8.1 Segelflugzeugzelle
Airframe
8.1.1 Allgemeines
Definition
Laut Regelwerk ist ein Segelflugzeug „ein Starrflügelflugzeug, das kein Reisemotorsegler ist, das schwerer als Luft ist, das hauptsächlich durch aerodynamische Kräfte in der Luft gehalten wird und dessen freier Flug nicht von einem Motor abhängt".
Ein Segelflugzeug mit einziehbarem Hilfsmotor, der als "Heimkehrhilfe" dient oder das als "Selbststarter" ausgeführt ist, bleibt ein Segelflugzeug. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Hilfsmotor ein Verbrennungsmotor oder ein Elektromotor ist. Obwohl es sich nicht um Prüfungsstoff handelt, wird in diesem Dokument dem Thema des Hilfsmotors eine gewisse Aufmerksamkeit geschenkt.
Konstruktion und Festigkeit
Die Konstruktion von (Segel-)Flugzeugen basiert auf einer Geometrie, die maximalen Auftrieb bei minimalem Luftwiderstand erzeugt und die ein möglichst geringes Gewicht mit ausreichender Festigkeit verbindet. Je nach gewünschter Verwendung kann der Konstrukteur den thermischen Eigenschaften (Langsamflug) oder den Gleitflugeigenschaften (Schnellflug) mehr Aufmerksamkeit schenken. Bei Leistungsseglern kann das Fahrwerk eingezogen und das Flügelprofil angepasst werden. Außerdem kann der Konstrukteur die Erfahrung des Piloten berücksichtigen; ein Schulungsdoppelsitzer und ein Übergangstrainer haben in der Regel ein gutmütigeres Verhalten, das oft auf Kosten der Flugleistung geht. Abschließend sei noch erwähnt, dass auch Segelflugzeuge speziell für den Kunstflug gebaut werden.
Die Festigkeit ist so gewählt, dass die häufigsten Belastungen aufgenommen werden können. In Kapitel 8.2 wird dies näher erläutert. Es ist wichtig, dass man die formgebenden und die tragenden Komponenten einer Konstruktion auseinanderhalten kann.
Ursprünglich wurden Segelflugzeuge auf Basis eines Holz- und/oder Metallfachwerks zur Erreichung der erforderlichen Festigkeit gebaut, das dann mit Stoff, Holz oder Metall bespannt wurde um die gewünschte Stromlinienform zu erreichen. Heutzutage ergibt sich das Aussehen eines Segelflugzeugs aus der Verwendung einer Kunststoffschale, die an den erforderlichen Stellen verstärkt wird. Die Kunststoff-Verbundwerkstoffe ermöglichen die Kombination einer hohen Festigkeit der Konstruktion mit optimaler Stromlinienform.
Zulassungskategorien
Die meisten Segelflugzeuge werden in Europa gemäß den Lufttüchtigkeitsanforderungen der EASA gebaut und zugelassen. Diese sind in CS-22 (Certification Specification number 22) zu finden. Segelflugzeuge müssen eine Menge Anforderungen erfüllen. Eine davon ist eine Festigkeitsanforderung. Segelflugzeuge für den "normalen" Gebrauch sind in der Kategorie Utility (U) zertifiziert. Segelflugzeuge, die für Kunstflug vorgesehen sind, müssen in der Kategorie Kunstflug (A) zugelassen sein. Ein Segelflugzeug der U-Kategorie ist weniger belastbar als ein Segelflugzeug der A-Kategorie und kann daher nicht alle Kunstflugmanöver ausführen. In Kapitel 8.2 wird näher auf die Belastungen während des Betriebs eingegangen.
Wettbewerbsklassen
Die "International Gliding Commission (IGC)" der "Fédération Aèronautique Internationale (FAI)" definiert folgende Klasseneinteilungen für Wettbewerbe:
- Standardklasse: 15m Spannweite, Wasserballast erlaubt, Wölbklappen nicht erlaubt;
- 15m-Klasse: 15m Spannweite, Wasserballast und Wölbklappen erlaubt;
- 18m-Klasse: 18m Spannweite, Wasserballast und Wölbklappen erlaubt;
- Offene Klasse: keine Beschränkung der Spannweite, max. 850 kg;
- Doppelsitzerklasse: max. 20 m Spannweite;
- Clubklasse: hier sind die älteren, kleineren Segelflugzeuge mit unterschiedlichen Leistungen versammelt, die mittels eines Handicapfaktors (Index) verglichen werden können; Wasserballast ist nicht erlaubt;
- Weltklasse: reserviert für einen Flugzeugtyp; derzeit der polnische Typ PW5.
Baugruppen
Ein Segelflugzeug besteht aus den folgenden Bestandteilen:
Flügel
Die Flügel (Tragfläche) dienen der Auftriebserzeugung. Die Tragfläche besteht aus einem abnehmbaren linken und rechten Flügel, die aneinander und am Rumpf befestigt sind. Jeder Flügel beherbergt auch eine Reihe von Steuerelementen wie Querruder, Bremsklappen und ggf. Wölbklappen. Außerdem befinden sich oft Wassertanks oder Wassersäcke in den Flügeln. Ein Flügel kann aus mehreren Segmenten bestehen: einem Innen- und einem Außenflügel. Heutzutage wird oft eine nach oben gebogene Flügelspitze, ein sogenanntes Winglet, am Außenflügel angebracht.
