7.2.2  Reisegeschwindigkeit mit Segelflugzeugen

 

Dieses Kapitel ist wie folgt gegliedert

 

Sollfahrt - Reisegeschwindigkeit

Bei leistungsorientierten Überlandflügen geht es entweder darum, eine bestimmte Strecke innerhalb einer so kurzen Zeit wie möglich zurückzulegen oder einen Thermiktag so gut wie möglich auszunutzen und die größtmögliche Strecke zu fliegen. Beides läuft darauf hinaus, dass die Reisegeschwindigkeit, also die geflogene Strecke geteilt durch die dafür benötigte Zeit, maximiert wird. Wie schon zuvor gezeigt wurde, hängt die erzielbare Reisegeschwindigkeit von der Stärke (und der räumlichen Verteilung) der Aufwinde ab. Bei guter Thermik musst du für eine optimale Reisegeschwindigkeit zwischen den Aufwinden schneller fliegen als mit der Geschwindigkeit des bestens Gleitens. Du fliegst also nicht mit einem MacCready-Wert von 0xm/s sondern mit einem höheren Wert, entsprechend des zu erwartenden mittleren Steigens. Beim schnelleren Vorfliegen (Gleitflug zum nächsten Aufwind)  verlierst du für eine bestimmte Gleitstrecke mehr Höhe als wenn du mit der Geschwindigkeit des besten Gleitens fliegen würdest, aber mit dem richtigen MacCready-Wert  überwiegt der Zeitgewinn auf der Strecke den Zeitverlust, der sich aus dem zusätzlichen Höhenverlust ergibt.

Anhand verschiedener Beispiele wird hier gezeigt, wie du die zuvor erläuterten Grundlagen zur Geschwindigkeitspolare und zum Fliegen mit unterschiedlicher Flächenbelastung (d.h. mit und ohne Wasserballast), umsetzen kannst, um eine möglichst hohe Reisegeschwindigkeit zu erzielen.

Im ersten einfachen Beispiel wird angenommen, dass eine LS 4 einmal ohne (Flächenbelastung 32,2xkg/m2) und einmal mit Wasserballast (Flächenbelastung 45xkg/m2) eine Strecke von 18xkm zurücklegt. Weiterhin wird angenommen, dass das Luftmassensinken zwischen den Aufwinden Null ist und es weder Gegen- noch Rückenwind gibt. Nach der Gleitstrecke von 18 km wird in einem Aufwind wieder auf die Ausgangshöhe zurückgestiegen. Dabei wird in einem Szenario angenommen, dass das Flugzeug im Mittel mit 1xm/s steigt und im zweiten Szenario mit 2xm/s.

Du kannst dann für beide Szenarien die insgesamt benötigte Zeit für Gleiten und Steigen und damit die erzielte Reisgeschwindigkeit vergleichen.

Die Abkürzungen bedeuten:

7.2.2 Tabelle Vorfluggeschwindigkeit Abkürzungen

 

7.2.2 Tabelle LS 4 Flächenbelastung neu2

 

Aus den beiden Tabellen sind die folgenden wichtigen Punkte ersichtlich:

