8.1 (Segel) Flugzeugzelle
Segelflugzeug BestandteileAllgemein
Ein Segelflugzeug besteht aus den folgenden Bestandteilen:
Flügel
Winglet (Tannenberg)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
Einteilung der Luftfahrzeuge
Für die Einteilung der Segelflugzeuge sind unterschiedliche Kriterien möglich:
- Anzahl der Insassen: Einsitzer, Doppelsitzer
- Lufttüchtigkeitsgruppe: U (Utility), A (Acrobatic)
- Einsatzzweck: Schul-, Übungs-, Leistungsflugzeuge
Konstruktionsgruppen des Flugzeugs
Ein Flugzeug besteht aus den Hauptkonstruktionsgruppen
- Flugwerk
- Triebwerk
- Ausrüstung
Das Flugwerk gliedert sich in fünf Konstruktionsgruppen:
- Tragwerk (Die ersten drei Konstruktionsgruppen des Flugwerks)
- Rumpfwerk (nämlich Trag-, Rumpf- und Leitwerk)
- Leitwerk (bildet gemeinsam mit dem Rumpf die Zelle)
- Steuerwerk
- Fahrwerk
Das Triebwerk besteht aus
- Motor mit Anbaugeräten und Propeller
- Kraftstoffanlage
- Schmierstoffanlage
- Kühlung
- Ansauganlage
- Abgasanlage
8.1.1 Flügel, Leitwerk und Steuerflächen
Tragwerk (Flügel)
Das Tragwerk dient der Auftriebserzeugung. Entscheidend dafür ist die Profilierung (Form der Flügelquerschnitte).
Hohe Auftriebsbeiwerte kann man durch eine starke Profilwölbung erreichen (auf Kosten der Schnellflugleistungen). Eine große Profildicke reduziert die Strukturmasse, damit die Flächenbelastung, begünstigt also den Langsamflug.
Merke: Die Flächenbelastung ist das Verhältnis von Fluggewicht zu Flügelfläche.
Belastet wird das Tragwerk durch Luftkräfte, Massenkräfte und Bodenkräfte. Die Luftkräfte entstehen an der Außenhaut (statischer Druck) und werden durch den Hauptholm zur Wurzelrippe hin übertragen. Dabei entsteht ein zur Wurzelrippe hin ansteigendes Biegemoment, welches von den Holmgurten aufgenommen wird.
Da Druckpunkt und Schubmittelpunkt fast nie zusammenfallen, erzeugen die Luftkräfte auch noch ein aerodynamisches Moment; zu dessen Übertragung dient die Torsionsnase bzw. bei Kunststoffsegelflugzeugen die gesamte Flügelschale. Eine kleine Beschädigung führt dazu, dass das Flugzeug nicht mehr lufttüchtig ist.
Schwerpunkt und Druckpunkt Entsprechend der Flügel-Rumpf-Anordnung unterscheidet man:
- Hochdecker → Grunau-Baby
- Schulterdecker → Ka 8
- Mitteldecker → ASK 13
- Tiefdecker → G 109
In Wikipedia kannst du dir die u.g. Anordnungsmöglichkeiten näher ansehen.
Flügelkonstruktionen
Eine Flügelkonstruktion besteht klassisch aus Rippen, meist in Fachwerkbauart, dem Hauptholm und einer Nasen- sowie Endleiste. Die Erste Rippe am Rumpf nennt man auch Wurzelrippe und die letzte Rippe schließt mit einem sogenannten Randbogen ab.
Flügel können in Holz-, Metall- und Kunststoffbauweise hergestellt sein. Im Folgenden erfährst du etwas mehr über die klassische Holzbauweise sowie die Kunststoffbauweise.
Hinweis: Die Begriffe Bauart und Bauweise werden oft synonym verwendet, aber es gibt feine Unterschiede zwischen ihnen. Die Bauweise beschreibt im Allgemeinen die festgelegte Anordnung von Konstruktions- oder Bauelementen. Unter dem Begriff der Bauart werden ganz allgemein der Aufbau und die dafür benutzten Materialien verstanden.
