Belastungsfaktoren

Belastungsfaktoren: Betriebsgrenzen von Flugzeugen.

Die vorangegangenen Abschnitte aus den Unterseiten der SeiteFlugzeug haben nur kurz einige der praktischen Punkte der Flugprinzipien behandelt. Um Pilot zu werden, ist ein detaillierter technischer Kurs in der Wissenschaft der Aerodynamik nicht notwendig. Da er jedoch für die Sicherheit der Passagiere verantwortlich ist, muss der kompetente Pilot ein fundiertes Konzept der Kräfte haben, die auf das Flugzeug wirken, und die vorteilhafte Nutzung dieser Kräfte, sowie die Betriebsgrenzen des jeweiligen Flugzeugs. Jede Kraft, die auf ein Flugzeug einwirkt, um es von einer geraden Linie abzulenken, erzeugt eine Beanspruchung seiner Struktur; der Betrag dieser Kraft wird als „Belastungsfaktor“ bezeichnet.

Ein Belastungsfaktor ist das Verhältnis der gesamten auf das Flugzeug einwirkenden Luftlast zum Bruttogewicht des Flugzeugs. Ein Lastfaktor von 3 bedeutet beispielsweise, dass die Gesamtlast auf die Struktur eines Flugzeugs das Dreifache seines Bruttogewichts beträgt. Belastungsfaktoren werden gewöhnlich in „G“ ausgedrückt, d.h. ein Belastungsfaktor von 3 kann als 3 G oder ein Belastungsfaktor von 4 als 4 G bezeichnet werden.

Interessant ist, dass man bei einem Flugzeug, das beim Hochziehen aus dem Sturzflug 3 G ausgesetzt ist, mit einer Kraft in den Sitz gedrückt wird, die dem Dreifachen des eigenen Gewichts entspricht. Eine Vorstellung von der Größe des bei einem Manöver erzielten Belastungsfaktors lässt sich also durch die Betrachtung des Ausmaßes, in dem man in den Sitz gedrückt wird, ermitteln. Da die Betriebsgeschwindigkeit moderner Flugzeuge erheblich zugenommen hat, ist dieser Effekt so ausgeprägt, dass er bei der Konstruktion der Struktur aller Flugzeuge eine vorrangige Rolle spielt.

Da die strukturelle Konstruktion von Flugzeugen so ausgelegt ist, dass sie nur einer bestimmten Überlast standhält, ist die Kenntnis der Lastfaktoren für alle Piloten unerlässlich geworden. Lastfaktoren sind für den Piloten aus zwei verschiedenen Gründen wichtig:

1. Wegen der offensichtlich gefährlichen Überlast, die ein Pilot den Flugzeugstrukturen auferlegen kann; und

2. weil ein erhöhter Lastfaktor die Überziehgeschwindigkeit erhöht und einen Strömungsabriss bei scheinbar sicheren Fluggeschwindigkeiten ermöglicht.

Lastfaktoren in der Flugzeugkonstruktion

Die Antwort auf die Frage „wie stark sollte ein Flugzeug sein“ wird weitgehend durch die Nutzung bestimmt, der das Flugzeug ausgesetzt wird. Das ist ein schwieriges Problem, denn die maximal möglichen Belastungen sind viel zu hoch, um sie für eine effiziente Konstruktion zu verwenden. Es stimmt, dass jeder Pilot eine sehr harte Landung oder einen extrem scharfen Aufschwung aus dem Sturzflug machen kann, was zu abnormalen Belastungen führen würde. Solche extrem abnormalen Lasten müssen jedoch in gewisser Weise vernachlässigt werden, wenn Flugzeuge gebaut werden sollen, die schnell starten, langsam landen und eine lohnende Nutzlast tragen sollen.

