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Der Schwerpunkt eines Segelflugzeugs

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Die korrekte Bestimmung des Schwerpunkts ist bei jedem Flugzeug essenziell für einen sicheren Flugbetrieb. Da sich der Schwerpunkt je nach Beladung verschiebt, muss er stets innerhalb eines definierten Bereichs bleiben. Auch bei Segelflugzeugen ist es daher erforderlich, den Leermassen-Schwerpunkt regelmäßig zu bestimmen und im Handbuch zu dokumentieren.

Behörden und Hersteller schreiben eine Schwerpunktwägung bei Segelflugzeugen in der Regel alle vier Jahre sowie nach Neulackierungen oder Reparaturen vor. Liegt der Schwerpunkt hinter dem zulässigen Bereich, kann dies zu kritischen Abkipp-Eigenschaften und der Gefahr des Flachtrudelns führen. Ein Schwerpunkt vor dem zulässigen Bereich mindert die Wirkung des Höhenruders. Zudem darf die maximale Flugmasse nicht überschritten werden, da sonst die strukturelle Festigkeit bei G-Belastungen nicht mehr gewährleistet ist.

Die AKAFLIEG GRAZ hat diese Prozedur an ihrem Doppelsitzer OE 5481 Twin Astir durchgeführt. Zur Ermittlung des Leermassenschwerpunkts werden Tragflächen, Rumpf und Höhenleitwerk als Einzelteile gewogen. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, wird jede Wägung zweimal durchgeführt und mit den Daten der vorherigen Wägung verglichen.

Nach der Einzelteilwägung wird das Flugzeug aufgerüstet und mithilfe einer Wasser-Waage am Rumpfrücken exakt in Fluglage ausgerichtet. In dieser Position wird die Spornradlast gemessen. Aus dem Gesamtgewicht der Einzelteile und der gemessenen Spornradlast lässt sich der Leermassenschwerpunkt berechnen. Beim Twin Astir der AKAFLIEG GRAZ ergab die Berechnung einen Wert von 682 mm, was innerhalb des zulässigen Bereichs (670 mm bis 732 mm) liegt.

Abschließend wird aus dem Leermassenschwerpunkt der Beladeplan abgeleitet. Beim Twin Astir (Maximalgewicht 580 kg) ergibt sich eine maximale Zuladung von 170,5 kg. Diese verteilt sich auf den ersten Sitz (70 kg bis 110 kg), den zweiten Sitz (max. 110 kg) und den Gepäckraum (max. 10 kg), wobei die Gesamtmasse der Zuladung das Limit von 170,5 kg nicht überschreiten darf. Quelle: ‘Akaflieg Graz’

Optimale Schwerpunktlage eines Segelflugzeugs

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In der “klassischen Theorie” soll der Flügel eines Flugzeugs den Auftrieb erzeugen und das Höhenleitwerk dient zur Erhaltung der Stabilität. Da im allgemeinen gewölbte Flügelprofile verwendet werden, muss das aerodynamische Moment, welches der Flügel erzeugt und welches die Rumpfnase nach unten drehen will, durch ein Gegenmoment am Höhenleitwerk kompensiert werden. Dazu muss das Höhenleitwerk je nach Flug-Geschwindigkeit und Schwerpunktlage mehr oder weniger Abtrieb erzeugen. Je höher die Flug-Geschwindigkeit und je weiter der Schwerpunkt vorne liegt, um so größer ist der Abtrieb, bei hinterer Schwerpunktlage und geringer Flug-Geschwindigkeit erzeugt das Höhenleitwerk aber auch Auftrieb. Ebenfalls bekannt dürfte sein, dass Wettbewerbspiloten ihr Flugzeug so austrimmen, dass sie an der hinteren Grenze der zulässigen Schwerpunktlage fliegen. Dadurch verbessern sich zumindest theoretisch die Flugleistungen, insbesondere muss beim Kreisen nicht so stark gezogen werden.