Leitwerk (Schwanz, Heck)
Das Leitwerk dient der Flugstabilität und zur Steuerung um zwei der drei Steuerachsen. Das Leitwerk besteht aus dem vertikalen Seitenleitwerk und einem horizontalen Höhenleitwerk jeweils mit Flosse und Ruder. Manche Höhenleitwerke sind als „Pendelruder“ konstruiert, dabei wird zur Steuerung nicht ein eigenes Ruder, sondern die ganze Flosse bewegt. Das Seitenleitwerk dient der Richtungsstabilität und Steuerung um die Hochachse, das Höhenleitwerk der Längsstabilität um die Querachse. Das Höhenleitwerk ist abnehmbar. Meist ist das Höhenleitwerk heute als T-Leitwerk (oben an der Seitenflosse) ausgeführt, es gibt aber auch Flugzeuge, bei denen die Höhenflosse auf dem Rumpf aufliegt oder nur leicht darüber liegt (Kreuz-Leitwerk). Eine seltene Sonderform ist das V-Leitwerk, bei dem zwei schräg angeordnete Stabilisierungs- und Steuerflächen gemeinsam als Seiten- und Höhenruder funktionieren. Das ergibt weniger Widerstand, aber die Konstruktion ist kompliziert.
Rumpf
Der Rumpf bietet Platz für den Piloten, das Fahrwerk, die Schleppkupplung(en) und eventuell für einen Motor. Integraler Bestandteil des Rumpfes ist der Leitwerksträger, der die nötige Entfernung des Leitwerks (Hebelarm) zum Schwerpunkt herstellt.
Fahrwerk
Das Fahrwerk nimmt die Lasten bei Start und Landung auf und erleichtert den Transport am Boden. Das Fahrwerk ist heute oft einziehbar. Zum Fahrwerk gehört auch der Hecksporn oder das Heckrad.
Ruder
Die Ruder dienen zur Steuerung der drei Achsen, nämlich ein Höhenruder zur Bewegung um die Querachse (Nicken), ein Seitenruder zur Bewegung um die Hochachse (Gieren) und Querruder zur Bewegung um die Längsachse (Rollen).
Bremsklappen
Die Bremsklappen werden verwendet, um den Gleitwinkel zu steuern und ggf. zu verhindern, dass die Fluggeschwindigkeit während eines schnellen Abstiegs zu stark ansteigt. Sie erhöhen den Widerstand und verringern den Auftrieb des Flügels.
Wölbklappen
Die Wölbklappen dienen zur Anpassung des Flügelprofils an hohe und niedrige Fluggeschwindigkeiten.
Abb. 8.1.1.1 Segelflugzeug
Bauweisen
Fachwerkbauweise
Die ersten Segelflugzeuge hatten einen tragenden Rahmen aus einer Fachwerkkonstruktion. Dies ist eine Konstruktion, die aus Holz- oder Metallleisten, Holmen, Stäben und Rohren besteht. Diese wurden aus Festigkeitsgründen als Dreiecke durch Schweißen, Nieten, Schrauben oder Kleben miteinander verbunden. Später in diesem Kapitel findest Du eine kurze Übersicht über die verschiedenen Verbindungstechniken. Mit der Fachwerkkonstruktion wurde die grobe Form festgelegt. Die endgültige Form wurde erzeugt, indem das Fachwerk mit einer nicht tragenden Haut in Form von imprägniertem Baumwollstoff überzogen wurde. Manchmal wurden Formteile aus Holz verwendet, um einen fließenderen Übergang zwischen den verschiedenen Teilen zu schaffen. Dort, wo die Fachwerkkonstruktion eine zusätzliche Verstärkung benötigte, wurden Holz- oder Metallbeschläge oder Traversen eingesetzt.
Schalenbauweise
Mitte des letzten Jahrhunderts begannen die Konstrukteure, die Außenhaut zur Festigkeit beitragen zu lassen. Die Außenhaut wird dann als Schale ausgeführt. Eine Schalenkonstruktion kombiniert Formbeständigkeit und Festigkeit. Eine solche Konstruktion ist sehr leicht und dennoch stabil (man vergleiche sie mit einer Eierschale), aber auch anfällig, da sie bei einer Beschädigung schnell an Festigkeit verliert. Bei Punktbelastungen, wie z. B. Verbindungen von Rudern, Flügeln und Fahrwerk, muss die Schalenkonstruktion lokal verstärkt werden. Neben der Verstärkung muss die Schalenkonstruktion auch versteift werden, um Faltenbildung zu verhindern. Das Endergebnis ist eine modifizierte Schalenkonstruktion, bestehend aus einer selbsttragenden Außenhaut mit Aussteifungen in Form von Längsgurten (Längsaussteifungen, beim Flügel heißen sie „Holme“) und offenen oder geschlossenen Fachwerken oder auch Spanten quer zur Längsrichtung (Queraussteifungen). Ursprünglich wurde diese Konstruktion aus Holz und Metall gefertigt, aber heutzutage wird dafür auch Kunststoff verwendet.
1: Fachwerk mit Leinwand 2: Fachwerk mit Wellblech 3: Schalenbauweise 4: Halbschalenbauweise
Abb. 8.1.1.2 Bauweisen
8.1.2 Aufbau der Flügel
Allgemein
Die Tragfläche besteht aus einem linken und einem rechten Flügel. Beide Teile sind so aneinander befestigt, dass beide Flügel eine Einheit bilden. Früher wurden die Flügel mit Streben am Rumpf abgestützt (z.B. Grunau Baby).
Abb. 8.1.2.1 Grunau Baby
Heutzutage sind die Flügel freitragend. Der Teil des Flügels der an den Rumpf stößt, wird als Wurzel bezeichnet, das andere Ende ist die Spitze oder der Randbogen. Die Wurzel ist verstärkt, um das Gewicht und die Beschleunigungskräfte des Rumpfes in den Flügel einzuleiten. Außerdem enthält die Wurzel die Durchführungen für die Ruderanschlüsse. Der Flügel kann mit Ansteckflächen verlängert werden, um die Streckung zu erhöhen.