Das Problem der Lastfaktoren bei der Flugzeugkonstruktion reduziert sich dann auf die Bestimmung der höchsten Lastfaktoren, die im Normalbetrieb unter verschiedenen Betriebssituationen erwartet werden können. Diese Lastfaktoren werden als „Grenzlastfaktoren“ bezeichnet. Aus Sicherheitsgründen muss das Flugzeug so konstruiert sein, dass es diesen Belastungsfaktoren ohne strukturelle Schäden standhält. Obwohl der Code of Federal Regulations vorschreibt, dass die Flugzeugstruktur in der Lage sein muss, das Eineinhalbfache dieser Grenzbelastungsfaktoren ohne Versagen zu tragen, wird akzeptiert, dass sich Teile des Flugzeugs unter diesen Belastungen verbiegen oder verdrehen können und dass einige strukturelle Schäden auftreten können.

Dieser 1.5 wird als „Sicherheitsfaktor“ bezeichnet und deckt bis zu einem gewissen Grad Belastungen ab, die höher sind als die, die bei normalem und vernünftigem Betrieb zu erwarten sind.

Diese Festigkeitsreserve ist jedoch nichts, was Piloten absichtlich missbrauchen sollten; sie ist vielmehr zu ihrem Schutz da, wenn sie unerwarteten Bedingungen ausgesetzt sind.

Die obigen Überlegungen gelten für alle Belastungsbedingungen, ob sie nun auf Böen, Manöver oder Landungen zurückzuführen sind. Die jetzt geltenden Anforderungen an den Böenlastfaktor entsprechen im Wesentlichen denen, die schon seit Jahren gelten. Hunderttausende von Betriebsstunden haben gezeigt, dass sie für die Sicherheit angemessen sind. Da der Pilot nur wenig Einfluss auf die Böenlastfaktoren hat (außer die Geschwindigkeit des Flugzeugs zu verringern, wenn raue Luft auftritt), sind die Anforderungen an die Böenlastfaktoren für die meisten Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt im Wesentlichen gleich, unabhängig von ihrem Einsatzzweck. Im Allgemeinen bestimmen die Böenlastfaktoren die Konstruktion von Flugzeugen, die für einen rein nichtakrobatischen Einsatz vorgesehen sind.

Eine völlig andere Situation besteht bei der Konstruktion von Flugzeugen mit Manöverlastfaktoren. Es ist notwendig, diese Angelegenheit getrennt zu erörtern in Bezug auf: (1) Flugzeuge, die nach dem Kategoriesystem konstruiert sind (d.h. Normal, Utility, Acrobatic); und (2) Flugzeuge älterer Bauart, die nach Anforderungen gebaut wurden, die keine Betriebskategorien vorsahen.

Flugzeuge, die nach dem Kategoriesystem konstruiert wurden, sind leicht durch ein Schild im Cockpit zu erkennen, das die Betriebskategorie (oder -kategorien) angibt, für die das Flugzeug zugelassen ist. Die maximalen sicheren Lastfaktoren (Grenzlastfaktoren), die für Flugzeuge in den verschiedenen Kategorien angegeben sind, lauten wie folgt:

KATEGORIE-GRENZLAST

Normal* 3,8 bis -1.52

Utility (leichte Akrobatik, einschließlich Trudeln) 4,4 bis -1,76

Akrobatik 6,0 bis -3,0

* Für Flugzeuge mit einem Bruttogewicht von mehr als 4.000 Pfund wird der Grenzlastfaktor reduziert. Zu den oben angegebenen Grenzbelastungen wird ein Sicherheitsfaktor von 50 Prozent hinzugerechnet.

Der Belastungsfaktor steigt mit zunehmender Schwere der Manöver. Das Kategoriensystem sieht vor, den maximalen Nutzen eines Flugzeugs zu erreichen. Wenn nur normaler Betrieb beabsichtigt ist, ist der erforderliche Lastfaktor (und folglich das Gewicht des Flugzeugs) geringer, als wenn das Flugzeug in der Ausbildung oder bei akrobatischen Manövern eingesetzt werden soll, da diese zu höheren Manöverlasten führen.

