7.1 Überprüfung von Masse und Schwerpunkt
Verifying mass and balance
Mindest- und Höchstgewicht für die Piloten, Zuladung und Schwerpunkt des Segelflugzeugs gemäß Flughandbuch
Im Flughandbuch, das in jedem Luftfahrzeug vorhanden ist, ist das Mindest- und Höchstgewicht für den/die Piloten angegeben. Überprüfe vor jedem Start die Zuladung und den Schwerpunkt deines Segelflugzeuges, damit dein Flugzeug tatsächlich lufttüchtig ist. Da du bereits die Borddokumente, besonders das ARC (siehe Fach Luftrecht 1.2.2) auf Gültigkeit geprüft hast, kannst du davon ausgehen, dass die Leer-gewichtsschwerpunktlage deines Segelflugzeugs stimmt. Der Schwerpunkt im Flug ist abhängig von der Zuladung, daher musst du die auf dem Hinweisschild für Betriebsgrenzen (Datenschild und Trimmplan) stehende Angaben immer beachten, sie dürfen nie über- oder unterschritten werden.
Die Last des Flugschülers
(mit freundlicher Genehmigung von Tommy Brückelt)
Dieses Kapitel verdeutlicht, welche Bedeutung die Flugmasse und der Schwerpunkt für einen sicheren Betrieb eines Segelflugzeugs haben und was bei der Beladung zu beachten ist.
Entsprechend ist dieses Kapitel unterteilt in die Abschnitte:
7.1.1 Ziel der Berücksichtigung von Masse und Schwerpunkt
In diesem Kapitel geht es um Masse, Schwerpunkt und Beladung des Segelflugzeugs. Für das bessere Verständnis des nachfolgenden Texts werden zunächst die wichtigsten Begriffe näher erläutert.
- Leermasse: Masse des Segelflugzeugs inkl. der Instrumente und Ausrüstungsteile, die fest eingebaut sind. Bei Motorseglern zählen Motor, Schmieröl und nicht ausfliegbarer Restkraftstoff im Tank ebenfalls zur Leermasse.
- Flugmasse: Die Gesamtmasse des Luftfahrzeugs inkl. Besatzung und sonstiger Zuladung
- Masse der nichttragenden Teile: Dabei wird von der oben beschriebenen Leermasse die Masse der beiden Tragflächen abgezogen.
Enthalten sind in der Masse der nichttragenden Teile also:- Rumpf und Leitwerke
- Fest eingebaute Ausrüstung im Rumpf, bei Motorseglern inkl. Treibwerk mit Schmierstoff und nicht ausfliegbarem Kraftstoffrest im Tank.
- Dazu kommt dann noch die Zuladung im Rumpf, also Besatzung inkl. Fallschirme, Gepäck und weitere Ausrüstung sowie gegebenenfalls Kraftstoff
- Für die Masse der nichttragenden Teile gibt es eine Obergrenze, die nicht überschritten werden und die damit die Zuladung begrenzt, die im Rumpf mitgeführt werden darf.
Das Flughandbuch sowie das Hinweisschild für Betriebsgrenzen, die in jedem Flugzeug vorhanden sind, geben an, welche minimale und maximale Zuladung für den / die Sitze im Cockpit sowie für die weitere Beladung gelten.
Hinweisschild für Betriebsgrenzen in der ASK 21 B
Unter den Begriff „Zuladung“ fällt nicht nur die Besatzung, sondern auch die mitgeführte Ausrüstung inkl. Fallschirm(en) und Trimmgewichten, zusätzlichen Instrumenten, Gepäck usw. Bei motorgetriebenen Luft-fahrzeugen müssen auch Kraftstoff und Öl mitberücksichtigt werden.
Vor jedem Start sind Beladung und Schwerpunktlage des Flugzeugs zu überprüfen.
7.1.1.1 Massebeschränkungen
Massebegrenzungen durch strukturelle Grenzen
Luftfahrzeuge unterliegen Massebeschränkungen, die sich durch die nicht grenzenlos belastbare Flugzeug-struktur vorgegeben sind.
