die Standard-Höhenmessereinstellung (1013,2 hPa)

Formal sollte bei einem Überlandflug über 3500 Fuß die Standardeinstellung (STD) von 1013,2 hPa verwendet werden. Alle Höhenmesser zeigen dann eine Höhe in Bezug auf 1013,2 hPa an, so dass ein Höhenvergleich und eine Höhenstaffelung zwischen Flugzeugen möglich ist. In diesem Fall besteht kein Zusammenhang zwischen der angegebenen Höhe und dem darunter liegenden Terrain. Genau das ist der Einwand, den Segelflieger gegen diese Einstellung haben. Es gibt jedoch einen wichtigen Grund, diese Einstellung anzuwenden. Bestimmte Arten von (kontrollierten) Lufträumen werden in Flight Levels (FL) angegeben.

Eine Flugfläche ist eine Druckhöhe, die in Einheiten von hundert Fuß in Bezug zu den 1013,25 hPa angegeben wird. Ein Beispiel mag dies verdeutlichen: Viele kontrollierte Lufträume (Einflug für Segelflieger nur unter bestimmten Bedingungen) haben eine untere Grenze von z.B. FL65. FL65 liegt 6500 Fuß (1967 m) über dem Bezugsdruck von 1013,25 hPa .

Wenn wir nun vor dem Flug den Höhenmesser auf null stellen und sehen, dass der lokale Luftdruck unter 1013,25 hPa liegt, dann wissen wir, dass sich die 1013,25 hPa-Druckebene unter uns befindet. In dem Moment, in dem der Höhenmesser 1967 Meter über Ihrem Feld anzeigt, befindest Du Dich bereits über FL65 und damit in einem Sperrgebiet. Die Transponder an Bord der Segelflugzeuge messen immer die Höhe in Relation zur Ebene 1013,25 hPa und senden diese zusammen mit der Flugzeugregistrierung an die Flugsicherung.

Temperaturabweichungen

Obwohl der Höhenmesser die Temperatur nicht direkt registriert, ist der gemessene Druck von der Temperatur abhängig. Vergleichen Sie die folgende Situation. Zwei identische Luftsäulen von 200 m Höhe werden verglichen. Eine Säule hat eine niedrigere Temperatur als die andere. In der Luftsäule mit der niedrigeren Temperatur stehen die Luftmoleküle dichter beieinander, so dass die Dichte höher ist. Aufgrund der höheren Dichte ist diese Luftsäule schwerer als die Luftsäule mit der höheren Temperatur. Durch das höhere Gewicht der kalten Säule drückt diese mehr auf das darunter liegende Gelände als die heiße Säule. Der Druck ist daher für die Kaltluftsäule höher.

Wie oben beschrieben, registriert der Höhenmesser den Luftdruck. In einer kalten Atmosphäre wird der Höhenmesser den gleichen Druck in einer geringeren Höhe messen. (Merke: Von Warm nach Kalt, wirst Du nicht alt!)

Mit anderen Worten, der Höhenmesser zeigt in einer solchen Situation zu viel an: Die wahre Höhe ist niedriger als die angezeigte Höhe. Dies hat keinen Einfluss auf die Leistung des Flugzeugs, aber es hat Auswirkungen auf die Hindernisfreiheit über Grund, insbesondere in bergigem Gelände.

In der Praxis ist dieser Temperatureinfluss auf die Höhenmessung vernachlässigbar. Die Konstruktion des Höhenmessers berücksichtigt dies daher nicht. Im Ausnahmefall von sehr niedrigen Temperaturen muss der Pilot manuell eine Korrektur auf die vorgesehene Höhe vornehmen. Letzteres ist für Segelflugzeugpiloten nicht relevant.

Lager-Reibung

Ein Höhenmesser muss mit sehr wenig Kraftaufwand mehrere Zeiger bewegen. Der Übertragungsmechanismus zwischen den Druckkapseln und den Zeigern muss daher einen möglichst geringen Widerstand bieten. Im Laufe des Gebrauchs erhöht sich der Reibungswiderstand durch Abnutzung und Schmutzablagerungen. Dies zeigt sich zuerst bei einem Sinkflug, bei dem die Druckkapseln Schwierigkeiten haben, dem Druckanstieg zu folgen. Die Zeiger können dann etwas nachhinken (Hystereseeffekt). Durch leichtes Klopfen auf das Armaturenbrett neben dem Höhenmesser kann die Haftreibung des Übertragungsmechanismus vorübergehend verringert werden, so dass der Höhenmesser eine Chance hat, innerhalb der Toleranz korrekt anzuzeigen. Das Gleiche gilt, wenn der Höhenmesser bei der täglichen Inspektion überprüft wird.

 

Variometer

Das Variometer wird 'Vertical Speed Indicator' genannt und zeigt die vertikale Geschwindigkeit des Flugzeugs an. Sie ermöglicht es dem Piloten, Entscheidungen für den weiteren Verlauf des Fluges zu treffen. Gerade Segelflugpiloten legen großen Wert auf ein genaues und zuverlässiges Variometer. Aus diesem Grund befinden sich oft mehrere Variometersysteme im Flugzeug. Das eine ist fortschrittlicher als das andere und kann mit einem Navigationssystem verbunden sein, muss es aber nicht.

Variometer mit Stauscheibe

Das Variometer misst die Änderung des Luftdrucks pro Zeiteinheit. Das Gerät enthält eine federbelastete und drehbare Druckplatte, die auf der einen Seite mit einem luftgefüllten Reservoir in Form einer Thermosflasche, dem Ausgleichsgefäß, und auf der anderen Seite mit dem statischen Druck verbunden ist. Solange keine Druckdifferenz zwischen dem Druck im Ausgleichsgefäß und statischem Druck vorhanden ist, hält die Feder die Stauscheibe in der Mittelstellung. Ein Zeiger, der direkt mit der Stauscheibe verbunden ist, zeigt dann Null an (siehe Abbildung 8.6.2.6).