Um den (induzierten) Luftwiderstand weiter zu reduzieren, kann ein vertikales Endstück an der Spitze angebracht werden: das sogenannte Winglet.
Abb. 8.1.2.2 Winglet
Der Luftwiderstand kann weiter reduziert werden, indem der Spalt zwischen Flügel und Ruder mit einem Klebeband abgedeckt wird.
Dieses Band ist nicht zu verwechseln mit dem Zackenband auf der Unterseite des Flügels. Das Zackenband erzwingt eine turbulente Strömung. Obwohl eine turbulente Strömung mehr Widerstand erzeugt, liegt sie länger an und löst sich in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen weniger schnell ab. Siehe dazu das Fach Grundlagen des Fliegens.
Zum Schluss werden noch die Mückenputzer erwähnt. Dabei handelt es sich um eine Art Abstreifer, der während des Fluges an der Vorderkante (der Flügel) hin und her bewegt werden kann, um sie von Insektenresten zu reinigen.
Das wichtigste Strukturteil des Flügels ist der Flügelholm. Dabei handelt es sich um einen biegesteifen Holm, der von der Wurzelrippe zur Spitze verläuft. Im Rumpf sind die Holme der beiden Flügelhälften durch lösbare Verbindungen, den sogenannten Hauptbolzen, fest miteinander verbunden. Der Holm befindet sich etwa in 1/3 der Flügeltiefe von der Flügelvorderkante entfernt und muss unterschiedliche Kräfte aufnehmen können. Während des Fluges sind dies das Gewicht (des Segelflugzeuges) und die Luftkräfte auf Flügel und Rumpf. Siehe Abbildung 8.1.2.3. Manchmal werden Hilfsholme verwendet, um den Hauptholm bei der Aufnahme dieser Lasten zu unterstützen, siehe später.
Abb. 8.1.2.3 Flügel-Rumpf-Verbindung
Die auf die Flügelfläche wirkenden Luftkräfte werden entweder direkt oder über Rippen auf den Holm übertragen. Rippen sind die in Sehnenrichtung angeordneten Verstärkungsprofile, die dem Flügel auch seine Form geben. Siehe Abbildung 8.1.2.4.
Abb. 8.1.2.4 Flügel-Aufbau Holz
Flügelkonstruktionen
Holzausführung
Die Primärkonstruktion des Holzflügels ist eine Fachwerkkonstruktion aus Holz. Die am Holm befestigten Fachwerkrippen werden zusätzlich vorne und hinten mit einer Nasenleiste oder Endleiste miteinander verbunden. An Stellen die zur Lastaufnahme dienen, wie z.B. der Flügelnase, den Querrudern und dem Klappenkasten, wird zusätzlich eine Sperrholzbeplankung verwendet. So entstanden die D-förmige Torsionsnase bzw. der vollbeplankte Flügel. Die auffälligste vollständige Beplankung findet man an der Wurzel des Flügels. Neben den überstehenden Holmstümpfen befinden sich hier auch die Lastaufnahmen für die Rumpfbefestigung, siehe Abb. 8.1.2.4. Der Holm selbst besteht aus einem oberen und unteren Gurt, die durch zwei Sperrholzstege verbunden sind. Man nennt dies einen Kastenholm. Der ganze Flügel wird mit einem imprägnierten Baumwollgewebe bespannt, das sich durch Imprägnieren mit Spannlack selbst zusammenzieht / spannt. Inzwischen gibt es auch moderne synthetische Gewebe, die sich aufbügeln lassen und durch Wärme faltenfrei spannen lassen.
Die Ruder des Holzflügels sind, genau wie der Flügel selbst, aus einer mit Gewebe bespannten Holzfachwerkkonstruktion gefertigt. Die Bremsklappen sind aus Sperrholz gefertigt.
Schalenflügelkonstruktion in Kunststoffbauweise
Es gibt Schalenflügelkonstruktionen aus Holz, Metall oder Kunststoff. Diese Beschreibung bezieht sich auf den Kunststoffflügel. Auch bei einem Kunststoffflügel werden immer Verstärkungen in Form eines Holms und von Rippen benötigt. Die Anzahl der Rippen ist jedoch geringer als beim Holzflügel, da die steife und damit formstabile Außenschale selbst Kräfte aufnehmen und auf den Holm übertragen kann. Die Außenschale und eventuelle Rippen bestehen aus Glasfaser- oder Kohlefaserlaminat (siehe später), das als sogenanntes Sandwich ausgeführt ist: Zwei Glasfaserschichten liegen fest verklebt auf einem Kern aus Hartschaum.
Der Holm macht den Flügel in Spannweitenrichtung biegesteif. Wie beim Holzflügel besteht der Holm aus einem oder mehreren Stegen mit einem oberen und unteren Gurt. Die Stege werden als Sandwich hergestellt. Die Gurte bestehen aus Strängen von parallelen Fasern (Rovings). Zur Aufnahme der Kräfte wird in allen modernen Konstruktionen Kohlenstoffasern, und in speziellen Zonen wie der Rumpfschale Aramid beschreiben, was das ist verwendet. Wie an der Wurzelrippe sind auch an den Hauptholm-Enden Passbohrungen (sog. Augen) oder Bolzen für die richtige Befestigung der beiden Flügelhälften zueinander und zum Rumpf angebracht.
Die Ruder des Kunststoffflügels sind grundsätzlich gleich aufgebaut wie der Flügel. Die Bremsklappen sind teilweise aus Metall gefertigt.