Sie sind abhängig von
- der Biegebelastung des Flügels
- der Fahrwerksbelastbarkeit
- Belastbarkeit des Materials bzgl. Temperaturschwankungen.
Massebegrenzungen durch Leistungsbeschränkungen
Luftfahrzeuge unterliegen Massebeschränkungen, die durch die begrenzte
- Start- und Steigleistung
- Eigenstabilität
- Manövrierfähigkeit vorgegeben sind.
Die Start- und Steigleistung eines motorgetriebenen Luftfahrzeugs hängen im Wesentlichen ab von der Triebwerksleistung, der Luftfahrzeugmasse, den äußeren Bedingungen wie Luftdichte (wiederum abhängig vom Luftdruck / von der Höhe und der Temperatur) und weiteren Faktoren wie Startbahnbelag und Profilverschmutzung. Mit zunehmender Flughöhe nimmt die Steigleistung aufgrund sinkender Triebwerksleistung und geringerer Luftdichte kontinuierlich ab (Gipfelhöhe).
Bei der Eigenstabilität eines Luftfahrzeugs betrachtet man die Eigenschaft des Flugzeugs, nach kleinen Störungen wieder in seine ursprüngliche Fluglage zurückzukehren. Wäre ein Flugzeug nicht eigenstabil genug, so würde jede kleinste Störung einen dementsprechenden Steuerimpuls des Piloten erfordern. Das Segelflugzeug wäre nur sehr schwer bis gar nicht steuerbar.
Die Manövrierfähigkeit ist die Eigenschaft eines Flugzeugs, seine Position im Raum (Richtung, Geschwindigkeit und Höhe) mit einer vorgegebenen Rate zu ändern. Die Manövrierfähigkeit ist von mehreren Faktoren abhängig: den aerodynamischen und Festigkeitsgrenzen, dem Fluggewicht, sowie das Ansprechverhalten von Motor und Rudern.
7.1.1.2 Schwerpunktbeschränkungen
Wo liegt der Schwerpunkt?
Wenn du einen Löffel auf dem Rand eines Tellers so, wie im Bild zu sehen ist, ausbalancierst, dass er in der Schwebe bleibt, dann liegt der Löffel exakt mit seinem Schwerpunkt auf dem Tellerrand. Legst du nun ein Stück Würfelzucker vorne in den Löffel, musst du den Löffel in Richtung b verschieben, um ihn wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Der Pfeil a wird also kürzer und der Pfeil b länger, d.h. durch die zusätzliche Masse des Würfelzuckers hat sich der Schwerpunkt nach vorne (in Richtung a) verschoben.
Schwerpunktlage bei Segelflugzeugen
Im Gleichgewicht gilt:
Masse1 x Hebelarm 1 = Masse 2 x Hebelarm 2
xx
Schwerpunktlage und seine Grenzen
Das Hauptrad dieses Einsitzers liegt deutlich vor dem Schwerpunkt
Bei dem Einsitzer im Bild oben liegt das Hauptrad soweit vor dem Schwerpunkt, dass sich das Heck nicht anhebt, wenn der Pilot sich in das Flugzeug setzt.
Die Werte für die Mindest- und Maximalzuladung sind für jedes Segelflugzeug verschieden und müssen dem aktuellen Wägebericht oder dem Aufkleber im Cockpit mit den gültigen Betriebsgrenzen entnommen werden.
Beispiele Schwerpunktlage
Der Schwerpunkt bei einem Grob TWIN II-Doppelsitzer
Bei einem Schulungsdoppelsitzer wie einer ASK 21 oder einem Grob TWIN II wird die Schwerpunktlage durch den vorne sitzenden Piloten bestimmt. Der hintere Sitzplatz (für Segelfluglehrer oder Passagier) befindet sich ungefähr im Schwerpunkt. Daher macht es für die Lage des Schwerpunkts fast keinen Unterschied, ob der hintere Sitz besetzt ist oder nicht. Es ist auch für die Steuerbarkeit weniger ausschlaggebend, zumindest so lange die maximal zulässige Beladung des Flugzeugs nicht überschritten wird.