 

Abb. 8.6.2.6   Stauscheibenvariometer

 

Während des Steigfluges sinkt der statische Druck, was einen Luftstrom vom Reservoir (Ausgleichsgefäß) an der gedämpften Stauscheibe vorbei zu den statischen Anschlüssen bewirkt. Der Luftstrom drückt gegen die Stauscheibe und versetzt sie in Rotation. Gleichzeitig wird die Feder gedehnt. Wenn sich die Kraft des Luftstroms mit der Gegenkraft der Feder ausgleicht, hört die Stauscheibe auf zu drehen und der Zeiger zeigt die entsprechende vertikale Geschwindigkeit an. Bei einem Sinkflug passiert genau das Gegenteil.

Variometer mit Druckdose

Der Vollständigkeit halber wird hier auch das weniger häufig verwendete Variometer mit Druckdose beschrieben. Das Gerät ist mit einer Differenzdruckdose ausgestattet, deren Innenseite mit dem Ausgleichsgefäß (Thermosflasche) und deren Außenseite mit dem statischen Druck verbunden ist. In der Verbindung zur Differenzdruckdose befindet sich ein kleines, kalibriertes Loch. Die Druckdose ist über einen Mechanismus mit einem Zeiger verbunden (siehe Abbildung 8.6.2.7). Wenn keine Druckdifferenz vorliegt, zeigt der Zeiger Null an. Während des Steigens nimmt der statische Druck ab. Aufgrund des kalibrierten Lochs wird der Druck im Inneren der Kammer langsamer abfallen als außerhalb. Durch den Druckunterschied dehnt sich die Dose aus und der Zeiger zeigt "nach oben". Bei einem Sinkflug geschieht das Gegenteil.

 

Abb. 8.6.2.7  Variometer mit Druckdose

 

Diese Art von mechanischen Variometern hat viel mehr bewegliche Teile als das Stauscheibenvariometer, was die Empfindlichkeit und damit die Genauigkeit verringert.

Ausgleichsgefäß (Thermosflasche)

Nach der Standardatmosphäre fällt der Luftdruck um 12,5 hPa pro 100 m, also 1 hPa pro 8 m. Würde man mit 1 m/s aufsteigen, dann fällt der Druck um 0,125 hPa pro Sekunde. Dies impliziert eine sehr empfindliche Messung. Das Volumen des Ausgleichsbehälters ist entscheidend. Je größer das Volumen, desto empfindlicher ist die Messung. Ein Variometer mit einem Skalenbereich von bis zu 1 m/s hat ein größeres Volumen als ein Variometer mit einem Bereich von 5 m/s. Die hohe Empfindlichkeit bedeutet auch, dass kleine Temperaturänderungen im Reservoir einen großen Einfluss auf den Druck im Behälter haben. Eine Temperaturänderung von einem Grad führt zu einer Druckänderung, die einer Höhendifferenz von 30 m entspricht. Um dies zu verhindern, ist das Behältnis als "Thermoskanne" ausgeführt. Dies ist eine doppelwandige Glasflasche mit einem Vakuum zwischen den Wänden. Dadurch wird verhindert, dass die Wärmestrahlung von außen den Druck in der Flasche negativ beeinflusst. Die Flasche selbst ist mit Isoliermaterial überzogen und das Ganze befindet sich in einer schützenden Metall- oder Kunststoffhülle.

Die Thermosflasche trägt indirekt auch zur Trägheit des Geräts bei. Während eines Steigfluges dehnt sich die Luft in der Flasche aus und kühlt ab (adiabatisch). Am Ende eines kurzen und schnellen Steigfluges (z.B. eines Windenstarts) kann ein Temperaturunterschied von mehreren Grad zwischen dem Behälter und der Luft auftreten. Der relativ warme Zylinder gibt Wärme an die Luft ab, die sich ausdehnt, durch das Variometer ausströmt und vorübergehend eine falsche Anzeige der Steiggeschwindigkeit verursacht. Dieses Phänomen, das beim Schnellabstieg auch in der Gegenrichtung auftritt, erhöht den oben genannten Trägheitsfehler. Unmittelbar nach dem Ausklinken aus dem Windenstart entsteht dadurch manchmal der falsche Eindruck, sich in der Thermik zu befinden. Eine Lösung dieses Problems kann erreicht werden, indem man Kupfergaze oder leicht zerknitterte Aluminiumfolie in die Thermoskanne legt, was die Temperaturanpassung beschleunigt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich das Nutzvolumen der Thermoskanne verringert. Bei Verwendung eines Stabthermometers (siehe nächster Abschnitt) muss das Flaschenvolumen reduziert werden; in diesem Fall schlägt die Verwendung von Kupferdraht oder Aluminiumfolie in der Thermoskanne zwei Fliegen mit einer Klappe.

Kompensiertes Variometer

Wenn während des Fluges plötzlich am Knüppel gezogen wird, wird die Fluggeschwindigkeit für kurze Zeit in Höhe umgewandelt. Das Variometer reagiert darauf und zeigt fälschlicherweise Steigen wie in der Thermik an. Dies wird als „Knüppelthermik“ bezeichnet. Dies kann kompensiert werden, indem die Anzeige des Variometers hinsichtlich der Zu- bzw. Abnahme der Fluggeschwindigkeit kompensiert wird. Hierfür gibt es zwei Methoden.

Kompensation des Flaschenvolumens

Dies kann mit einer zweiten Druckdose erfolgen, die wie der Fahrtmesser aus einer Differenzdruckdose besteht, deren Außenseite diesmal mit dem Staurohr und die Innenseite mit dem Anschluss des Ausgleichsgefäßes an das Variometer verbunden ist. Wenn die Geschwindigkeit steigt, bewirkt der erhöhte Druck im Staurohr ein Zusammendrücken der Druckdose, so dass das effektive Volumen der Flasche abnimmt und der Flaschendruck steigt. Umgekehrt führt eine Verringerung der Geschwindigkeit zu einer Ausdehnung der Druckdose, wodurch sich das effektive Zylindervolumen vergrößert, und der Zylinderdruck sinkt (siehe Abbildung 8.6.2.8).

 

Abb. 8.6.2.8  Totalkompensiertes Variometer mit Druckdose

 

Bei einem Höhengewinn, der lediglich durch „Knüppelthermik“ zustande kommt, wird der abnehmende statische Druck während des Hochziehens dadurch kompensiert, dass der Staudruck in gleichem Maße abnimmt wodurch sich die zweite Druckdose ausdehnt und der Volumenzunahme im Ausgleichsgefäß entgegenwirkt.