Holzbauweise in Fachwerkkonstruktion
Rippen in Fachwerk-Bauart sind die klassische Form des Aufbaus einer Tragfläche im Flugzeugbau. Unterschieden werden drei Varianten: offene, halboffene und geschlossene Bauart.
- bei der offenen Bauart ist das Grundgerüst einfach nur mit Stoff bespannt
- bei der halboffenen Bauart trägt der vordere geschlossene Bereich zur Gesamtfestigkeit bei
- bei der geschlossenen Bauart trägt die komplette Flügelaußenhaut mit
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.
Der Holm selbst besteht aus einem oberen und unteren Gurt, die durch zwei Sperrholzstege verbunden sind. Dieser Holm wird Kastenholm genannt. 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.
Vorteil: Eine kleine Beschädigung der Bespannung führt nicht dazu, dass die Lufttüchtigkeit nicht mehr gegeben ist. Sie kann auch provisorisch repariert werden.
Die Ruder des Holzflügels sind, genau wie der Flügel selbst, aus einer mit Gewebe bespannten Holzfachwerkkonstruktion gefertigt. Die Bremsklappen sind aus Sperrholz gefertigt.
Kunststoffbauweise in Schalenkonstruktion (Sandwich)
Aufbau faserverstärkter Kunststoffbauteile
Die Vorteile eines Sandwichbauteils gegenüber einem ungestützten Schalenbauteil sind:
Gewichtseinsparungen: Sandwichbauteile sind leichter als ungestützte Schalenbauteile, da der Kern des Sandwichbauteils aus einem leichten Material wie Schaumstoff oder Wabenmaterial besteht. In den Anfängen der Sandwichbauweise wurde auch Balsaholz verwendet.
Beulsteifigkeit: Durch die Verwendung eines Kerns zwischen den Deckschichten ist ein Sandwichbauteil steifer als ein ungestütztes Schalenbauteil.
Schalldämmung: Der Kern des Sandwichbauteils kann auch als Schalldämmung dienen, was bei ungestützten Schalenbauteilen nicht der Fall ist.
Energieabsorption: Ein Sandwichbauteil kann auch als Energieabsorber beim Crash dienen, was bei ungestützten Schalenbauteilen nicht der Fall ist.
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 oft als Sandwich hergestellt. Die Gurte bestehen aus Strängen von parallelen Fasern (Rovings). Zur Aufnahme der Kräfte wird in allen modernen Konstruktionen Kohlenstofffasern, und in speziellen Zonen Aramid verwendet.
Aramid, Handelsname u.a. Kevlar, ist eine geeignet. Da die Verarbeitung nicht ganz einfach ist, findet es im Segelflugzeugbau meistens nur im Cockpitbereich (Bodenschutz) Verwendung.
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.
Aufbau einer Torsionsnase
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Für diese Aufgabe ist eine dünnwandige, geschlossene Röhre mit möglichst großem Querschnitt am besten geeignet; eine solche Röhre stellt die Torsionsnase dar. ← Torsionsnase
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Sie besteht aus der Beplankung der Flügelnase (1) und dem (vorderen) Holmsteg (2). Bei Holz- und Metallbauweise ist es nötig, Beplankung und Steg durch Rippen gegen Beulen zu stützen; bei Kunststoffbauweise geschieht dies durch Sandwichkonstruktion.
Leitwerkskonstruktionen
Aufgabe des Leitwerks ist die Steuerung und Stabilisierung des Segelflugzeugs um seine drei Achsen.
Damit der Pilot den gewünschten Flugzustand herstellen kann, benötigt das Leitwerk bewegliche Steuerflächen, nämlich Ruder. Das Höhenruder steuert das Flugzeug um die Querachse, das Seitenruder um die Hochachse (und das nicht zum Leitwerk, sondern zum Flügel gehörende Querruder um die Längsachse).
Die unbeweglichen Stabilisierungsflächen vor den Rudern heißen Flossen. Die Höhenflosse stabilisiert das Flugzeug um die Querachse, die Seitenflosse um die Hochachse.
Wenn beim Höhenleitwerk Flosse und Ruder eine Einheit bilden und das ganze Leitwerk beweglich ist, bezeichnet man es als Pendelleitwerk. Das Flugzeug reagiert dann wesentlich empfindlicher auf Ruderausschläge.