Mit Hilfe von Trimmgewichten in der Flugzeugnase kannst du bei Bedarf, d.h. wenn du als vorne sitzender Pilot zu leicht bist, die Schwerpunktlage in den zulässigen Bereich bringen.
Es gibt jedoch Doppelsitzer, z.B. die DG-1001, da sitzt der Segelfluglehrer oder Passagier auf dem hinteren Sitz soweit vor dem Schwerpunkt, dass bei der Schwerpunktberechnung 40% seines Gewichts zu dem des vorne sitzenden Piloten dazu addiert werden muss.
7.1.2 Beladung
7.1.2.1 Massen- und Schwerpunktbestimmung (1)
Es werden dann die Masse m1 am Hauptrad und die Masse m2 am Sporn ermittelt. Die Leermasse des Segelflugzeugs ergibt sich damit aus:
mL = m1 +m2
Massen- und Schwerpunktbestimmung (2)
Herleitung der Gleichung und Berechnung des Abstands XL vom Bezugspunkt zum Schwerpunkt.
Die Lage des Leermassenschwerpunktes wird durch Wägung bestimmt
Dazu wird das Segelflugzeug mit Hauptrad und Sporn auf zwei Waagen gestellt und in die vom Hersteller vorgegebene Horizontallage gebracht (siehe Flug- bzw. Wartungshandbuch).
Unten ist ein Beispiel für einen Wägebericht für eine ASW 28 gezeigt.
Die Bestimmungsgleichung für den Abstand XL des Schwerpunkts vom Bezugpunkt erhältst du aus dem Momentengleichgewicht um das Hauptrad:
mL * (XL-a) = m2 * b
woraus du die Berechnungsformel im abgebildeten Beispiel bekommst.
Schwerpunktberechnung am Beispiel einer ASW28
Der Leermassenschwerpunkt dieser speziellen ASW 28 liegt also 602,3 mm hinter dem Bezugspunkt (Tragflügelvorderkante). Gemäß Wartungshandbuch der ASW 28 muss der Schwerpunkt bei einer Leermasse von 257 kg zwischen 570 und 690 mm hinter BP liegen. Mit 602,3 mm liegt der Schwerpunkt im zulässigen Bereich.
7.1.2.3 Massen- und Schwerpunkt (3)
Diagramm über zulässige Flugmasse - Schwerpunktlagen am Beispiel einer ASW28
Das Flughandbuch der ASW 28 gibt auch den zulässigen Bereich für den Flugmassenschwerpunkt an. Dieser muss bei jeder Zuladung zwischen 222 und 345 mm hinter dem Bezugspunkt (Tragflügelvorderkante an der Wurzelrippe) liegen.
Das Segelflugzeug im Beispiel hat bei einer Zuladung von 74 kg im Pilotensitz eine Flugmasse von 331 kg. Um den Flugmassenschwerpunkt für diesen Beladezustand auszurechnen, musst du den Hebelarm für die Zuladung im Pilotensitz kennen. Diese Angabe findest du ebenso wie die Werte für die Hebelarme für andere Ausrüstungsteile (Batterie, Gepäck, Wasser im Hecktank usw.) im Flughandbuch. Je nach Körperbau und Sitzposition variiert dieser Hebelarm für den Piloten zwischen 508 und 594 mm vor dem Bezugspunkt.
Für das obige Beispiel wird ein Hebelarm von 550 mm vor Bezugspunkt angenommen. Wenn außer dem Piloten keine weitere Zuladung berücksichtigt werden muss, erhältst du für den Abstand XS des Flugmassenschwerpunkts vom Bezugspunkt:
Dabei sind
- XL : Abstand des Leermassenschwerpunkts vom Bezugspunkt
- mL : Leermasse
- XP : Hebelarm für den Pilotensitz
- mP : Pilotenmasse
Zu beachten ist, dass XP mit negativem Vorzeichen in die Gleichung eingesetzt werden muss, da sich der Pilotensitz vor dem Bezugspunkt befindet.