Kompensation des statischen Drucks

Dies geschieht mit einem TE-Venturirohr, das die Gesamtenergie des Luftstroms misst. Dies ist die Summe aus der kinetischen Energie und der potentiellen Energie. Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung, in diesem Fall der Fluggeschwindigkeit. Die potentielle Energie ist die Energie des Ortes, in diesem Fall der Flughöhe. Wenn aufgrund von „Knüppelthermik“ die Höhe zunimmt aber die Geschwindigkeit abnimmt, bleibt die Gesamtenergie stets gleich und ein entsprechend kompensiertes Variometer zeigt nichts an.

Diese sogenannte Total-Energie-Kompensation, kurz TEK, erreicht man mit Hilfe des Venturi-Effekts. Dies ist der Effekt durch den bei einer Verengung eines Strömungsrohres die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, wodurch die kinetische Energie der Strömung steigt aber der Druck (die potenzielle Energie) dafür abnimmt. Und, da die Gesamtenergie gleichbleiben muss, herrscht im verengten Teil des Strömungsrohrs ein geringerer Druck, der umso kleiner je größer die Geschwindigkeit ist. Im Vergleich zur ungestörten Luftströmung beträgt der Druck (pS - ½ ρ v2). Dieser Druck wird auch als Venturidruck bezeichnet (siehe Abbildung 8.6.2.9 A).

Die TE-Venturi-Düse hat mehrere Entwicklungen durchlaufen. Ursprünglich handelte es sich um eine "gewöhnliche" Venturi-Düse, wie sie auch bei den ersten Fahrtmessern verwendet wurde.

Eine Venturi-Düse ist ein hohles Rohr mit einer Verengung, das von der Luft durchströmt wird. An der engsten Stelle, der Kehle, befindet sich ein Druckanschluss senkrecht zur Strömung. Spätere Versionen wurden verbessert, um eine saubere Messung des Venturidrucks auch bei (kleinen) Schräglagewinkeln zu ermöglichen (siehe z. B. Abbildung 8.6.2.9 B).

Heutzutage wird häufig ein Rohr verwendet, das in einem Winkel von 80 Grad zum Luftstrom angeordnet ist und zwei parallel angeordnete Langlöcher (Schlitze) auf der Rückseite aufweist. Auch dieses Rohr misst, wie das Venturi, einen geschwindigkeitsabhängigen Unterdruck. Die Abbildung 8.6.2.9 C zeigt diesen Typ von TE-Venturi.

 

Abb.  8.6.2.9       A         B          

 

 

Abb.  8.6.2.9     C

 

Hinweis: Das Rohr wird in der Regel "hängend" befestigt, damit keine Feuchtigkeit eindringen kann. Das Rohr kann aber auch in aufrechter Position befestigt werden.

Das TE-Rohr wird an den statischen Anschluss des Variometers angeschlossen. Wenn die Höhe auf Kosten der Geschwindigkeit zunimmt, bleibt der gemessene Venturidruck (pS - ½ ρ v2= c) trotz der Abnahme des statischen Drucks konstant, so dass das kompensierte Variometer keine Änderung anzeigt.

 

Slipmeter - der Faden

Das Slipmeter zeigt dem Piloten den Schiebewinkel (β) des Flugzeugs an. Der Schiebewinkel ist der Winkel zwischen der Längsebene des Flugzeugs und der Richtung des Luftstroms. Wenn der Luftstrom direkt von vorne kommt, ist die angeblasene Frontfläche des Flugzeugs minimal. Wenn der Luftstrom von links oder von rechts kommt, ist die angeströmte Fläche und damit der Widerstand größer. Es ist daher wichtig, den Schiebewinkel auf Null zu halten. Dies wird als koordinierter Flug bezeichnet.

Das Slip-Meter gibt es in zwei Ausführungen: Die "Kugel" und den "Faden".

Kugel oder Libelle

Die Kugel wird formal als Libelle bezeichnet. Die Libelle besteht aus einem quer gekrümmten, konvexen Glasrohr, das mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist und in dem sich eine kleine Kugel befindet (siehe Abbildung 8.6.2.10).

 

Abbildung 8.6.2.10  Libelle

 

Funktionsweise

Die Libelle ist aufgrund ihrer Befestigung empfindlich gegenüber Beschleunigungen in der Querebene. Die Querebene wird durch die Hochachse und die Längsachse aufgespannt. Auf dem Boden wirkt nur die Erdbeschleunigung auf die Libelle. Aufgrund der Form des Rohrs sucht sich die Kugel den tiefsten Punkt. Ohne Querneigung liegt diese in der Mitte des Rohres genau zwischen den beiden senkrechten Linien. Auf dem Boden verhält sich die Rutschkugel daher wie eine Wasserwaage. Wenn der Luftstrom während des Fluges gerade von vorne kommt, gibt es keine Querkraft und die Kugel wird perfekt zentriert. Dazu müssen alle Ruder koordiniert gesteuert werden (siehe Abbildung 8.6.2.11 links). Wenn jedoch während des Fluges das Flugzeug nicht in gerader Linie von vorne angeströmt wird, wird eine Querkraft erzeugt, die das Flugzeug seitlich beschleunigt. Aufgrund der Trägheit bleibt die Kugel zurück und bewegt sich daher, bezogen auf das Glasrohr, in die entgegengesetzte Richtung zur einwirkenden Querkraft (siehe Abbildung 8.6.2.11 rechts). Indem nun die Pedale in Richtung der Kugel eingesetzt werden, wird die Querkraft eliminiert und der Rumpf wird wieder perfekt angeströmt.

Abb. 8.6.2.11  Schiebeflug

 

Wenn während des Fluges eine Querneigung auftritt, hat die Bewegung eine Komponente in horizontaler Richtung. Diese Seitenkraft bewirkt auch, dass das Flugzeug, in dem sich die Libelle befindet, seitlich beschleunigt wird. Und wieder bewegt sich die Kugel in die entgegengesetzte Richtung der Beschleunigung. Da die Ebene nun eine seitliche Neigung hat, bleibt die Kugel in der Mitte des gebogenen Rohrs. Dies ist der Fall, solange der Luftstrom in dieser Situation direkt von vorne kommt. Es treten keine zusätzlichen horizontalen Querkräfte auf (siehe Abbildung 8.6.2.12). Wenn in dieser Situation der Luftstrom jedoch nicht geradlinig von vorne kommt, tritt eine zusätzliche horizontale Querkraft auf. Die Kugel ist nun außermittig. Siehe Abbildung 8.6.2.12. Diese letzte Situation kann auf zwei Arten behoben werden. Bewegen Sie entweder die Fußpedale in die Richtung, in der die Kugel liegt, oder bewegen Sie den Steuerknüppel in die Richtung, in der die Kugel nicht liegt.