Abb. 8.1.2.5 Flügel-Aufbau Kunststoff
Wassertanks
Die meisten Kunststoffsegelflugzeuge haben einen flexiblen Gummisack oder einen abgedichteten Bereich in jeder Flügelhälfte, der mit Wasser gefüllt werden kann. Dadurch wird die Flächenbelastung (Gewicht pro Quadratmeter Flügelfläche) erhöht, so dass die maximale Gleitzahl bei einer höheren Geschwindigkeit erreicht wird. Außerdem sind die schwereren Flügel im Schnellflug weniger turbulenzempfindlich. Der Nachteil von Wasser ist, dass das Segelflugzeug schwerer wird, was die Überziehgeschwindigkeit erhöht und das geringste Sinken des Segelflugzeugs etwas erhöht. Mehr dazu im Abschnitt 'Flugleistung und Flugplanung'.
Der konstruktive Nachteil des Wasserballasts ist die Möglichkeit der Beschädigung bei Minustemperaturen und bei einer harten Landung. Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus und kann den Tank und die Rohrleitungen platzen lassen. Aus diesem Grund ist ein Außenlufttemperaturmesser erforderlich. Bei einer harten Landung biegt sich der Flügel aufgrund der Massenträgheit zu stark durch, was zu einem Bruch führen kann. Deshalb muss es möglich sein, das Wasser während des Fluges abzulassen.
Zu diesem Zweck sind Ablassventile im Flügel angebracht, die vom Cockpit aus bedient werden können. Man sollte einige Minuten für das Ablassen einkalkulieren. Die Befüllung der Tanks erfolgt über eine Füllstelle unter oder über dem Tank.
Einige Segelflugzeuge haben auch einen Wassertank im Heck. Mit Wasserballast im Heck kann eine mögliche vordere Schwerpunktlage durch Wasser in den Flügeltanks kompensiert werden. Beim Entleeren ist es wichtig, dass zuerst das Heckwasser und erst dann das Flügelwasser abgelassen wird, da sich sonst der Schwerpunkt zu weit nach hinten verlagern könnte. Deswegen ist oft der Griff für das Heckventil über dem der Flügelventile angeordnet. Mehr über die Auswirkungen von Wasserballast auf den Schwerpunkt in Kapitel 8.4 Masse und Schwerpunkt.
8.1.3 Aufbau des Rumpfes
Konstruktion
Allgemeines
Der Rumpf wird mit sogenannten Querkraftbeschlägen (Bolzen und Augen) durch eine Steck-Verbindung an der Tragfläche befestigt. Die Bolzen in den Wurzelrippen der beiden Flügelhälften befinden sich dann in Lagerbohrungen (Augen) im Rumpf (siehe Abbildung 1-3), oder auch umgekehrt. Auf diese Weise werden die Kräfte des Rumpfes kraftschlüssig und spielfrei im Flug auf den Flügel übertragen. Dadurch wird diese Verbindung erheblich belastet. Im Flügel werden diese Kräfte über eine massive Wurzelrippe auf den Holm übertragen. Im Rumpf geschieht etwas Ähnliches. Hier dient der Hauptspant zur Lastaufnahme und -weiterleitung in die Rumpfschale. Der Hauptspant ist quer zur Längsrichtung im Rumpf angeordnet und kann offen oder geschlossen sein. Der Rumpf wird um diese(n) Spant herum gebaut. Oft findet man bei den hinteren Querkraftbeschlägen einen Hilfsspant, an dem sich auch das Fahrwerk mit abstützt. Der Rumpf kann zusätzlich mit Längsversteifungen (Längsgurten) ausgestattet sein, um die Belastungen durch das Cockpit und Heck aufzunehmen bzw. weiterzuleiten. Auch die Kräfte auf das Fahrwerk und die aus der Schleppvorrichtung werden so aufgenommen und eingeleitet. Zusammen mit diesen Verstärkungen kann der Rumpf mit ausreichenden Reserven alle normalen Belastungen (Beschleunigung beim Windenstart, Erschütterungen bei harten Landungen, Verzögerung durch die Radbremse und natürlich alle Beschleunigungen um die drei Achsen durch die Ruderkräfte und Böen) dauerhaft aushalten.
Cockpit
Das Cockpit nimmt den gesamten vorderen Teil des Rumpfes ein. Das Cockpit ist der Ort, an dem sich der Pilot mit allen Instrumenten und Bedienelementen befindet. Der Pilot sitzt oder liegt in einer mehr oder weniger ergonomisch geformten Sitzschale, bei der oft die Rückenlehne für eine perfekte Sitzposition verstellt werden kann. Im Cockpit sind vier längenverstellbare Gurte angebracht (zwei Hüftgurte, zwei Schultergurte). Flugzeuge der Kategorie A (Kunstflug) haben außerdem einen zusätzlichen, fünften Gurt zwischen den Beinen. Die Gurte müssen sich mit einem Griff öffnen lassen. Eine weitere Sicherheitsmaßnahme ist das Vorhandensein einer Kopfstütze. Damit sich ein Fallschirm nach einem Ausstieg automatisch öffnet, wird oft ein (rot gefärbter) Metallring (Öse) angebracht, an dem die "Reißleine" des Fallschirms befestigt werden kann. Im hinteren Teil des Cockpits befindet sich oft ein kleiner Gepäckraum, mit einer maximal zulässigen Gewichtskapazität. Manchmal ist auch Platz für den Einbau einer Sauerstoffflasche vorhanden. Das Cockpit ist mit einer verstellbaren Lüftungsöffnung ausgestattet, die Frischluft von außen einbläst. Um auf den Schwerpunkt Einfluss nehmen zu können, haben die meisten Cockpits die Möglichkeit, Trimmgewichte in der Nase zu installieren. Das Cockpit ist durch eine aerodynamische Haube geschlossen, siehe unten.