Flugzeuge, die keine Kategorieplakette haben, sind Konstruktionen, die unter früheren technischen Anforderungen gebaut wurden, bei denen den Piloten keine spezifischen Betriebsbeschränkungen vorgegeben wurden. Für Flugzeuge dieser Art (bis zu einem Gewicht von etwa 4.000 Pfund) ist die erforderliche Festigkeit vergleichbar mit den heutigen Flugzeugen der Gebrauchskategorie, und die gleichen Betriebsarten sind zulässig. Für Flugzeuge dieses Typs über 4.000 Pfund nehmen die Belastungsfaktoren mit dem Gewicht ab, so dass diese Flugzeuge als vergleichbar mit den Flugzeugen der normalen Kategorie angesehen werden sollten, die nach dem Kategoriesystem konstruiert wurden, und sie sollten entsprechend betrieben werden.

Belastungsfaktoren in Steilkurven

In einer koordinierten Kurve mit konstanter Höhe in einem beliebigen Flugzeug ist der Belastungsfaktor das Ergebnis von zwei Kräften: Zentrifugalkraft und Schwerkraft.

Abbildung 1: Zwei Kräfte verursachen den Lastfaktor beim Kurvenflug.

Für jeden gegebenen Neigungswinkel variiert die Kurvengeschwindigkeit mit der Fluggeschwindigkeit; je höher die Geschwindigkeit, desto langsamer die Kurvengeschwindigkeit. Dadurch wird die zusätzliche Zentrifugalkraft kompensiert, so dass der Lastfaktor gleich bleibt.

Abbildung 2 zeigt eine wichtige Tatsache in Bezug auf Kurven – dass der Lastfaktor nach Erreichen einer Schräglage von 45° oder 50° mit einer erschreckenden Geschwindigkeit zunimmt. Der Belastungsfaktor für ein Flugzeug in einer 60°-Schräglage beträgt 2 G. Bei einer 80°-Schräglage beträgt der Belastungsfaktor 5,76 G. Der Flügel muss einen Auftrieb erzeugen, der diesen Belastungsfaktoren entspricht, wenn die Höhe gehalten werden soll.

Abbildung 2: Der Neigungswinkel verändert den Belastungsfaktor.

Es ist zu beachten, wie schnell die Linie, die den Belastungsfaktor angibt, ansteigt, wenn sie sich der 90°-Neigungslinie nähert, die sie erst im Unendlichen erreicht. Die Kurve mit 90° Schräglage und konstanter Höhe ist mathematisch nicht möglich. Ein Flugzeug kann zwar auf 90° geneigt werden, aber nicht in einer koordinierten Kurve; ein Flugzeug, das in einer 90° geneigten Gleitkurve gehalten werden kann, ist zu einem geraden, messerscharfen Flug fähig. Bei etwas mehr als 80° überschreitet der Belastungsfaktor den Grenzwert von 6 G, den Grenzbelastungsfaktor eines Kunstflugzeugs.

Für eine koordinierte Kurve mit konstanter Höhe beträgt die ungefähre maximale Neigung für ein durchschnittliches Flugzeug der allgemeinen Luftfahrt 60°. Diese Schräglage und die daraus resultierende notwendige Leistungseinstellung erreichen die Grenze dieses Flugzeugtyps. Eine zusätzliche Querneigung von 10° erhöht den Belastungsfaktor um etwa 1 G und bringt ihn in die Nähe der für diese Flugzeuge festgelegten Streckgrenze.

Lastfaktoren und Überziehgeschwindigkeiten

Jedes Flugzeug kann innerhalb der Grenzen seiner Struktur bei jeder Fluggeschwindigkeit überzogen werden. Bei einem ausreichend großen Anstellwinkel bricht die gleichmäßige Luftströmung über einem Profil auf und trennt sich, was zu einer abrupten Änderung der Flugeigenschaften und einem plötzlichen Auftriebsverlust führt, der einen Strömungsabriss zur Folge hat.