 

Abb. 8.6.2.12  Verhalten der Libelle während des Fluges mit einer Querneigung (Slip)

 

Faden

Vor langer Zeit bestand er aus einem Kegel, der mit einem Faden an einem Stab oben auf der Flugzeugnase befestigt war. Heutzutage ist ist es ein ca. 15 cm langer Faden (vorzugsweise aus Wolle), der an einem Ende in die Mitte der Cockpitverkleidung geklebt wird. Der Faden richtet sich im Luftstrom aus. Wenn der Luftstrom gerade von vorne kommt, befindet sich der Faden in der Mitte. Wenn der Luftstrom von links vorne kommt (Linksslip), dann ist der Faden auf der rechten Seite. Um den Faden wieder in die Mitte zu bekommen, kannst Du zwei Dinge tun: Seitenruder in die Richtung, wo der Faden nicht ist, oder Querruder auf die Seite, wo der Faden ist.

Faden vs. Libelle (Kugel)

Der Faden hat einige Vorteile gegenüber der Libelle: Er ist viel billiger, er wiegt viel weniger, man kann weiter nach draußen schauen und, solange es nicht regnet, zeigt er immer richtig an. Die Libelle zeigt während eines Windenstarts falsch an, wenn Schwerkraft und Seilkraft nicht in der gleichen Ebene liegen.

 

Abb.  8.6.2.13  Verhalten der Libelle während des Fluges im Kurvenflug

 

 

g-Messer (Beschleunigungsmesser)

Segelflugzeuge, die für Kunstflug eingesetzt werden, müssen mit einem g-Messer ausgestattet sein. Dies ist ein Instrument, das dem Piloten Informationen über die g-Belastung des Flugzeugs liefert. Die g-Belastung ist das Vielfache der auf das Flugzeug wirkenden Erdbeschleunigung. Ein anderes Wort für g-Last ist der Lastfaktor 'n'. Aus dem Kurs 'Grundlagen des Segelflugs' ist bekannt, dass der Lastfaktor gleich dem Verhältnis zwischen Last L und Gewicht W ist (n = L/W). Im stationären Geradeausflug ist die Last gleich dem Gewicht und der Belastungsfaktor somit dem 1-fachen der Erdbeschleunigung, also 1-g oder noch kürzer 1. Bei 0-g ist die Gewichtskraft null und man spricht von Schwerelosigkeit. Ist die Gewichtskraft größer als Null, spricht man von positiv-g; ist die Gewichtskraft negativ, spricht man von negativ-g. Aus Festigkeitsgründen wird das Flugzeug für eine bestimmte Kategorie mit Werten für die maximal positiven und negativen g-Belastungen zertifiziert. Die maximale negative g-Belastung ist immer kleiner als die maximale positive g-Belastung. Der Kunstflugpilot muss diese Werte kennen und sicherstellen, dass sie nicht überschritten werden.

Bauweise

Das Gerät verfügt über einen Beschleunigungsmesser, der auf die Hochachse des Flugzeugs ausgerichtet ist. Der Beschleunigungsaufnehmer besteht aus einer gefederten Masse, die ein Dreizeiger-System betätigt. Je nach Belastung wird die Masse mehr oder weniger weit ausgelenkt, wodurch die Feder mehr oder weniger stark ausgedehnt wird. Ein Zeiger folgt kontinuierlich der Bewegung der Masse. Die beiden anderen Zeiger werden durch den ersten Zeiger mitgeschleppt (Schleppzeiger) und verbleiben bei der maximal erreichten positiven und negativen g-Belastung stehen (siehe Abbildung 8.6.2.14).

Auf der Vorderseite des Geräts befindet sich eine Taste zum "Zurücksetzen" der Maximalzeiger und zum "Verriegeln" des Geräts, um den sehr empfindlichen Mechanismus vor Stößen beim Bodentransport zu schützen.

 

Abb. 8.6.2.14  G-Messer

 

Außenlufttemperaturanzeige

Beim Fliegen mit Wasser ist es wichtig, die Temperatur der Außenluft zu kennen. Bei Temperaturen unter Null (Grad Celsius) gefriert das Wasser und dehnt sich aus, was zu Schäden an Leitungen und Wasserauslässen führen kann. Auch kann Wasser in fester Form nicht mehr abgelassen werden. Deshalb müssen Segelflugzeuge, die mit Wassertanks ausgestattet sind, einen Außenlufttemperaturmesser haben.

Diese bestehen in der Regel aus einem flüssigkeitsgefüllten Sensor, der über ein dünnes Rohr (Kapillare) mit einer sogenannten Rohrfeder verbunden ist. Die Rohrfeder ist eine elliptische Röhre, die in Form des Buchstabens C gebogen ist. Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich auch der Flüssigkeitsdruck und die Rohrfeder dehnt sich. Ähnlich einer Tröte aus dem Karnevalsartikelgeschäft. Die Dehnung der Rohrfeder wird auf einen Zeiger entlang einer in Grad Celsius kalibrierten Skala übertragen, wobei eine Temperatur unter Null in blau und eine Temperatur über Null in rot angezeigt wird (siehe Abbildung 8.6.2.15).

 

Abb.  8.6.2.15  Außentemperaturmesser

 

Magnetkompass

Obwohl es sich auch um ein mechanisches Instrument handelt, sind der Aufbau, die Funktionsweise und die Verwendung des Magnetkompasses im Abschnitt "Navigation" enthalten.

 

Abb.  8.6.2.16   Kompass

 

8.6.3  Elektrische Instrumente

Alle elektrischen Instrumente benötigen eine Stromversorgung. Bevor auf diese Instrumente eingegangen wird, erfolgt eine kleine Abhandlung über die elektrische Energieversorgung an Bord von Segelflugzeugen und die damit verbundenen Grundsätze aus der Elektrizitätslehre.