Abb. 8.1.3.1 Cockpit
Cockpit-Haube
Die ersten Segelflugzeuge hatten ein offenes Cockpit mit allenfalls einer durchsichtigen Windschutzscheibe. Später, aufgrund höherer Fluggeschwindigkeiten und verbesserter Stromlinienform, kam das geschlossene Cockpit auf. Eine transparente Kunststoffhaube wird durch einen Metall- oder Kunststoffrahmen getragen, an dem auch die Scharniere und die Haubenverriegelung angebracht sind.. Die Haube besteht aus Acrylglas, besser bekannt unter dem Namen Plexiglas®. Plexiglas kann in jeder Form hergestellt werden, ist aber sehr empfindlich gegenüber Kratzern und Rissen, besonders in der Umgebung des Lüftungsfensters. Dies muss daher bei der Bedienung der Haube beachtet werden: Fasse die Haube immer am Rahmen an und stecke niemals die Hand durch das geöffnete Fenster, um den Ausklinkknopf von außen zu betätigen. Verwende eine Haubenabdeckung, um die Haube vor Staub oder zu viel Sonnenwärme zu schützen. Hitze kann dazu führen kann, dass sich die Haube ausdehnt und die Bedienung erschwert. Reinige die Haube nur mit sauberem Wasser und einem sauberen, kratzfreien Schwamm oder Tuch. (und putze die Haube möglichst nur in Längsrichtung und nicht mit kreisenden Bewegungen.)
Die Haube ist mit einem Lüftungsfenster ausgestattet. Das Fenster kann, nachdem du den Griff nach innen gezogen hast, zum Öffnen nach hinten gleiten. Im Fenster befindet sich heute eine Kippklappe, die, ohne dass das Fenster geöffnet wird, einen kühlenden Luftstrom von außen nach innen führt.
Eine moderne Haube hat ein Scharnier zum Öffnen und Schließen. Die seitlich (meist nach rechts) öffnende Haube hat eine Schnur, die ein zu weites Öffnen der Haube verhindert. Die Haube, die sich nach vorne oder hinten öffnet, hat eine Gasfeder. Auf der anderen Seite der Haube befindet sich ein Verriegelungsmechanismus. Dies ist eine Konstruktion mit Stiften oder Haken, die die Hauben geschlossen halten. Dieser Mechanismus wird mit einem weißen (manchmal auch schwarzen oder roten) farbigen Hebel bedient.
Falls das Cockpit im Flug verlassen werden muss, sollte die Kabinenhaube vollständig vom Flugzeug abgeworfen werden können. Verwende dazu zusätzlich zu dem/den normalen weißen Hebel(n) den roten Notabwurfhebel. Die Kabinenhaube löst sich nun aus dem Scharnier und kann weggeschoben werden. Bei einigen Seglern wird die Kabinenhaube bereits nur mit einem roten Knopf/Hebel verriegelt. Im Notfall wird auch dieser Knopf/Hebel betätigt und die geöffnete Haube wird durch die Kraft des Luftstroms aus dem Scharnier gerissen.
Für einen Außenstehenden ist der „Wollfaden“ der auffälligste Teil der Kabinenhaube eines Seglers. Dieser Woll-Faden hat eine Länge von 10-15 cm und wird mit Klebeband an der vorderen Mitte der Kabinenhaube befestigt. Es ist das einfachste und zuverlässigste Instrument, das anzeigt, ob sich das Flugzeug ohne zu schieben, d.h. mit minimalem Rumpfwiderstand, durch die Luft bewegt.
Der Leitwerksträger
Der Leitwerksträger trägt das Leitwerk in einem definierten Abstand zum Flügel, so dass die Wirkung von Höhen- und Seitenruder entsprechend den Anforderungen für Steuerbarkeit und Stabilität gegeben ist. Im Leitwerksträger können eine Antenne sowie Drucksensoren für Instrumente (Kapitel 8.6) untergebracht werden. Außerdem befindet sich im Übergang vom Rumpf zum Leitwerksträger heutzutage immer öfter ein Klapptriebwerk mit Propeller, das ausgefahren werden kann, und manchmal ein Gesamtrettungssystem.
Fachwerkrumpf aus Metall (Gitterrumpf)
Der Fachwerkrumpf wird aus Holz oder Metall gefertigt. Wie die Flügelnase wird auch die Nase eines Gitterrumpfes mit Holz beplankt, der Rest mit Gewebe. Ein Metall-Fachwerkrumpf kann eine Schwachstelle direkt hinter dem Hauptrad haben. Bei einer zu harten Landung knickt die Konstruktion manchmal ab, so dass das Heck wie eine Banane am Rumpf hängt.
Abb. 8.1.3.2 Fachwerkrumpf Metall
Abb. 8.1.3.3 Fachwerkrumpf Holz
Schalenrumpfkonstruktion aus Kunststoff
Der Schalenrumpf kann aus Holz, Metall oder Kunststoff gefertigt werden. Cockpit und Nase sind zum Schutz des Piloten normalerweise verstärkt. Zur Übertragung der Punktlasten von Rad und Schleppkupplungen auf die Flügelbeschläge wird manchmal ein Stahlrahmen verwendet.
Abb. 8.1.3.4 Schalenrumpf Kunststoff
8.1.4 Leitwerk
Konstruktion
Allgemeines
Der strukturelle Aufbau des Seiten- und Höhenleitwerks kann mit dem des Flügels verglichen werden. Bei einem T-Leitwerk muss der Rumpfbereich (Seitenflosse) stärker sein als bei einem Kreuzleitwerk, d.h. einem niedrig angeordneten Höhenleitwerk. Das dafür notwendige Mehrgewicht wird durch den geringeren Luftwiderstand, die einfachere Konstruktion und die geringere Beschädigungs-wahrscheinlichkeit bei einer Landung in hoher Vegetation mehr als kompensiert.