  1. Man sieht, welch großen Einfluss die Steigwerte auf die erzielte Reisegeschwindigkeit haben. Das ist für sich genommen eine triviale Erkenntnis, zeigt aber, dass es im Sinn einer hohen Reisegeschwindigkeit wichtig ist, nicht ohne Not Zeit in schwachen Aufwinden zu vergeuden.
    Dabei ist zu beachten, dass es dabei auf das mittlere Steigen ankommt, das sich ergibt, wenn man den erzielten Höhengewinn durch die Zeit teilt, die man gebraucht hat, um diesen Höhengewinn zu erzielen. Das bedeutet, dass nicht nur die Aufwindstärke selbst dabei eine Rolle spielt, sondern auch die Zeit, die man benötigt, um den Aufwind zu finden und zu zentrieren. Das mittlere Steigen ist also immer geringer als die eigentliche Aufwindstärke.
  2. Die kürzeste Gesamtzeit, d.h. die höchste Reisegeschwindigkeit erzielt man (zumindest in der Theorie), wenn man mit der Vorfluggeschwindigkeit fliegt, bei der der eingestellte MacCready-Wert, dem tatsächlich angetroffenen mittleren Steigen entspricht. Der Verlust an Reisegeschwindigkeit durch einen falsch gewählten MC-Wert ist nicht allzu groß, solange sich die Abweichung vom korrekten MC-Wert im Rahmen hält.
  3. Vorflug mit einem MacCready-Wert von 0, also mit der Geschwindigkeit des besten Gleitens, ergibt nicht die höchste Reisegeschwindigkeit.
  4. Vorfluggeschwindigkeiten unterhalb der Geschwindigkeit des besten Gleitens sind sehr ungünstig und damit nicht sinnvoll. (Anmerkung: Im Fall der LS4 mit Wasserballast liegt die Geschwindigkeit von 90 km/h bereits unterhalb der Geschwindigkeit für das geringste Sinken und in der Nähe der Mindestgeschwindigkeit. Die entsprechende Spalte in der Tabelle ist also nur als Rechenbeispiel aufzufassen).

Bei den Steigwerten aus dem Beispiel lohnt es sich, mit Wasserballast zu fliegen, da damit eine höhere Reisegeschwindigkeit erzielt werden kann. Allerdings ist das Beispiel diesbezüglich etwas zu stark vereinfacht, da in den Zahlen nicht berücksichtigt ist, dass ein Flugzeug mit Wasserballast schlechter steigt (siehe auch Kapitel 7.2.1).  Um das gleiche mittlere Steigen zu erzielen wie ohne Wasserballast, müsste der Aufwind also etwas stärker sein. Aber solange die mit Wasserballast mögliche höhere Vorfluggeschwindigkeit diesen Nachteil ausgleicht, lohnt sich die Mitnahme von Wasserballast.

Fliegen nach MacCready

Wie aus dem ersten Beispiel ersichtlich ist, erzielst du die höchste Reisegeschwindigkeit, wenn du zwischen zwei Aufwinden mit der MC-Einstellung fliegst, die dem Steigen entspricht, das im nächsten Aufwind erzielt werden kann. Dies wird im folgenden Beispiel näher illustriert:
dargestellt ist der Flugverlauf von zwei Segelflugzeugen mit identischen Flugleistungen (LSx4 ohne Wasserballast). Beide Segelflugzeuge fliegen gleichzeitig unter der Basis von Wolkex1 ab in Richtung Wolkex2, die 28,7xkm entfernt ist und in deren Aufwind ein mittleres Steigen von 2xm/s erzielt werden kann.  Es wird zur Vereinfachung wieder angenommen, dass es zwischen den beiden Wolken kein meteorologisches Luftmassensinken gibt.

Segelflugzeug A auf dem roten Gleitpfad fliegt mit der MC-Einstellung 0 und erreicht Wolkex2 nach 18xMinuten mit einem Höhenverlust von 696xm.

Segelflugzeug B auf dem blauen Gleitpfad fliegt mit einer MC-Einstellung von +2xm/s und kommt 220xm tiefer aber 6xMinuten früher als FlugzeugxA unter der zweiten Wolke an. Bis das erste Flugzeug die Wolke ebenfalls erreicht, kreist das zweite Flugzeug bereits 500xm weiter oben und erreicht die Wolkenbasis letztendlich mit ca. 4xMinuten Vorsprung vor FlugzeugxA.
Auch hier siehst du wieder, dass du nicht mit einem MC/Wert von 0xm/s fliegen sollst.