Eine Untersuchung dieses Effekts hat ergeben, dass die Überziehgeschwindigkeit des Flugzeugs proportional zur Quadratwurzel des Lastfaktors zunimmt. Das bedeutet, dass ein Flugzeug mit einer normalen unbeschleunigten Überziehgeschwindigkeit von 50 Knoten bei 100 Knoten überzogen werden kann, wenn ein Lastfaktor von 4 G eingeleitet wird. Wenn dieses Flugzeug einem Belastungsfaktor von 9 standhalten könnte, könnte es bei einer Geschwindigkeit von 150 Knoten überzogen werden. Daher sollte sich ein kompetenter Pilot über Folgendes im Klaren sein:

– Die Gefahr, dass das Flugzeug versehentlich überzogen wird, indem der Lastfaktor erhöht wird, wie z.B. in einer Steilkurve oder Spirale; und

– dass beim absichtlichen Überziehen eines Flugzeugs über seine Konstruktionsmanövergeschwindigkeit ein enormer Lastfaktor auferlegt wird.

Die Diagramme in den Abbildungen 2 und 3 zeigen, dass die Schräglage des Flugzeugs in einer Steilkurve bis knapp über 72° einen Belastungsfaktor von 3 erzeugt und die Überziehgeschwindigkeit erheblich erhöht. Wenn diese Kurve mit einem Flugzeug mit einer normalen unbeschleunigten Überziehgeschwindigkeit von 45 Knoten geflogen wird, muss die Fluggeschwindigkeit über 75 Knoten gehalten werden, um einen Strömungsabriss zu vermeiden. Ein ähnlicher Effekt tritt bei einem schnellen Hochziehen auf, oder bei jedem Manöver, das Belastungsfaktoren über 1 G erzeugt. Dies war die Ursache von Unfällen, die aus einem plötzlichen, unerwarteten Kontrollverlust resultierten, insbesondere bei einer steilen Kurve oder einem abrupten Einsatz des hinteren Höhenruders in Bodennähe.

Abbildung 3: Belastungsfaktor ändert Überziehgeschwindigkeit.

Da sich der Belastungsfaktor mit der Verdoppelung der Überziehgeschwindigkeit quadriert, kann man erkennen, dass enorme Belastungen auf die Strukturen einwirken können, wenn ein Flugzeug bei relativ hohen Fluggeschwindigkeiten überzogen wird.

Die maximale Geschwindigkeit, bei der ein Flugzeug sicher überzogen werden kann, wird jetzt für alle neuen Konstruktionen festgelegt.

Diese Geschwindigkeit wird als „Design Maneuvering Speed“ (VA) bezeichnet und muss in das von der FAA zugelassene Airplane Flight Manual oder Pilot’s Operating Handbook (AFM/POH) aller neu konstruierten Flugzeuge eingetragen werden. Bei älteren Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt beträgt diese Geschwindigkeit etwa das 1,7-fache der normalen Überziehgeschwindigkeit. Ein älteres Flugzeug, das normalerweise bei 60 Knoten überzieht, darf also niemals bei mehr als 102 Knoten überzogen werden (60 Knoten x 1,7 = 102 Knoten). Ein Flugzeug mit einer normalen Überziehgeschwindigkeit von 60 Knoten erfährt beim Überziehen mit 102 Knoten einen Belastungsfaktor, der dem Quadrat der Geschwindigkeitszunahme oder 2,89 G entspricht (1,7 x 1,7 = 2,89 G). (Die obigen Zahlen sind ein Näherungswert, der als Richtwert zu betrachten ist und keine exakte Antwort auf eine Reihe von Problemen darstellt. Die Konstruktionsgeschwindigkeit sollte anhand der Betriebsgrenzen des jeweiligen Flugzeugs ermittelt werden, wenn diese vom Hersteller angegeben werden.)