Abb. 8.1.4.1 Dreipunkt-Aufnahme für das Höhenleitwerk
Die Befestigung des abnehmbaren Höhenleitwerks an der Seitenflosse erfolgt mit zwei Bolzen und einer dritten Öse und heute oft meist mittels automatischem Anschluss des Höhenruders. Bei einem nicht automatischen Anschluss des Höhenruders wird zuerst das Höhenruder angeschlossen und erst dann die Höhenleitwerksflosse in Position gebracht, die dann mit einer Schraube, Mutter oder einem Spannstift festgezogen wird.
Die Druckaufnehmer für die Geschwindigkeit und das Variometer können an der Nase der Seitenflosse platziert sein. Siehe Abschnitt 8.6 Instrumente.
Leitwerke bei Rümpfen in Fachwerkbauweise
Bei Rümpfen in Fachwerkbauweise findet man normalerweise die Kreuzleitwerk-Anordnung. Das Höhenleitwerk wird mit einer doppelten Bolzen-Auge-Verbindung und einem Verriegelungsbolzen am Rumpfschwanz befestigt. Das Höhenruder und die Trimmklappe werden anschließend angeschlossen. Die Bauweise des Höhenleitwerks ist gleich der des Seitenleitwerks und der des Flügels. Die Trimmklappe wird oft in Sperrholz ausgeführt (siehe später).
Rumpfheck in Schalenbauweise
Bei der Schalenbauweise ist das Seitenleitwerk (Seitenruderflosse) in die Konstruktion des Rumpfes integriert und auch in Faserverbund-Sandwich-Technik ausgeführt, entweder mit Glas-oder Kohlenstoffasern. Die Seitenflosse und das Höhenleitwerk sind mit einem oder mehreren Holmen und einigen Rippen verstärkt. Die ersten Segelflugzeuge in Schalenbauweise hatten ein Kreuzleitwerk. Es gibt auch Höhenleitwerke in Form einer vereinfachten und aerodynamisch besseren Konstruktion, bei der die Höhenruderflosse und das Höhenruder zu einer beweglichen Steuerfläche zusammengefasst wurden: das sogenannte Pendelhöhenruder (Holz: K-6e, Kunststoff: Standard- Cirrus).
Die weniger angenehmen Steuereigenschaften haben dazu geführt, dass heute die Höhenruderflosse wieder fest und nur das Höhenruder beweglich ist. Außerdem haben fast alle modernen Segelflugzeuge ein T-Leitwerk, also ein Höhenleitwerk oben auf der Seitenruderflosse. Die Ruder sind z. T. ebenfalls als Sandwich ausgeführt. Die Höhenrudertrimmung wird bei den modernen Konstruktionen in Form einer einstellbaren Feder am Steuerknüppel ausgeführt, statt einer separaten Trimmklappe am hinteren Teil des Höhenruders. Weitere Informationen hierzu findest Du in Kapitel 8.5 über Bedienelemente.
In der Seitenflosse eines modernen Segelflugzeugs kann man neben den Steuerstangen für das Höhenruder auch eine Antenne für das Funkgerät, eine Heckbatterie für zusätzlichen Strom und einen Wassertank und / oder Bleihalter zur Schwerpunkt-Beeinflussung finden.
Am unteren Ende der Seitenflosse befindet sich der Sporn oder das Spornrad. Bei eigenstartfähigen Segelflugzeugen ist das Spornrad oft mit den Seitenruderpedalen lenkbar.
8.1.5 Werkstoffe und Eigenschaften
Holz
Holz gibt es in vielen Varianten. Im Laufe der Jahrhunderte hat sich Holz als ideales Baumaterial erwiesen. Es ist leicht, fest, elastisch, leicht verfügbar, langlebig und einfach zu verarbeiten. Natürliches Holz besteht aus Fasern, die in Längsrichtung sehr starke Zugkräfte aufnehmen können. Bei Druckeinwirkung neigen sie schon bei kleineren Kräften zum Ausknicken. Wenn das Holz in mehreren Richtungen belastbar sein soll, werden mehrere dünne Holzschichten miteinander verleimt, wobei die Faserrichtung rechtwinklig zueinander verläuft. Dadurch entsteht Sperrholz oder Multiplex, mit drei oder mehreren Schichten. Die Arbeit mit Holz ist jedoch arbeitsintensiv und eine Holzkonstruktion erfordert später viel Pflege.
Metall
Metall ist ein Naturprodukt, genau wie Holz. Es gibt viele Arten von Metall. Das bekannteste Metall ist Eisen. Eisen kann hohe Kräfte aufnehmen. Wenn man eine Legierung aus Eisen und einem kleinen Teil Kohlenstoff herstellt, wird daraus Stahl, welcher noch belastbarer ist. Noch stärker als Stahl ist Titan, das leichter, aber teurer ist und deshalb nicht in Segelflugzeugen verwendet wird. Andere in der Luftfahrt häufig verwendete Metalle sind Aluminium und Magnesium. Durch Legieren von Aluminium mit Kupfer entsteht Duraluminium, kurz Dural. (Duraluminium – Wikipedia) Dural verbindet ein relativ geringes Gewicht mit ausreichender Festigkeit, Steifigkeit und Elastizität und ist daher für den Einsatz in Rumpf-, Flügel- und Leitwerkskonstruktionen geeignet. Magnesium hingegen ist spröde und steif und wird hauptsächlich für Teile verwendet, die sich wenig verbiegen, aber dennoch leicht und stabil sein müssen, wie z. B. Träger und Aufhängungsteile (Beschläge). Im Gegensatz zu Holz besteht Metall nicht aus Fasern, sondern aus Kristallen. Es ist daher möglich, dass die Zugfestigkeit eines Holzstücks größer ist als die eines Metallstücks mit den gleichen Abmessungen. Andererseits hat Metall in allen Richtungen die gleiche Zugfestigkeit. Daher ist Metall trotz seines höheren Gewichts belastbarer als Holz. Andererseits ist Metall schwieriger zu bearbeiten als Holz.