7.2.2.1 Mc Cready Vorflug web 1100

Abb.7.2.2.1  Fliegen nach MacCready

Mit der MC-Einstellung von +2 m/s, was dem mittleren Steigen unter Wolke 2 entspricht, fliegst du auf der Gleitstrecke von Wolkex1 zu Wolkex2 deutlich schneller als mit der Einstellung 0xm/s. Im Beispiel oben überwiegt der damit erzielte Zeitgewinn den zusätzlichen Höhenverlust gegenüber dem Flugzeug, das mit der Geschwindigkeit des besten Gleitens fliegt. Wenn du noch schneller, also mit noch höheren MC-Werten fliegst, verlierst du durch den damit verbundenen Höhenverlust mehr Zeit, als du durch die schnelle Vorfluggeschwindigkeit auf der Strecke gewinnst. Die erste Schlussfolgerung daraus ist, dass der optimale MC-Wert nicht höher sein kann als das zu erwartende mittlere Steigen im nächsten Aufwind.

7.2.2.2 Mc Cready kurbeln web1100

Abb.7.2.2.2  Fliegen nach MacCready (2)

Weitere Schlussfolgerungen aus den bisherigen Betrachtungen sind:

  • Eine hohe Reisegeschwindigkeit erzielt man, wenn man nur in den stärksten Aufwinden kreist und dazwischen mit dem jeweils optimalen MC-Wert fliegt, d.h. schwächere Aufwinde werden mit der von MacCready Ring oder Rechner jeweils vorgegebenen Sollfahrt durchflogen, um dabei im Geradeausflug Höhe zu gewinnen. Dies gilt allerdings nur so lange, wie das Erreichen des nächsten starken Aufwinds sicher erscheint. Sobald das Risiko einer Außenlandung deutlich erhöht ist, müssen auch schwächere Aufwinde angenommen werden.
  • In der Realität ist die Aufwindstärke nicht über den gesamten Höhenbereich konstant, sondern variiert meistens mit der Höhe. Für eine optimale Reisegeschwindigkeit ist es daher sinnvoll, überwiegend das Höhenband zu nutzen, in dem der Aufwind am stärksten ist. Wenn die Aufwindstärke deutlich nachlässt und man sicher ist, aus der vorhandenen Höhe wieder einen Aufwind mit gleichen oder besseren Steigwerten erreichen zu können, dann sollte man den aktuellen Aufwind verlassen und weiterfliegen. Dabei wird ein MC-Wert gewählt, der dem erwarteten mittleren Steigen im nächsten Aufwind entspricht.

Da es in der Praxis sehr schwierig ist, das erwartete Steigen im nächsten Aufwind vorherzusagen, wird in der Literatur (z.B. Helmut Reichmann, Streckensegelfug) empfohlen, die MC-Einstellung anhand der Annahme  „Endsteigen im aktuellen Aufwind = Anfangssteigen im nächsten Aufwind = MacCready-Wert“ zu wählen.

Wie schon erwähnt, haben kleinere Fehler bei der der MC-Einstellung keinen allzu großen negativen Einfluss auf die Reisegeschwindigkeit.
Allerdings musst du beachten, dass sich bei aggressivem Vorfliegen mit einem deutlich zu hohen MC-Wert der damit verbundene Höhenverlust negativ auf die Reichweite auswirkt. Damit verringert sich die Wahrscheinlichkeit deutlich, einen Aufwind mit zufriedenstellenden Steigwerten zu finden, wie im folgenden Beispiel verdeutlicht wird:

7.2.2.3 Fliegen nach Mc Cready3 web1100

Abb.7.2.2.3  Fliegen nach MacCready (3)

Du siehst auf der obenstehenden Abbildung vier Segelflugzeuge, die jeweils in 1500 m Höhe unter einer Wolke abgeflogen sind und in Richtung einer großen Wolke in 30 km Entfernung fliegen, wo die Piloten starkes Steigen vermuten.
Dazwischen befinden sich in einem Abstand von jeweils 5 km kleinere Wolken mit schwächerem Steigen.