Allgemein gilt für die Bestimmung des Abstands XS zwischen Flugmassenschwerpunkt und Bezugspunkt:
Dabei muss darauf geachtet werden, dass für die einzelnen Hebelarme jeweils das richtige Vorzeichen eingesetzt wird.
Dem Ergebnis kannst du entnehmen, dass bei diesem Segelflugzeug und einem Pilotengewicht von 74 kg der Flugmassenschwerpunkt auf der hinteren Grenze liegt. Wie schon im Beispiel des Wägeberichts weiter oben gezeigt, entsprechen die 74 kg in diesem Fall also der Mindestzuladung im Pilotensitz.
Wird nun für den Piloten 110 kg eingesetzt, ergeben sich eine Flugmasse von 367 kg und ein Flugmassenschwerpunkt von 257 mm hinter dem Bezugspunkt.
Berechnung der Mindestzuladung im Pilotensitz |
Die Mindestzuladung im Sitz kann man auch aus der Bedingung, dass der Flugmassen-schwerpunkt nicht weiter als 345xmm hinter dem Bezugspunkt liegen darf, ausrechnen. Dazu wird die Bestimmungsgleichung für den Flugmassenschwerpunkt nach mP umgestellt und für XS der Wert 345xmm für die hinterste zulässige Schwerpunktlage eingesetzt: Auch hier musst du wieder beachten, dass Hebelarme für Massen, die vor dem Bezugspunkt liegen und solche für Massen, die hinter dem Bezugspunkt liegen, jeweils unterschiedliche Vorzeichen haben. |
7.1.2.4 Einfluss der Sitzposition
Einfluss des Hebelarms durch unterschiedliche Rückenlehnenstellungen auf die Schwerpunktberechnung
Einfluss der Sitzposition auf den Schwerpunkt
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Wie schon weiter oben erläutert, hat die Sitzposition einen erheblichen Einfluss auf den Hebelarm, der für den Piloten in der Schwer-punktberechnung einzusetzen ist. Ein Pilot, der infolge der Stellung der Rückenlehne weiter vorne sitzt, hat einen längeren Hebelarm als ein Pilot, der mit einer weit nach hinten gestellten Rückenlehne fliegt oder diese ganz ausgebaut hat. |
7.1.2.5 Kopflastigkeit und Schwanzlastigkeit
Die Lage des Schwerpunkts hat einen massiven Einfluss auf die statische Längsstabilität des Flugzeugs, d.h. die Stabilität um die Querachse.
Diagramm über zulässige Flugmasse
- Schwerpunktlagen -
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Es ist daher nicht empfehlenswert, mit einer Schwerpunktlage nahe an der hinteren Grenze zu fliegen.
7.1.2.3 Optimale Schwerpunktlage
Im obigen Diagramm für die ASW 28 ist dieser optimale Schwerpunktbereich durch eine dunkelgrüne Schraffierung gekennzeichnet. Während der zulässige Bereich für den Flugmassenschwerpunkt zwischen 222xmm und 345xmm hinter dem Bezugspunkt liegt, siehst du, dass der optimale Bereich mit 300xmm bis 310xmm hinter dem Bezugspunkt relativ klein ist.
Liegt der Schwerpunkt weit vor diesem optimalen Bereich, kannst du ihn z.B. durch die Mitnahme von Wasserballast im Hecktank in den optimalen Bereich bringen.
7.1.2.7 Fliegen mit Wasserballast in den Tragflächen
Wie in den folgenden beiden Kapiteln 7.1.1 und 7.1.2 gezeigt werden wird, gibt es bei Wetterlagen mit guter Thermik durchaus Vorteile, wenn man mit einem schwereren Flugzeug fliegt. Dazu haben moderne Segelflugzeuge die Möglichkeiten, Wasserballast mitzuführen. Dabei müssen aber die Vorgaben des Beladeplans aus dem Flughandbuch des Segelflugzeugs eingehalten werden.
Anhand des Beispiels der ASW 28 wird erklärt, was bei Fliegen mit Wasserballast in Bezug auf Massen und Schwerpunktgrenzen zu beachten ist.