 

Batterie

Die Quelle der elektrischen Energie ist die Batterie oder besser gesagt der Akku. Eine Batterie ist eine Zusammenfassung elektrochemischer Zellen, in denen durch einen chemischen Prozess elektrische Energie erzeugt wird. Während dieses Prozesses kommt es zur Umwandlung der beteiligten Stoffe, die irgendwann erschöpft sind und die Stromerzeugung zum Erliegen kommt. Bei wieder aufladbaren Zellen ist dieser Vorgang reversibel. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Zelle wird eine bestimmte Spannung erzeugt.

Die elektrische Spannung wird mit der Bezeichnung U versehen und in der Einheit V [Volt] ausgedrückt.

Eine Zelle hat einen Pluspol und einen Minuspol. Bei der üblicherweise verwendeten Blei-Säure-Zelle ist die Spannung am Pluspol ca. 2 V höher als am Minuspol. Zwischen den Polen besteht eine Spannungsdifferenz von 2 V, oder anders ausgedrückt, die Zellenspannung beträgt 2 V. Werden nun mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so addieren sich die einzelnen Zellspannungen zur Batteriespannung. Die Stromverbraucher an Bord von Segelflugzeugen sind für eine Versorgungsspannung von 12 V ausgelegt. Um einen 12-V-Bleiakku herzustellen, werden sechs Bleizellen benötigt, die in Reihe geschaltet werden.

Manchmal werden mehrere Batterien verwendet. Diese werden dann nebeneinander (parallel) angeordnet. Die Spannung bleibt gleich, aber die Kapazität der Batterie wird erhöht. Mit anderen Worten: Die Batterien halten länger; siehe Abbildung 8.6.2.17.

Hinweis: Will man zwei Batterien parallelschalten, dann sollten beide Batterien auf die gleiche Spannung aufgeladen sein.

 

Abb.  8.6.3.1  Batterie

 

Hinweis: Manchmal wird ein Schalter verwendet werden, mit dem man zwischen Batterie 1 oder Batterie 2 wählen kann.

Die Kapazität von Batterien wird durch ihre Fähigkeit ausgedrückt, einen bestimmten elektrischen Strom für eine bestimmte Zeitspanne zu liefern. Elektrischer Strom wird mit I bezeichnet und seine Einheit ist das Ampere A. Eine Batterie mit einer Kapazität von 10 Ah kann theoretisch eine Stunde lang einen Strom von 10 A liefern. Die gleiche Batterie kann theoretisch 10 Stunden lang einen Strom von 1 A liefern, usw. In der Praxis sind diese Werte abhängig von der Temperatur und dem Zustand (Alter, Ladezyklen, Pflege) der Batterie.

Hinweis: Für ein langes Batterieleben sollten Blei-Säure-Batterien nach Gebrauch gleich wieder nachgeladen werden und nur in vollgeladenem Zustand gelagert und überwintert werden.

Ein Strom kann nur fließen, wenn der Pluspol und der Minuspol der Batterie in irgendeiner Weise verbunden sind. Eine nicht angeschlossene Batterie hat eine Spannung, aber es fließt kein Strom. Das liegt daran, dass sich zwischen den Polen der Batterie nichts als Luft befindet. Luft ist ein guter Isolator und daher ein schlechter Leiter für Elektrizität. Mit anderen Worten: Luft hat einen sehr hohen elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand wird durch mit R bezeichnet und mit der Einheit Ohm versehen, die wiederum durch den griechischen Buchstaben Omega (W) dargestellt wird. Luft ist also ein schlechter Stromleiter; Metall hingegen ist ein guter Stromleiter. Der elektrische Widerstand hängt also von der Art des Materials zwischen den Polen ab (Leiter oder Isolator). Außerdem hängt der Widerstand einer Leitung von ihrer Länge und Dicke ab. Je kürzer und/oder je dicker die Leitung ist, desto geringer ist ihr Widerstand. Wenn die Pole der Batterie über ein Stück Metall direkt miteinander verbunden sind (bitte niemals ausprobieren!), ist der Widerstand nahezu Null und es fließt - theoretisch - ein unendlich hoher Strom vom Pluspol zum Minuspol. In dieser Situation wird die Batterie "kurzgeschlossen"; dieser sehr hohe Strom geht mit einer starken Wärmeentwicklung einher und ist daher gefährlich für die Batterie, das Flugzeug und Menschen.

Zum Schutz vor den Folgen eines zu hohen Stroms befindet sich eine Sicherung an der Batterie. Dies ist ein kleines Glasrohr mit einem dünnen Draht im Inneren. Wenn der Strom zu hoch wird, schmilzt die Drahtsicherung und unterbricht den Stromkreis, um Schäden zu vermeiden.

Die Höhe des Stroms hängt von der Spannung und dem Widerstand ab. Dies wird im Ohmschen Gesetz ausgedrückt, das als I = U/R geschrieben werden kann. Es besagt, dass, wenn die Spannung U bei konstantem Widerstand R steigt, der Strom I zunimmt. Es besagt auch, dass wenn der Widerstand R bei konstanter Spannung U abnimmt, der Strom I ebenfalls zunimmt.

Moderne Batterien können ihre Spannung über einen längeren Zeitraum mehr oder weniger konstant halten, wodurch der Strom fast ausschließlich vom Widerstand der angeschlossenen Verbraucher abhängt.

 

Elektrisches System

Das elektrische System wird anhand des Schaltplans eines typischen Segelflugzeugs besprochen. Siehe Abbildung 8.6.2.18.

 

Abb.  8.6.3.2  Elektrisches System Flugzeug

 

Die Verbraucher werden alle über einen Hauptschalter an den Pluspol der Batterie(n) angeschlossen. Außerdem hat jeder Verbraucher seinen eigenen Ein/Aus-Schalter.

Zusätzlich zur Hauptsicherung an der Batterie hat jeder Verbraucher seine eigene Sicherung in der Instrumententafel. Diese Sicherung schützt den Verbraucher vor den Folgen eines zu hohen Stroms, der dann auftreten kann, wenn der Verbraucher einen Defekt hat.