Ein weiterer Nachteil von Metall ist die Entstehung von Ermüdungsrissen. Je größer die Belastung oder je häufiger die Belastung wechselt, desto eher wird das Metall Haarrisse entwickeln und schließlich brechen.
Das Gleiche gilt für metallische Verbindungen, seien es nun Nieten, Schrauben oder Schweißnähte.
Verschiedene Metalle haben auch das Problem, dass sie mit dem Sauerstoff in der Luft chemisch reagieren, also rosten. Metall muss also vor Sauerstoff geschützt werden.
Faserverbundwerkstoffe
Fasergewebe in Verbindung mit Kunststoffen werden wegen ihres günstigen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer (günstigeren) Korrosionseigenschaften (siehe Abschnitt 8.2) zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt. Im Gegensatz zu Holz und Metall sind Faserverbundwerkstoffe ein synthetisches Produkt.
Bei Faserverbundwerkstoffen werden Fasern verwendet, die in parallelen Streifen (unidirektionales Gewebe oder Rovings) verlegt oder zu Geweben verwoben werden. Die Fasern werden anschließend mit Kunstharz (Epoxid) getränkt, das dann aushärtet. Diese Bauweise kann mit Stahlbeton verglichen werden, bei dem der ausgehärtete Beton seine Endfestigkeit in Zugrichtung einer gewebten Eisenmatte verdankt. Der große Vorteil dieser Bauweise ist, dass fast beliebige dreidimensionale Formen mit der gewünschten Festigkeit hergestellt werden können.
Die verwendeten Fasern bestehen aus Glas, Kohlenstoff (Carbon), oder Aramid. Glas ist am elastischsten, Kohlenstoff ist am steifsten. Aramid ist am widerstandsfähigsten gegen Schlagschäden durch Punktbelastungen. Aramid ist auch als Kevlar bekannt, das man von kugelsicheren Türen und Westen kennt. Die spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) von Carbon und Aramid ist besser als die von Glas.
Faserverbundwerkstoffe haben praktisch keine Probleme mit Ermüdung. Durch sehr hohe Belastungen können jedoch Risse im Harz entstehen, die die kunststoffverstärkten Fasern schwächen.
Durch das Verkleben mehrerer Gewebelagen mit Harz entsteht ein Laminat. Der große Vorteil dabei ist, dass durch die Wahl der Faserrichtung und Lagendicke jede gewünschte Festigkeit erreicht werden kann.
Auch wenn das Laminat belastbar ist, ist es oft zu schwach, um einer Verformung durch Kräfte senkrecht auf die Oberfläche oder durch Beulkräfte entgegenzuwirken. Daher muss das Laminat dicker gemacht werden, was jedoch zu Lasten des Gewichts geht. Um Gewicht zu sparen, kann eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit auch dadurch erreicht werden, dass ein Kern aus einem sehr leichten Füllmaterial wie Balsaholz, Kunststoff-Waben oder Schaumstoff mit je einer oberen und unteren Decklage des Laminats belegt werden. Dies nennt man eine Sandwich-Konstruktion.
Abb. 8.1.5.1 Gewebe
Nach dem Aufbau der faserverstärkten Kunststoffschale wird eine schützende, glatte, meist weiße Lackschicht oder Gelcoat aufgetragen. Diese Beschichtung soll die Konstruktion vor Witterungseinflüssen schützen und den Luftwiderstand weiter minimieren. Kunststoff ist empfindlich gegenüber UV-Licht, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen. Zu hohe Temperaturen (über 50 Grad Celsius) vermindern die Festigkeit des Epoxidharzes, was das betroffene Bauteil weniger belastbar macht. Zu niedrige Temperaturen führen dazu, dass der Kunststoff steif wird, was die Gefahr der Rissbildung erhöht. Das Gelcoat selbst ist ebenfalls ein Kunststoff und muss daher ebenfalls vor extremen Witterungseinflüssen geschützt werden. Um hohe Temperaturen zu vermeiden, werden Segelflugzeuge in Kunststoffbauweise vorzugsweise in Weiß gehalten, da Weiß das Sonnenlicht am besten reflektiert. Nur die weniger belasteten Teile können farblich anders gestaltet werden. Regelmäßiges Reinigen und Polieren mit einer schützenden Wachsschicht verlängert die Lebensdauer erheblich.
Verfärbungen im Kunststoff weisen auf früher durchgeführte Reparaturen oder Delaminationen hin. Von Delamination spricht man, wenn sich die einzelnen Schichten oder Fasern des Laminats voneinander lösen. Dies kann man erkennen, indem man auf und in der Nähe der verfärbten Stelle klopft und auf die Veränderung des Geräusches hört.
Kleine Risse oder Sprünge im Gelcoat sind nicht wirklich kritisch, solange die Oberfläche regelmäßig gewachst wird. Wenn Feuchtigkeit die Chance bekommt, durch die Mikrorisse in das Fasermaterial einzudringen, kann dies bei Minustemperaturen zu Rissen und einem erheblichen Festigkeitsverlust führen.
Zusammenfassung
Von allen genannten Materialien ist der Faserverbundwerkstoff das idealste Baumaterial. Sein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist hoch, es kann in jede gewünschte Form verarbeitet werden und es ist nicht direkt von Korrosion oder Ermüdung betroffen. Reparaturen sind, obwohl arbeitsintensiv, relativ einfach durchzuführen.