Da die Hebelwirkung im Steuersystem bei verschiedenen Flugzeugen unterschiedlich ist und einige Typen „ausgeglichene“ Steuerflächen haben, andere nicht, kann der vom Piloten auf die Steuerungen ausgeübte Druck nicht als Index für die in verschiedenen Flugzeugen erzeugten Belastungsfaktoren akzeptiert werden. In den meisten Fällen können die Belastungsfaktoren von erfahrenen Piloten anhand des Drucks im Sitz beurteilt werden. Sie können auch mit einem Instrument gemessen werden, das als „Beschleunigungsmesser“ bezeichnet wird, aber da dieses Instrument in Schulungsflugzeugen der allgemeinen Luftfahrt nicht üblich ist, ist es wichtig, die Fähigkeit zu entwickeln, Belastungsfaktoren anhand des Gefühls ihrer Wirkung auf den Körper zu beurteilen. Die Kenntnis der oben beschriebenen Prinzipien ist für die Entwicklung dieser Fähigkeit, Belastungsfaktoren abzuschätzen, unerläßlich.

Eine gründliche Kenntnis der Belastungsfaktoren, die durch unterschiedliche Neigungsgrade hervorgerufen werden, und der Bedeutung der Auslegungs-Manövergeschwindigkeit (VA) wird dazu beitragen, zwei der schwersten Unfallarten zu verhindern:

1. Strömungsabrisse durch steile Kurven oder übermäßiges Manövrieren in Bodennähe; und

2. Strukturversagen bei akrobatischen oder anderen heftigen Manövern, die zum Verlust der Kontrolle führen.

Lastfaktoren und Flugmanöver

Kritische Lastfaktoren gelten für alle Flugmanöver mit Ausnahme des unbeschleunigten Geradeausflugs, bei dem immer ein Lastfaktor von 1 G vorliegt. Bestimmte Flugmanöver, die in diesem Abschnitt behandelt werden, sind bekanntermaßen mit relativ hohen Lastfaktoren verbunden.

KURVEN – Erhöhte Lastfaktoren sind ein Merkmal aller Kurven mit Schräglage. Wie im Abschnitt über Belastungsfaktoren in Steilkurven und insbesondere in den Abbildungen 2 und 3 erwähnt, werden die Belastungsfaktoren sowohl für die Flugleistung als auch für die Belastung der Flügelstruktur bedeutsam, wenn die Schräglage über etwa 45° hinaus zunimmt.

Der Streckungsfaktor eines durchschnittlichen Leichtflugzeugs wird bei einer Querneigung von etwa 70° bis 75° erreicht, und die Überziehgeschwindigkeit erhöht sich bei einer Querneigung von etwa 63° um etwa die Hälfte.

STALLS-Der normale Strömungsabriss, der aus dem geraden Horizontalflug oder einem unbeschleunigten geraden Steigflug eintritt, erzeugt keine zusätzlichen Belastungsfaktoren, die über die 1 G des geraden Horizontalflugs hinausgehen. Wenn der Strömungsabriss eintritt, kann dieser Belastungsfaktor jedoch gegen Null reduziert werden, der Faktor, bei dem nichts mehr Gewicht zu haben scheint, und der Pilot hat das Gefühl, „frei im Raum zu schweben“. Wird der Überziehvorgang durch Vorschieben des Höhenruders eingeleitet, können negative Lastfaktoren entstehen, die die Tragflächen nach unten drücken und den Piloten aus dem Sitz heben.