Pendelleitwerk einer SF 27A (Quelle: Wikipedia)Die verschiedenen Leitwerksformen, Vor- und Nachteile
Beim Normalleitwerk sitzt das Seitenleitwerk auf dem Leitwerksträger, die beiden Höhenleitwerkshälften sind rechts und links an den Seiten des Leitwerksträgers angebracht. Da das Normalleitwerk gegenüber den anderen Leitwerksformen kaum Vorteile besitzt, findet man es bei Segelflugzeugen nur selten (z.B. L-13 Blanik).
Normalleitwerk (Quelle: Wikipedia Stefan Seybold)Vorteil: Torsionsbelastung des Leitwerksträgers gering
Nachteile: Beeinträchtigung der Wirksamkeit des Höhenleitwerks durch die Rumpfumströmung, konstruktiv aufwendig (Abrüsten), geringe Bodenfreiheit, Abschirmung des Seitenruders beim Trudeln
Das Kreuzleitwerk ist die übliche Anordnung bei älteren Segelflugzeugen. Dabei sitzt das Höhenleitwerk auf oder etwas über dem Leitwerksträger und ist gegenüber dem Seitenleitwerk meistens nach vorne versetzt (z.B. ASK 13 oder Grunau Baby).
Kreuzleitwerk (Quelle: Tannenberg)Vorteile: Torsionsbelastung des Leitwerksträgers gering, konstruktiv einfach
Nachteil: erhöhter Widerstand durch Interferenz mit Seitenleitwerk
Beim T-Leitwerk ist das Höhenleitwerk am oberen Ende der Seitenflosse angebracht. Diese Anordnung hat sich als die vorteilhafteste erwiesen und ist bei neueren Segelflugzeugen üblich (z.B. ASK 21).
T-Leitwerk (Quelle: Tannenberg) Vorteile: geringer Widerstand durch Endscheibenwirkung (Das Seitenruder bekommt quasi ein Winglet), gute Wirksamkeit durch ungestörte Anströmung des Höhenleitwerks, konstruktiv einfach, keine Seitenruderabschirmung beim Trudeln, Bodenfreiheit
Nachteil: große Torsionsbelastung des Leitwerksträgers
Das V-Leitwerk kombiniert Höhen- und Seitenleitwerk in zwei v-förmig am Leitwerksträger angebrachten Leitwerksflächen. Da die Nachteile überwiegen, ist es relativ selten (z.B. Salto).
V-Leitwerk (Foto: Tobias Hackel)Nachteile: Wegen des Mischergetriebes konstruktiv aufwendig, Abschirmung beim Trudeln, Beeinträchtigung durch Rumpfumströmung
Aufbau Seitenleitwerk in Sandwichbauweise
Die Sandwichbauweise wird bei der Herstellung von Seitenleitwerken eingesetzt, um eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht zu erreichen.
8.1.2 Rumpf, Türen, Boden, Windschutzscheibe und Fenster
Fuselage, doors, floor, wind-screen and windows
Der Rumpf
(1) Fachwerk mit Leinwand, (2) Fachwerk mit Wellblech, (3) Schalenbauweise,Schalen und Halbschalenbauart
Die Schalenbauart bezieht sich auf ein flächenhaftes, gekrümmtes Tragwerk. In der technischen Mechanik ist eine Schale ein Flächentragwerk, welches gekrümmte ist und Belastungen sowohl senkrecht (wie eine Platte) als auch in seiner Ebene (wie eine Schale) aufnehmen kann.
Die Halbschalenbauart wird im Flugzeugbau zur Konstruktion von Flugzeugrümpfen verwendet. Im Vergleich zur reinen Schalenbauart, die ohne innere Verstärkungen oder mit geringen Aussteifungen durch Querspanten auskommt, verwendet die Halbschalenbauart zusätzlich auch Längsaussteifungen. Damit soll eine ausreichende Festigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreichen werden.
Rumpfkonstruktionen Fachwerkskonstruktion (Bauart)
Ältere Segelflugzeuge hatten einen tragenden Rumpf-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.
Der Leitwerksträger
Der Leitwerksträger ist häufig in reiner Schalenbauart (ohne Spanten und Stringer) ausgeführt.
Das 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.