Alle Verbraucher werden an 12 V angeschlossen. Je nach Anzahl der angeschlossenen Verbraucher fließt ein Strom vom Pluspol der Batterie über die Verbraucher zurück zum Minuspol der Batterie. Je mehr Verbraucher zwischen dem Pluspol und dem Minuspol angeschlossen sind, desto geringer ist der Widerstand, desto höher ist der Strom, der aus der Batterie entnommen wird. Je höher der Strom, desto schneller ist die Batterie entladen. Eine schwächelnde Batterie kündigt sich oft dadurch an, dass das Funkgerät nicht mehr senden will. Denn beim Drücken der Sendetaste wird viel Strom benötigt. Bei schlechtem Ladezustand bzw. bei weitgehend entladener Batterie kann der erforderliche Strom nicht mehr geliefert werden und das Funkgerät stellt den Sendebetrieb ein. Der Empfang anderer Funkstellen kann dagegen immer noch eine Weile funktionieren.

Am Ende eines Flugtages müssen die Batterien wieder aufgeladen werden. Dies geschieht mit speziellen Batterieladegeräten, die für den Batterietyp geeignet sind. Wenn man vergisst, die Batterie zu laden, wird die Batterie durch starke Korrosion der Zellen (Sulfatierung) beschädigt und verliert an Kapazität.

Neben der immer noch weit verbreiteten Blei-Säure-Batterie gibt es heute auch andere Batterietypen. Neben der Nickel-Metallhydrid-Batterie ist die Lithium-Batterie besonders beliebt. Im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie haben diese Batterien ein geringeres Gewicht und eine höhere Kapazität.

Manchmal werden Solarzellen zur Stromversorgung an Bord von Segelflugzeugen eingesetzt. In Solarzellen wird Licht in Strom umgewandelt. Dies kann zum Laden einer Batterie verwendet werden.

Nachfolgend findest Du eine - teilweise kurze - Beschreibung der folgenden elektrischen Verbraucher:

• Digitale Höhenmesser;
• GPS Geräte;
• Elektrisches Variometer;
• Funkgerät;
• Navigationscomputer;
• FLARM;
• Transponder
• Elektronisches Variometer

 

Digitale Höhenmesser

Digitale Höhenmesser benutzen meist auch die barometrische Messmethode und zeigen die Druck- und damit die Höhenänderung zur Ausgangshöhe auf einem elektronischen Display an. 

Abb. 8.6.3.3  – Digitaler Höhenmesser

 

GPS Geräte

GPS-Geräte können neben der Position auch die Höhe anzeigen. Beides wird von Signalen errechnet, die von Satelliten empfangen werden. Somit ist eine GPS-Höhe unabhängig vom Luftdruck und damit nicht beeinflusst vom Wettergeschehen. Während die Position heute meistens auf unter 10 Meter genau ermittelt werden kann, wird die Höhe mit einem modernen GPS-Gerät beim Empfang von mindesten vier guten Satellitensignalen zwischen +/- 20-30 Meter schwanken. 

GPS-Geräte mit Barometer liefern bei richtiger Handhabung genauere Höhendaten als reine Satelliten-Geräte.

Beim Global Positioning System (GPS) wird der Ort des Empfängers – genauer die Position der Empfangsantenne – durch Entfernungsmessung zu mehreren Satelliten bestimmt, die auf hohen Bahnen die Erde umkreisen. Dazu misst man die Laufzeit des Funksignals, indem das empfangene Signal seinen Sendezeitpunkt als Code „mitbringt“ – und zwar als GPS-Systemzeit im Moment der Sendung.  Für eine Positionsbestimmung reicht ein Satellit nicht aus, denn bei einer einzelnen Entfernungsmessung kann sich ja der Empfänger überall auf einer Kugeloberfläche um den Satelliten befinden, deren Radius die Entfernung und deren Mittelpunkt die momentane Satellitenposition ist. Erst weitere Distanzmessungen engen die Unbestimmtheit des Ortes ein.

Abb. 8.6.2.4  – GPS Satelliten Ortung

 

Elektronisches Variometer

Der große Nachteil von mechanischen Variometern ist die Langsamkeit der Anzeige, wodurch man das „Steigen“ oft eher fühlt als sieht. Diese Trägheit wird teilweise durch (die Reibung des) Mechanismus verursacht, ist aber größtenteils darauf zurückzuführen, dass sich erst eine Druckdifferenz im Gerät aufbauen muss, bevor der Mechanismus reagieren kann. Die mechanische Reibung kann durch den Einsatz elektrischer Sensoren, zur Verarbeitung und zur Anzeige verhindert werden. Die ersten elektrischen Variometer verwendeten zwei temperaturabhängige elektrische Widerstände, die hintereinander in der Luftleitung zwischen Ausgleichsgefäß und Gerät montiert waren. Während des Steigfluges strömt Luft aus dem Ausgleichsgefäß und ein Widerstand wird stärker gekühlt als der andere. Beim Abstieg geschieht das Gegenteil. Aus der Widerstandsdifferenz resultiert ein elektrischer Strom, der ohne Zeitverzögerung in eine Anzeige mit einem elektrisch angetriebenen mechanischen Zeiger umgesetzt wird.

Moderne, elektronische Variometer verwenden einen druckempfindlichen Sensor und zeigen den errechneten Wert auf einem Display an. Die Vorteile der elektronischen Verarbeitung sind zahlreich. Zusätzlich zu der bereits erwähnten schnellen Anzeige können der Skalenbereich und der Kompensationsgrad für die Knüppelthermik eingestellt werden. Darüber hinaus kann die vertikale Geschwindigkeit mit Hilfe von Tonsignalen hörbar gemacht werden. Schließlich ist die zunehmende Integration mit modernen Flugoptimierungs- und Navigationsrechnern zu erwähnen. Der Nachteil dagegen ist und bleibt die Abhängigkeit vom Strom.

 

Abb. 8.6.3.5  Elektronisches Variometer

 

Funk allgemein

Ein Funkgerät ist ein Gerät, das Funkwellen verwendet, um Informationen zu senden und/oder zu empfangen. Radiowellen sind elektromagnetische Wellen einer bestimmten Länge, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) ausbreiten.

In einer Sekunde passen mehr Kurzwellen als Langwellen. Die Anzahl der Wellen (der Schwingungsperioden) pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Die Frequenz (f) wird in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. In der Luftfahrt werden Funkfrequenzen von mehreren Tausend bis mehreren Milliarden Hertz verwendet. Um nicht sehr große Zahlen ausschreiben zu müssen, werden Präfixe verwendet. Die Vorsilbe Kilo (k) steht für Tausend; die Vorsilbe Mega (M) steht für Million und die Vorsilbe Giga (G) steht für Milliarde.