Beim Hochziehen nach dem Überziehen werden manchmal erhebliche Lastfaktoren erzeugt. Unbeabsichtigt können diese bei übermäßigem Sturzflug (und folglich hoher Fluggeschwindigkeit) und abruptem Hochziehen in den Horizontalflug weiter erhöht werden. Das eine führt in der Regel zum anderen und erhöht somit den Belastungsfaktor. Abrupte Hochziehvorgänge bei hohen Tauchgeschwindigkeiten können kritische Belastungen auf die Flugzeugstrukturen ausüben und wiederkehrende oder sekundäre Strömungsabrisse verursachen, indem der Anstellwinkel auf den des Strömungsabrisses erhöht wird.

Verallgemeinernd lässt sich sagen, dass eine Erholung aus einem Strömungsabriss durch Abtauchen auf Reiseflug- oder Auslegungsfluggeschwindigkeit mit einem allmählichen Hochziehen, sobald die Fluggeschwindigkeit sicher über dem Strömungsabriss liegt, mit einem Belastungsfaktor von nicht mehr als 2 oder 2,5 G erreicht werden kann. Ein höherer Belastungsfaktor sollte nie notwendig sein, es sei denn, das Flugzeug wird mit der Nase in oder außerhalb der vertikalen Lage oder in extrem niedriger Höhe ausgeleitet, um ein Eintauchen in den Boden zu vermeiden.

Trudeln – Da sich ein stabilisiertes Trudeln in keinem anderen Element als der Rotation wesentlich von einem Strömungsabriss unterscheidet, gelten die gleichen Überlegungen zum Belastungsfaktor wie beim Abfangen des Strömungsabrisses. Da das Trudeln in der Regel mit einer viel niedrigeren Nase als beim Strömungsabriss erfolgt, sind höhere Fluggeschwindigkeiten und folglich höhere Belastungsfaktoren zu erwarten. Der Belastungsfaktor bei einem richtigen Trudeln liegt normalerweise bei etwa 2,5 G.

Der Belastungsfaktor während eines Trudelns variiert je nach den Taumelcharakteristiken des jeweiligen Flugzeugs, liegt aber normalerweise etwas über dem 1 G-Wert des Horizontalflugs. Dafür gibt es zwei Gründe:

1. Die Fluggeschwindigkeit während des Trudelns ist sehr niedrig und liegt in der Regel innerhalb von 2 Knoten der unbeschleunigten Überziehgeschwindigkeiten; und

2. Das Flugzeug dreht sich während des Trudelns eher, als dass es sich dreht.

HIGH-SPEED STALLS-Das durchschnittliche Leichtflugzeug ist nicht dafür gebaut, die wiederholte Anwendung von Belastungsfaktoren auszuhalten, die für High-Speed Stalls üblich sind. Der Belastungsfaktor, der für diese Manöver notwendig ist, erzeugt eine Beanspruchung der Tragflächen und der Leitwerksstruktur, die bei den meisten Leichtflugzeugen keinen angemessenen Sicherheitsspielraum lässt.

Die einzige Möglichkeit, diesen Strömungsabriss bei einer Fluggeschwindigkeit oberhalb des normalen Strömungsabrisses herbeizuführen, besteht darin, einen zusätzlichen Belastungsfaktor aufzuerlegen, was durch einen starken Zug am Höhensteuer erreicht werden kann. Eine Geschwindigkeit, die das 1,7-fache der Überziehgeschwindigkeit beträgt (etwa 102 Knoten bei einem leichten Flugzeug mit einer Überziehgeschwindigkeit von 60 Knoten), ergibt einen Belastungsfaktor von 3 G. Darüber hinaus kann für Akrobatik in leichten Flugzeugen nur ein sehr geringer Spielraum für Fehler zugelassen werden. Um zu veranschaulichen, wie schnell der Belastungsfaktor mit der Fluggeschwindigkeit ansteigt, würde ein Überziehflug bei 112 Knoten mit demselben Flugzeug einen Belastungsfaktor von 4 G erzeugen.