Cockpit
Cockpitbeschilderung
Die Beschilderung im Cockpit ist so gestaltet, dass sie dem Piloten eine schnelle und intuitive Orientierung ermöglicht. Die genaue Anordnung und Beschriftung der Instrumente und Anzeigen kann jedoch je nach Flugzeugtyp variieren.
Cockpithaube
Die ersten Segelflugzeuge hatten ein offenes Cockpit, mit allenfalls einer durchsichtigen Windschutzscheibe.
Offene Cockpithaube (Quelle: Tannenberg)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®.
Cockpithaube aus Plexiglas (Quelle DAeC)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.
Cockpithaube und Haubentuch (Quelle: Tannenberg)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.
Cockpithaube Fenster mit Kippklappe (Quelle: DAeC)
Roter Faden
Für einen Außenstehenden ist der „rote Faden“ 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. Die richtigen Maßnahmen zur Korrektur dieser Flugzustände findest du im Kapitel 8.6 Instrumentierung, Kugellibelle.
Faden auf der Haube (Quelle: DAeC)Selbstverständlich darf der Faden auch andere Farben haben, er muss nur möglichst in der Mitte und gegenüber Landschaft und Himmel/Horizont gut sichtbar angebracht sein.
Fäden am Flugzeug zeigen immer den Weg der Luftströmung, daher bieten sie sich auch zur Optimierung der Fluglage, besonders zur Anstellwinkelbestimmung an. Das kann für dich sehr hilfreich sein, um im optimalen Flugbereich zu fliegen und rechtzeitig einen Strömungsabriss zu erkennen.
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Versuche der NASA mit im Jahre 1980
auf der Edwards Air Force Base (Kalifornien)
mit dem Segelflugzeug Schweizer S 1-36
(Quelle: NASA-urheberfreie Gemeinfreiheit) |
Seitenfaden an der Cockpithaube;
dieses Bild zeigt die Anstellung direkt beim
Beginn des Abkippens nach links
(Quelle Prof. Dr.-Ing B. Schieck)
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8.1.3 Hydraulik
Grundlagen der Hydromechanik
Hydromechanics: basic principles
Die Hydromechanik ist ein Teilgebiet der Mechanik, das sich mit der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen beschäftigt.
Die Grundlagen der Hydromechanik umfassen einige grundlegende Begriffe, die sich aus der Hydrostatik und der Hydrodynamik zusammensetzen. Dazu gehören unter anderem das Gewicht, das spezifische Gewicht und die Massendichte von Flüssigkeiten. Der Druck wird als Kraft pro Fläche definiert.
Prinzip der Hydromechanik (Quelle: Wikipedia)Hydraulikanlage
Hydraulic systems
Inzwischen finden bei Segelflugzeugen und TMG bei den Bremsanlagen vermehrt Hydrauliksysteme Anwendung. Daher ist es wichtig auch dieses Thema anzusprechen. Ist dein Ausbildungsflugzeug mit einer solchen Bremsanlage ausgerüstet, wird dir dein Fluglehrer die Funktion und Wartung erklären.
Bei schwereren Segelflugzeugen, oder bei höheren Landegeschwindigkeiten, muss nach der Landung so viel Masse und Geschwindigkeit (kinetische Energie) abgebremst werden, dass es sinnvoll ist, die Radbremsen hydraulisch zu betätigen. Zu diesem Zweck befindet sich in der Nähe der Radbremse ein Vorratsbehälter mit Bremsflüssigkeit. Beim Betätigen der Bremse wird ein Kolben in einen Zylinder gedrückt. Dabei wird auf die Bremsflüssigkeit eine Kraft ausgeübt, und auch die Verbindung zum Behälter verschlossen.
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Im Rahmen deines täglichen Vorflugchecks kannst du, soweit sichtbar, auch den Stand der Bremsflüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter überprüfen. Achte auch auf ausgelaufene Flüssigkeiten im Bereich des Hauptfahrwerks. Selbst einige Tropfen oder gar eine kleine Lache auf dem Boden, weisen auf eine defekte Bremsanlage hin. Hier siehst du den Flüssigkeitsbehälter für Bremsflüssigkeit der ASK 21b. (Quelle: AS Schleicher) |
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