Das Bild zeigt die Situation 25 Minuten nach Abflug von der ersten Wolke:

  1. Pilot 1 ist vorsichtig und nimmt jeden Aufwind auf dem Weg mit. Zwischen den Aufwinden fliegt er mit MCx=x0 m/s
  2. Pilot 2 fliegt direkt zu der Wolke in 30 km Entfernung und wählt einen MC-Wert von 3 m/s. Er kommt als erster unter der Wolke an, hat dabei aber so viel Höhe verloren, dass er dort außenlanden muss.
  3. Pilot 3 fliegt ebenfalls mit MC = 0 m/s, lässt allerdings die schwächeren Aufwinde aus und fliegt direkt zu dem starken Aufwind, wo er nach 25 Minuten ankommt.
  4. Pilot 4 geht davon aus, dass er mit einem MC-Wert von 1 die große Wolke in einer sicheren Höhe erreichen kann. Er lässt die schwächeren Aufwinde unterwegs aus, erreicht den starken Aufwind und hat nach 25xMinuten bereits wieder die Wolkenbasis erreicht.

Das Beispiel zeigt, dass es bei der Wahl des MC-Werts auch darauf ankommt, dass der angepeilte Aufwind wirklich sicher erreicht werden kann.

7.2.2.4 Fliegen nach MacCready4 web1100

Abb. 7.2.2.4  Fliegen nach MacCready (4)

In Bild oben sieht man die schematische Darstellung des Verlaufs eines Flugs mit optimaler MC-Einstellung. Man erkennt, dass der Pilot versucht, möglichst direkt die Wolken anzufliegen, die die besten Aufwinde versprechen. Dazwischen werden nur Aufwinde ab einer bestimmten Stärke angenommen und es wird ein bestimmtes Höhenband eingehalten.

Für jede Gleitstrecke zwischen zwei Aufwinden gibt es eine optimale MC-Einstellung, die von folgenden Faktoren abhängt:

  • die Stärke des aktuellen Aufwinds
  • das erwartete Steigen im nächsten Aufwind
  • die Entfernung zum nächsten Aufwind
  • die Gleitzahl des Flugzeugs

Hochleistungssegelflugzeuge können aufgrund ihrer guten Gleitzahlen viel größere Gleitstrecken zurücklegen als die in der Anfängerschulung eingesetzten Flugzeuge.

Es ist hilfreich, wenn du in etwa weißt, wie weit du mit deinem Segelflugzeug bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Flächenbelastungen kommst. Dieses Wissen hilft dabei abzuschätzen, ob du den nächsten Aufwind mit einer MC-Ring Einstellung gemäß der erwarteten Aufwindstärke erreichen kannst, oder ob du mit einer niedrigeren MC-Einstellung vorfliegen solltest. Bei der Berechnung der erforderlichen Höhe für den Endanflug – soweit dies nicht über den Endanflugrechner gemacht wird – benötigst du ebenfalls die Gleitzahl des Flugzeugs bei der entsprechenden Flächenbelastung und Vorfluggeschwindigkeit.

Nachfolgend wird das Beispiel einer solchen MacCready-Tabelle für eine LS 4b mit zwei verschiedenen Flächenbelastungen gezeigt. Den Tabellen kann man in Abhängigkeit der gewählten MC-Einstellung folgende Angaben entnehmen:

  • Vorfluggeschwindigkeit
  • Sinkgeschwindigkeit
  • Gleitzahl

Die Abkürzungen in den Tabellen bedeuten:

7.2 Tabelle Abkürzungen MC 1 neu 1

 

 LS 4b ohne Wasserballast

7.2 Tabelle LS4 ohne Wasser neu 1

 

LS 4b mit Wasserballast

7.2 Tabelle LS4 mit Wasser neu 1

Um eine solche MacCready-Tabelle für ein Segelflugzeug zu erstellen, benötigst du die Geschwindigkeitspolare aus dem Flughandbuch. Wie du die Tabellenwerte erzeugst, wird auf dem nächsten Bild gezeigt.