Außerdem werden die Frequenzen in Frequenzbänder unterteilt. Das Frequenzband von 30 bis 300 MHz ist das Very-High-Frequency (VHF)-Band. Das nächste Band von 300 bis 3000 MHz ist das Ultrahochfrequenzband (UHF).

In einem modernen Segelflugzeug befinden sich mehrere Sendeempfänger. Dies sind das Funkgerät, der Navigationsrechner mit GPS, das FLARM und der Transponder. Auch der Crashsender (die Notrufbake), der in einigen Flugzeugen zu finden ist, ist ein Funkgerät.

Sprechfunkgerät (Kommunikations-Funk)

Der Sprechfunk oder kurz "Funk" ist eine kombinierte Sende-/Empfangsanlage, die für Sprachnachrichten verwendet wird. Das Senden mit dem Funkgerät verbraucht relativ viel Strom, wodurch die Batterien belastet werden. Der Kommunikationsfunk ist Bestandteil des Lehrplans für das Fach 'Kommunikation' und wird dort behandelt.

 

Navigationsrechner

Segelflugzeuge werden zunehmend mit einem Navigationscomputer ausgestattet. Dieser Navigationscomputer basiert auf der Nutzung der Satellitennavigation GPS. Die Satellitennavigation verwendet Satelliten, die Funksignale senden, mit denen ein Empfänger seine Position, seinen Kurs, seine Geschwindigkeit und seine Höhe bestimmen kann. Eine zugrundeliegende elektronische (Flug-)Karte kann dann zur Navigation in zwei, manchmal auch drei Dimensionen verwendet werden. Der GPS-Satellitenempfänger ist daher heute Teil des Navigationsrechners. Das Thema "Satellitennavigation" ist Teil des Lehrplans des Fachs "Navigation" und wird daher hier nicht weiter behandelt.

 

FLARM

FLARM (Flight Alarm) ist in erster Linie ein Anti-Kollisionssystem für die Freizeitfliegerei. Es warnt sichtbar und akustisch, wenn sich zwei oder mehr mit FLARM ausgerüstete Flugzeuge zu nahe kommen. Jedes FLARM hat einen eingebauten GPS-Satellitenempfänger, der seine eigene Position (Länge, Breite und Höhe) des Flugzeugs misst. Aus den aufeinanderfolgenden Positionen berechnet FLARM dann auch den Kurs und die Geschwindigkeit. Für eine sehr genaue Höhenmessung kann FLARM mit einem Drucksensor ausgestattet werden. Position, Kurs und Geschwindigkeit werden dann in Intervallen von einer Sekunde mit einer Reichweite von 3 bis 5 km übertragen. Andere Flugzeuge mit FLARM empfangen diese Position und vergleichen sie mit ihrer eigenen Position, ihrer Geschwindigkeit und ihrem Kurs. Wenn auf der Grundlage dieses Vergleichs der zeitliche Abstand zwischen den beiden Flugzeugen zu gering ist, wird ein Alarm ausgelöst.

Im Prinzip ist FLARM immer eingeschaltet. Auf dem Bedienfeld befindet sich eine Modus-Taste, mit der verschiedene Einstellungen vorgenommen werden können (Lautstärke, Art der Warnung, Test usw.). Zusätzlich gibt es eine Reihe von "Status"-Leuchten. Der wichtigste Teil ist jedoch der Anzeigebildschirm, der aus einer vertikalen und einer kreisförmigen Reihe von roten und grünen Leuchtdioden besteht. Diese werden in Bezug auf ein (eigenes) Flugzeugsymbol gruppiert. Die vertikalen LEDs zeigen den relativen Höhenunterschied an; die kreisförmigen LEDs zeigen den relativen Richtungsunterschied an (siehe Abbildung 8.6.2.20).

 

Abb. 8.6.3.6  FLARM Bedienfeld

 

FLARM verfügt über einen 'Nearest'-Modus und einen 'Collision'-Modus. Im Nearest-Modus zeigen grüne LEDs die relative Richtung (horizontal und vertikal) zum nächstgelegenen Flugzeug mit FLARM an. Sobald FLARM erkennt, dass es aufgrund von Geschwindigkeit und Kurs kurzfristig zu einer Kollision kommen könnte, wird der Kollisionsmodus aktiviert und die Farbe der LEDs wechselt auf rot und ein akustisches Signal ertönt. Es ist dann notwendig, sofort in die Richtung, die das FLARM anzeigt, nach draußen zu schauen, worauf eine entsprechende Korrekturmaßnahme durch den Piloten folgen sollte.

FLARM zeichnet auch den Verlauf des Fluges auf und ist somit ein Flugschreiber. Die Flüge können zur externen Verwendung auf eine Speicherkarte heruntergeladen werden.

Außerdem verfügt FLARM über eine Hindernis-Datenbank. Wird zu nahe an ein Hindernis geflogen, gibt FLARM ebenfalls eine Warnung aus. Denken Sie besonders an Seilbahnen und Stromleitungen in bergigen Gebieten.

Hinweis: Für die Bereitstellung einer jahresaktuellen Hindernis-Datenbank verlangt FLARM eine Lizenzgebühr!

Hinweis: FLARM (Flugalarm) soll das See-and-Avoid-Prinzip unterstützen, nicht ersetzen! Der Pilot selbst ist und bleibt stets für einen sicheren Abstand zu anderen Flugzeugen verantwortlich!

 

Transponder

Beim Begriff „Transponder“ handelt es sich um ein Kunstwort bestehend aus „Transmitter“ (Sender) und „Responder“ (Antwortgeber).

Der Transponder macht es möglich, dass (Segel-) Flugzeuge auf dem Radar der Flugsicherung und anderen Flugzeugen sichtbar sind, wodurch es möglich ist, Flugzeuge voneinander zu separieren, um so Kollisionen in der Luft zu vermeiden. Innerhalb einer sogenannten TMZ (Transponder mandatory zone) ist der Betrieb eines Transponders verpflichtend.