8.1.6 Verbindungsmethoden
Arten von Verbindungen
Es wird zwischen unlösbaren und lösbaren Verbindungen unterschieden.
Schweißen
Schweißen ist das Herstellen einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei Bauteilen aus dem gleichen Metall unter hoher Temperatur durch eine Schweißnaht. Gitterkonstruktionen aus Stahl werden in der Regel geschweißt. Heutzutage findet man manchmal noch einen geschweißten Stahl-Rohrrahmen zur Befestigung des Fahrgestells.
Klebeverbindungen
Zwei Bauteile können durch einen geeigneten Klebstoff, der auf einer Fläche aufgetragen wird, verbunden werden. Heutzutage werden oft Zwei-Komponenten-Klebstoffe verwendet. Dem Klebstoff wird ein Härter zugesetzt, so dass das Gemisch aushärtet und die Verbindung dauerhaft macht. Die Aushärtung kann bei einigen Klebstofftypen durch Wärme beschleunigt werden. Moderne Konstruktionen aus faserverstärktem Kunststoff sind alle miteinander verklebt. Auch Holz und Metalle können verklebt werden. Die alten Holzflugzeuge waren fast vollständig verklebt! Dabei muss auf zusammenpassende Materialeigenschaften (Wärmedehnung, Verhalten bei Wasseraufnahme) geachtet werden – nicht jeder Kleber ist für alles geeignet.
Stifte, Bolzen
Ein Stift oder Bolzen ist ein runder, manchmal verjüngter Metallstab, der zum Verbinden und Trennen von zwei Teilen, ob mit oder ohne Scharnier, verwendet wird. Ein Beispiel für eine Bolzenverbindung sind die Querkraftbolzen zur Verbindung zwischen den Flügeln und dem Rumpf. Die Hauptbolzen sind ebenfalls Bolzenverbindungen.
Nieten
Nieten ist die dauerhafte plastische Verformung eines Metallstiftes (Niet) unter hohem Druck, während er in einem gemeinsamen Loch der beiden zu verbindenden Teile steckt. Der Niet hat auf einer Seite einen Kopf. Durch Gegenhalten dieses Kopfes auf der einen Seite und durch Anformen mit einem Nietwerkzeug und Hammer auf der anderen Seite wird die Verbindung dauerhaft. Die metallischen Rumpfbleche bei Metallkonstruktionen werden mit Nieten befestigt. Heutzutage wird das Nieten nur noch sporadisch im Segelflugzeugbau eingesetzt. Bei der Befestigung der Bremsbeläge der Radbremsen stößt man manchmal noch auf Varianten des Nietverfahrens.
Schraubverbindungen (Gewindeschrauben)
Eine Gewindeschraube ist ein Metallbolzen mit einem Außengewinde am Schaft. An einem Ende hat die Schraube einen Kopf, der das Ansetzen eines Schraubendrehers oder anderen Werkzeuges ermöglicht. Eine Schraube wird durch ein Loch in beide Teile, die aneinander befestigt werden sollen, gesteckt und anschließend auf der anderen Seite mit einer Mutter verschraubt. Eine Mutter hat ein Innengewinde. Um die Kontaktfläche mit dem darunterliegenden Material zu vergrößern, sollten Unterlegscheiben unter den Schraubenkopf und die Mutter gelegt werden. Wenn sich die Mutter nicht lösen darf, muss sie gesichert werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die selbstsichernde Mutter hat zusätzlich zum normalen Gewinde einen Innenring aus einem Kunststoff, in den sich in das Gewinde der Schraube einschneidet. (Dies funktioniert nur 1 mal – nach einmaligem Lösen muss eine neue Mutter verwendet werden.) Wenn die Verbindung häufiger gelöst werden soll, kann eine Kronenmutter verwendet werden. Diese hat Aussparungen an der Kopf-Seite, und die Schraube hat eine Bohrung. Die Kronenmutter kann so aufgeschraubt werden, dass Bohrung und Schlitze fluchten. Dann kann ein Splint oder eine Fokkernadel (siehe Abbildung 8.1.6.1) durch beide gesteckt werden, um ein Verdrehen der Mutter zu verhindern.
Abb. 8.1.6.1 Verbindungen
Es werden auch andere lösbare Schraubverbindungen verwendet. Ein Beispiel ist die Befestigung der Ruder an den Steuerstangen. Dabei ist es wichtig, dass die Schrauben möglichst von oben nach unten, von vorn nach hinten, oder von innen nach außeneingesetzt werden. (siehe Abbildung 8.1.6.2).
Abb. 8.1.6.2 Schraubbefestigungen
Schraubverbindungen (Holzschrauben, Blechschrauben)
Eine Holzschraube ist am Gewindeteil leicht konisch und hat ein relativ grobes Außengewinde. Die Schraube wird in die zu verbindenden Teile eingeschraubt, wodurch sie sich selbst ins Material einschneidet und somit die beiden Teile zusammenhält. Eine Holzschraube kann wiedereingesetzt werden, nachdem sie entfernt wurde. Wird so eine Schraubverbindung aber öfter gelöst und dasselbe Loch wieder zum Befestigen genutzt, dann kann sich das Loch ausweiten, so dass die Verbindung nicht mehr hält. Holzschrauben sind daher für Verbindungen, die oft gelöst werden müssen, weniger geeignet. Ähnlich arbeiten selbstschneidende Blechschrauben, die in relativ dünne Aluminium- oder Stahlbleche eingedreht werden können.
Abb. 8.1.6.3 Verbindungsarten