7.2.17 Fliegen nach MacCready5

Abb.7.2.2.5  Fliegen nach MacCready (5)

Das Beispiel zeigt die Sollfahrtkonstruktion für zwei MacCready-Werte, nämlich +x1xm/s und +x2xm/s. Der MacCready-Wert wird auf der y-Achse nach oben abgetragen. Vom jeweiligen MacCready-Wert auf der y-Achse wird eine Tangente an die Polare gelegt. Auf der horizontalen Geschwindigkeitsachse kann man dann die  Vorfluggeschwindigkeit für den gewählten MacCready-Wert ablesen. Die zugehörige Sinkgeschwindigkeit liest du links auf der y-Achse ab.

Bestimmung der theoretischen Reisegeschwindigkeit

Im folgenden Diagramm wird gezeigt, wie du anhand der klassischen Sollfahrttheorie eine theoretische Reisegeschwindigkeit (= zurückgelegte Flugstrecke geteilt durch insgesamt dafür benötigte Zeit) ermitteln kannst.

Es gelten:

  • VSt
erwartetes Steigen in m/s
  • VSi
Gesamtsinken (negativer Wert), d.h. Luftmassensinken plus Eigensinken des Flugzeugs in m/s
  • VSoll
Sollfahrt, km/h
  • VReise
theoretisch erzielbare Reisegeschwindigkeit, km/h

Für die Reisegeschwindigkeit gemäß Sollfahrttheorie ergibt sich damit die folgende Beziehung:

7.2 Formel 1

7.2.2.7 Fliegen nach MacCready6

Abb.7.2.2.6  Fliegen nach MacCready (6)

Die auf diese Weise ermittelte Reisegeschwindigkeit ist eine eher theoretische Größe, die in der Praxis nur noch wenig Bedeutung hat. Du bekommst aber durch das Diagramm einen Eindruck davon, wie sich die verschiedenen Parameter Luftmassensinken, Aufwindstärke und Flugzeugpolare auf die erzielbaren Durchschnittsgeschwindigkeiten auswirken.

Gleitzahl

Die zu einer bestimmten Vorfluggeschwindigkeit gehörende Gleitzahl berechnet sich aus der Vorfluggeschwindigkeit (in m/s) geteilt durch die zugehörige Sinkgeschwindigkeit (in m/s), siehe auch weiter vorn in diesem Kapitel. Man kann die Gleitzahl für verschiedene Abschätzungen verwenden.

  • Gleitzahlx/10 = Strecke, die mit einem Höhenverlust von 100 m zurückgelegt werden kann.
    Beispiel: Mit 700 m Höhenverlust kann man bei einer Gleitzahl von 30 in ruhiger Luft 7xxx3x=x21xkm zurücklegen.
  • Entfernung in m / Gleitzahl = Höhenverlust in m für eine bestimmte Gleitstrecke.
    Beispiel: Wenn man einen Flugplatz in 18 km Entfernung erreichen will und mit einer Geschwindigkeit fliegt, bei der man eine Gleitzahl von 30 erreicht, dann verbraucht man für die Gleitstrecke bis zum Flugplatz 18000:30 = 600 m an Höhe in ruhiger Luft (ohne Reservehöhe bzw. Sicherheitszuschlag).
  • Höhe in km x Gleitzahl = Strecke in km, die man mit dieser Höhe zurücklegen kann:
    Beispiel: mit 1200 m Höhenverbrauch und einer Gleitzahl von 33 kann man 1,2 x 33 = 39,6 km weit gleiten.
  • H/1 = 1000 / Gleitzahl = Höhenverbrauch im m für eine Gleitstrecken von 1 km. Damit kann man schnell die erforderliche Höhe bestimmen, um eine bestimmte Gleitstrecke zurücklegen zu können:
    Beispiel aus der MacCready-Tabelle für die LS 4 mit 32,2 kg/m2:
    Bei MC = 3 beträgt H/1 36 m. Um zu einem Ziel in 20 km Entfernung anzufliegen, werden also 20xxx36xmx=x720xm Höhe benötigt (ohne Sicherheitszuschlag).