Der Transponder „arbeitet“ mit dem RADAR zusammen. Radar steht für "Radio Detection and Ranging", es besitzt die Fähigkeit, mit Hilfe von Funksignalen Richtung und Entfernung zu einem Objekt zu erkennen. Diese Funksignale werden von einem gepulsten Sender gesendet. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Radar: Das Primärradar und das Sekundärradar. Das Primärradars basiert auf dem Reflexionsvermögen des angezielten Objekts. Metall reflektiert besser als Holz oder Kunststoff. Ein Kunststoffsegler ist daher sehr schwer zu erkennen. Außerdem erkennt das Primärradar normalerweise nicht viel mehr als Richtung und Entfernung. Beim Primärradar ist das Objekt also ein passiver Antwortgeber. Das Sekundärradar (der Transponder) hingegen verwendet einen aktiven Antwortgeber. Beim Sekundärradar-Verfahren sendet das Primärradar der Flugsicherung ein codiertes Abfragesignal aus, das von den eingeschalteten Transpondern beantwortet wird. Die Art der Abfrage hängt von der Betriebsart ab, in der das System betrieben wird.

Modus-A

Eine Mode-A-Abfrage fragt nur nach dem eingestellten Transpondercode (Squawk-Code). Für Flüge unter Sichtflugbedingungen (VFR) in Deutschland ist dies der Code 7000. Der Transponder an Bord von Segelflugzeugen muss immer auf diesen Code eingestellt sein. In anderen Ländern kann dies ein anderer Code sein. Wenn Du den Code zurücksetzen musst, ist es wichtig, dass Du weißt, dass es einige spezielle Codes gibt, die nur unter ganz besonderen Umständen verwendet werden dürfen. Dies sind die Codes 7500 (Hijacking), 7600 (Kommunikationsausfall) und 7700 (Notfall). Du kannst Dir vorstellen, dass, wenn einer dieser Codes von einem Flugzeug am Boden empfangen wird, alle möglichen Notdienste alarmiert werden. Im Segelflug sind nur wenige Situationen vorstellbar, die die Verwendung eines dieser Codes rechtfertigen. Ein Hijack kommt eher nicht in Betracht. Kommunikationsausfall bedeutet eine Störung in der Verbindung mit der Flugsicherung während eines Fluges im kontrollierten Luftraum. Eine Notfallsituation bezieht sich auf ein Problem, das eine direkte Auswirkung auf die Flugsicherheit hat.

Modus-C

Eine Mode-C-Abfrage fragt nach der Druckhöhe des Flugzeugs. Die Druckhöhe ist die Höhe über der Oberfläche von 1013,25 hPa. Transponder in Segelflugzeugen haben einen eigenen eingebauten Drucksensor. Die übertragene Druckhöhe wird auf dem Transponder in Flughöhen angezeigt. FL65 bedeutet 6500 Fuß über dem Druckniveau von 1013,25 hPa. Da bei einem Lokalflug der Höhenmesser normalerweise auf QFE und bei einem Überlandflug auf QNH eingestellt ist, ist diese zusätzliche Anzeige der Flugflächen äußerst nützlich, um den vertikalen Abstand zu einem verbotenen Luftraum zu bestimmen, dessen vertikale Ausdehnung normalerweise in Flugflächen angegeben wird.

Modus-S

Heutzutage werden Flugzeuge im Mode-S abgefragt. Modus-S kombiniert die Abfragen von Modus-A und Modus-C mit zusätzlichen Fragen. Im Mode-S können neben dem eingestellten Transpondercode und der Druckhöhe auch Flugzeugtyp, Flugzeugkennung, Position, Kurs und Geschwindigkeit etc. abgefragt werden. Der Flugzeugtyp und die Kennung sind im Transponder vorprogrammiert. Position, Kurs und Geschwindigkeit können auch vom Navigationscomputer abgerufen werden.

ADS-B

Eine sehr junge Entwicklung ist ADS-B. Dies steht für Automatic Dependant Surveillance - Broadacst. Im Gegensatz zu Transpondern sendet ADS-B die o.g. Informationen ungefragt und regelmäßig. Es werden keine Abfragestationen mehr benötigt. ADS-B macht es möglich, dass jeder, der einen geeigneten Empfänger hat, diese Informationen "sehen" kann. Das sind die Fluglotsen am Boden, aber auch die Flugzeuge in der Luft. Auf diese Weise kann ADS-B, genau wie FLARM, in Zukunft dazu beitragen, Kollisionen in der Luft zu verhindern.

Hinweis: Heutzutage gibt es Internetseiten, die die Daten von Transpondern mit oder ohne ADS-B und FLARM auf einer unterlegten Karte anzeigen.

Betriebliche Nutzung

Je nach Ausführung findest Du auf dem Bedienfeld des Transponders eine oder mehrere Tasten mit den folgenden Positionen (siehe auch Abbildung 8.6.2.21):

•  EIN

Diese Taste schaltet den Transponder ein/aus.

• VFR

Mit der 'VFR'-Taste kannst Du sofort auf einen vorprogrammierten VFR-Code umschalten. In Deutschland sind dies 7000, aber wie bereits erwähnt, kann dies von Land zu Land unterschiedlich sein.

• Kennung

Diese Taste drückst Du nur, wenn die Flugsicherung Ihnen den Befehl "Squawk ident" gibt. Während einer kurzen Zeitspanne ist Dein Transponder auf dem Radarschirm der Flugsicherung besonders gekennzeichnet und sichtbar. Auf diese Weise kann die Flugsicherung Dein Flugzeug schnell auf einem oft vollen Bildschirm finden.

• Betriebsarten

SBY

A

• Der Transponder antwortet nur auf Mode-A-Abfragen (konfiguriert Squawk-Code). Manchmal wird dieser Modus auch als ON bezeichnet. Dieser Modus wird nur auf Anforderung der Flugsicherung verwendet, wenn die übertragene Höheninformation unzuverlässig ist.

C

• Der Transponder antwortet auf Mode-A- und Mode-C-Abfragen. Dieser Modus wird auch ALT (of altitude) genannt.

S

• Der Transponder antwortet auf Mode-A, -C und -S Abfragen.

Code

Die Code-Taste verwendest Du, um den Transponder-Code zu ändern

 

Abb.  8.6.3.7  Transponder Bedienfeld

 

 

Anker: Höhenmesser = Baro8; Flarm = Flarm-8