Beim “Deutschen Segelflugsymposium” in Stuttgart wurde zu diesem Thema eine Arbeit vorgestellt und diskutiert, die diese an sich bekannten Tatsachen anschaulich an Beispielsrechnungen verschiedener Segelflugzeuge darstellte. So wurde im ersten Schritt untersucht, wie groß eigentlich der Unterschied in den Flugleistungen bei vorderster bzw. bei hinterster Schwerpunktlage ist. Der zulässige Schwerpunktbereich wird vom Konstrukteur festgelegt. Die vordere Schwerpunktlage bestimmt die Größe von Höhenleitwerk und Höhenruderausschlag, so dass z.B. noch genügend Höhenruder-Wirksamkeit im Kreisflug vorhanden ist. Die hintere Schwerpunktlage wird so festgelegt, dass das Flugzeug gerade noch stabil fliegt und z.B. noch sicher aus dem Trudeln ausgeleitet werden kann.

Durchgängig wurde für alle Flugzeugtypen und Spannweite errechnet, dass zwischen vorderster und hinterster Schwerpunktlage ein Leistungsunterschied von 1,0 bis 1,5 Gleitzahlpunkten liegt. Und das ist vergleichsweise viel! Also ist es richtig, mit hinterer Schwerpunktlage zu fliegen?

Dazu die folgenden Überlegungen:

Flugleistungen:
Die Gleitzahl eines Flugzeuges errechnet sich aus dem Verhältnis von gesamtem Auftrieb zu gesamtem Widerstand. Wenn das Höhenleitwerk Abtrieb liefert, muss der Flügel mehr Auftrieb liefern und das ist mit höherem Induzierten Widerstand und höherem Profilwiderstand verbunden. Die Gleitzahl verringert sich somit.

Trotzdem muss die allerhinterste Schwerpunktlage nicht unbedingt die besten Ergebnisse liefern. Das Höhenleitwerk ist nicht dafür konstruiert, viel Auftrieb zu erzeugen. Es hat schließlich meist ein symmetrisches Profil. Das Profil des Tragflügels ist dagegen für die Aufgabe, Auftrieb zu schaffen besser geeignet.

Außerdem erzeugt das Leitwerk mit dem Auftrieb auch einen überproportional großen induzierten Widerstand aufgrund seiner geringen Streckung. Optimal wäre ein Zustand, bei dem das Höhenleitwerk im Langsamflug gerade so viel Auftrieb liefert, um den Auftriebsverlust des Flügels im Bereich des Rumpfes auszugleichen. Dabei wird der induzierte Widerstand des gesamten Flugzeuges minimal. Dieser Zustand liegt je nach Auslegung des Leitwerkes mehr oder weniger weit vor der hinteren Schwerpunktlage.

Flugeigenschaften und Sicherheit:
Bei hinterer Schwerpunktlage ist die Stabilität, insbesondere um die Querachse gering und das Flugzeug muss ständig gesteuert werden, um Fahrtschwankungen, insbesondere beim Thermikkreisen zu vermeiden. Je nach Übung und Können wird der Pilot dabei schneller ermüden und seine Konzentrationsfähigkeit wird nachlassen, so dass der theoretische Leistungsgewinn dahinschwindet.

Mit hinterster Schwerpunktlage wird ein Flugzeug bei Unterschreiten der Mindestgeschwindigkeit viel leichter ins Trudeln gehen, als bei vorderer Schwerpunktlage, bei welcher Trudeln meistens gar nicht möglich ist. Das kann besonders im Gebirge leicht tödliche Folgen haben. Hier reagieren verschiedene Flugzeuge zwar unterschiedlich, aber die Tendenz ist eindeutig.

Besonders der erste Punkt sollte auch den heißesten Wettbewerbspiloten von der allerhintersten Schwerpunktlage Abstand zu nehmen lassen.

Ergebnisse:

  • Der Schwerpunkt hat erheblichen Einfluss auf die Flugeigenschaften und Leistungen. Eine Lage innerhalb der vorderen Hälfte des Bereichs ist in jedem Fall negativ und zu vermeiden.
  • Ein guter Kompromiss ist eine Schwerpunktlage bei 30 bis 35 % vor der hinteren Grenze.
  • Ein Flug hinter der hinteren Grenze ist lebensgefährlich.

Achten Sie genau auf Ihre Schwerpunktlage und lassen Sie evt. Ihr Flugzeug (und sich selbst) neu verwiegen! Quelle: ‚DG Aviation, Dipl. Ing. W. Dirks‘. Berechnungs-Methode.