Die Tabelle unten gibt an, wie viel Wasserballast bei einer ASW 28 in Abhängigkeit von der Leermasse und der Zuladung im Cockpit (Pilot + Fallschirm + Gepäck) maximal mitgeführt werden darf. Die Zahlen ergeben sich aus der maximal zulässige Flugmasse von 525xkg, die nicht überschritten werden darf.
Beispiel einer Zuladungstabelle für Wasserballast | In der rechten unteren Ecke der Tabelle sieht man einige Kombinationen aus Leermasse und Zuladung, die mit XXX schraffiert sind. Hier wird die maximal zulässige Masse der nichttragenden Teile, die bei einer ASW 28 260xkg beträgt, bereits ohne Wasserballast überschritten. Das bedeutet, dass z.B. bei einem Flugzeug mit einer Leermasse von 270xkg die Masse der nichttragenden Teile schon so hoch ist, dass eine Zuladung im Cockpit von 115 kg oder mehr gar nicht mehr zulässig ist. Mit dieser Beladung darf also auch ohne Wasserballast nicht geflogen werden, selbst wenn die maximale Flugmasse von 525xkg eingehalten würde. |
Beträgt die Leermasse z.B. 250 kg und die Zuladung im Cockpit - bestehend aus Pilot plus Fallschirm sowie Gepäck - 85 kg, so dürfen höchstens noch 190 l Wasserballast mitgeführt werden.
7.1.2.8 Überladung
Vom Hersteller werden die Luftfahrzeuge auf bestimmte Belastungen ausgelegt, die in den entsprechenden Bauvorschriften vorgegeben sind.
Die Belastungen, die ein Segelflugzeug im Flug ertragen können muss, ergeben sich aus der Flugzeugmasse multipliziert mit der Beschleunigung, die auf ein Segelflugzeug in dem jeweils nachzuweisenden Flugmanöver einwirkt, siehe dazu im Fachgebiet 8 (Allgemeine Luftfahrzeugkunde in Bezug auf Segelflugzeuge) Kapitel 8.2 (Bauarten, Belastung und Beanspruchung der Struktur).
Je grösser die Flugmasse ist, desto grösser werden die Kräfte, die auf die Luftfahrzeugstruktur z.B. bei einem Abfangbogen wirken. Für die Musterzulassung eines Flugzeugtyps hat der Hersteller sowohl durch Berechnungen als auch durch Bruchversuche den Nachweis erbracht, dass die Struktur die geforderten Lasten bis zur maximal zulässigen Flugmasse ohne Schäden ertragen kann.
Bei einem Überschreiten der maximal zulässigen Flugmasse durch Überladung besteht dagegen die Gefahr, dass die Struktur überlastet wird, selbst wenn man ein an und für sich zulässiges Flugmanöver ausführt.
Zusätzlich hat eine Überladung negative Eigenschaften auf die Flugleistung, Start -und Landestrecke werden länger und die Steigleistung verschlechtert sich.
7.1.2.9 Unterschreiten der Mindestzuladung
Zusammenfassung
- Die vom Flughandbuch vorgegebenen Grenzen für Beladung und Schwerpunktlage sind zwingend einzuhalten. Es ist daher wichtig, sich bei jedem Flugzeug mit dem Beladeplan im Flughandbuch vertraut zu machen.
- Je nach Lage des Schwerpunkts ändern sich die Flugeigenschaften. Wenn du dich mit einem neuen Segelflugzeugtyp vertraut machst, ist es daher sinnvoll, wenn du dabei durch geeignete Maßnahmen (z.B. Mitnahme von Trimmgewichten) eine Schwerpunktlage im mittleren bis vorderen Bereich einstellst.
Für Leistungsflüge ist es empfehlenswert, die Schwerpunktlage so einzustellen, dass sie in dem vom Hersteller empfohlenen optimalen Bereich liegt.
Anker: Berücksichtigung = Schwerpu; Beladung = Schwerp7; Zusammenfassung = Schwer-Zus
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