Die Werte gelten nur für ruhige Luft ohne Windeinfluss und ohne meteorologisches Luftmassensinken.

7.2.2.8 Fliegen nach McCready Polare Ls4

Abb.7.2.2.7  Fliegen nach MacCready (7)

Diese Geschwindigkeitspolare wurde verwendet, um die MacCready-Liste weiter oben für die LS 4 zu erstellen. Dabei ist zu beachten, dass die horizontale Geschwindigkeitsachse in dem Diagramm bei 60xkm/h beginnt. Für die beschriebene Tangentenkonstruktion musst du die horizontale Achse daher nach links bis zum Wert 0 km/h verlängern.

7.2.2. Segelflug Navigationscomputer web 1100

Abb.7.2.2.8  Segelflug-Navigationscomputer

Glücklicherweise sind heutzutage die meisten Segelflugzeuge mit einem Navigationscomputer ausgestattet, der diese Berechnungen erledigt.

Zusammenfassung

  • Die Stärke der Aufwinde, in denen eingekreist wird, hat einen größeren Einfluss auf die Reisegeschwindigkeit als die optimale MC-Einstellung
  • Fliegen mit einem MC-Wert von 0 m/s führt zu großen Zeitverlusten und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Dagegen führen geringfügige Abweichungen vom optimalen MC-Wert nur zu relativ geringen Verlusten.
  • MC-Werte die grösser sind als das Steigen, das du im nächsten Aufwind erwartest, sind ungünstig. Der mit dem zu schnellen Vorflug verbundene zusätzliche Höhenverlust führt dazu, dass du im nächsten Aufwind weiter unten ankommst, wo die Steigwerte oft geringer sind als weiter oben. Außerdem verringert sich durch zu schnelles Vorfliegen die Reichweite und damit die Chance, gute Aufwinde überhaupt erreichen zu können.
  • Ebenso wenig ist es optimal, mit einer MC-Einstellung weiterzufliegen, die höher ist, als das Steigen im aktuellen Aufwind.  Wenn du erwartest, dass der nächste Aufwind besser sein wird als der aktuelle, dann verlässt du diesen, sobald du absehen kannst, dass du den nächsten Aufwind sicher erreichen kannst. Der Vorflug erfolgt dann mit dem MC-Wert, der dem Steigen im aktuellen Aufwind entspricht. Ein weiteres Steigen bis unter die Wolkenbasis im aktuellen Aufwind mit Steigwerten, die (vermutlich) schlechter sind als die im nächsten Aufwind, lohnt sich dann nicht mehr, auch wenn du dann mit einem höheren MC-Wert vorfliegen könntest.

Anmerkung

Die in diesem Kapitel beschriebene Sollfahrttheorie ist ein Modell einer komplexen Wirklichkeit und basiert auf vielen Annahmen, von denen einige sehr stark vereinfachend sind. Schon die vorausschauende Wahl des MacCready-Werts für das Vorfliegen zum nächsten Aufwind erweist sich in der Praxis als wesentlich schwieriger, als es die vorgestellten einfachen Beispiele suggerieren, bei denen die Aufwindstärke der nächsten Wolken ja als bekannt vorausgesetzt wird. Inzwischen gibt es verfeinerte Modelle, die unter anderem z.B. auch die Wahrscheinlichkeit berücksichtigen, einen Aufwind einer bestimmten Stärke überhaupt zu finden bzw. erreichen zu können. Die meisten erfolgreichen Leistungspiloten weichen deshalb in ihrer Flugtaktik mehr oder weniger stark von den Vorgaben der klassischen Theorie ab.
Nichtsdestotrotz bleiben die Geschwindigkeitspolare und die klassische Sollfahrtheorie die handwerklichen Grundlagen für das Verständnis dafür, wie man beim Streckenfliegen hohe Reisegeschwindigkeiten erzielt.