CHANDELLEN UND LAZY EIGHTS-Es wäre schwierig, eine eindeutige Aussage über die Belastungsfaktoren bei diesen Manövern zu machen, da es sich bei beiden um sanfte, flache Tauchgänge und Klimmzüge handelt. Die auftretenden Belastungsfaktoren hängen direkt von der Geschwindigkeit der Tauchgänge und der Abruptheit der Klimmzüge ab.

Generell gilt: Je besser das Manöver ausgeführt wird, desto weniger extrem ist der verursachte Belastungsfaktor. Eine Chandelle oder Lazy Eight, bei der der Pullup einen Belastungsfaktor von mehr als 2 G erzeugt, führt zu einem geringeren Höhengewinn und kann bei Flugzeugen mit geringer Leistung zu einem Netto-Höhenverlust führen.

Ein möglichst sanfter Pullup mit einem moderaten Belastungsfaktor führt zu dem größten Höhengewinn bei einer Chandelle und zu einer besseren Gesamtleistung sowohl bei Chandellen als auch bei Lazy Eights.

Darüber hinaus ist anzumerken, dass die empfohlene Eintrittsgeschwindigkeit für diese Manöver im Allgemeinen in der Nähe der vom Hersteller angegebenen Manövergeschwindigkeit liegt, was eine maximale Entwicklung der Belastungsfaktoren ermöglicht, ohne die Belastungsgrenzen zu überschreiten.

ROUGH AIR-Alle zugelassenen Flugzeuge sind so ausgelegt, dass sie Belastungen durch Böen von beträchtlicher Stärke standhalten können. Die Böenlastfaktoren nehmen mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zu, und die für Konstruktionszwecke verwendete Stärke entspricht gewöhnlich der höchsten Fluggeschwindigkeit in der Ebene. In extrem rauer Luft, wie bei Gewittern oder Frontalbedingungen, ist es ratsam, die Geschwindigkeit auf die Auslegungsmanövergeschwindigkeit zu reduzieren.

Ungeachtet der gehaltenen Geschwindigkeit kann es zu Böen kommen, die Belastungen erzeugen können, die die Belastungsgrenzen überschreiten.

Die meisten Flughandbücher für Flugzeuge enthalten jetzt Informationen über das Eindringen von turbulenter Luft. Für die Betreiber moderner Flugzeuge, die einen großen Geschwindigkeits- und Höhenbereich abdecken können, ist dies ein Gewinn an Komfort und Sicherheit. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die maximalen „Niemals überschreiten“-Geschwindigkeiten auf den Plakaten nur für glatte Luft festgelegt sind.

Sprünge mit hoher Geschwindigkeit oder Akrobatik, bei denen die Geschwindigkeit über der bekannten Manövergeschwindigkeit liegt, sollten niemals in rauer oder turbulenter Luft durchgeführt werden.

Zusammenfassend muss daran erinnert werden, dass Belastungsfaktoren, die durch gewollte Akrobatik, abruptes Hochziehen aus dem Sturzflug, Strömungsabrisse bei hoher Geschwindigkeit und Böen bei hohen Fluggeschwindigkeiten hervorgerufen werden, die gesamte Struktur eines Flugzeugs zusätzlich belasten.

Belastung der Struktur beinhaltet Kräfte auf jedes Teil des Flugzeugs. Unwissende neigen dazu, die Belastungsfaktoren nur im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Holme und Streben zu betrachten. Die meisten strukturellen Ausfälle aufgrund überhöhter Belastungsfaktoren betreffen die Rippenstruktur innerhalb der Vorder- und Hinterkanten der Tragflächen und des Leitwerks.

Der kritische Bereich bei stoffbespannten Flugzeugen ist die Bespannung etwa ein Drittel der Sehne achtern auf der Oberseite des Flügels.

Die kumulative Wirkung solcher Belastungen über einen langen Zeitraum kann dazu neigen, wichtige Teile zu lockern und zu schwächen, so dass es später zu einem tatsächlichen Versagen kommen kann, wenn das Flugzeug in normaler Weise betrieben wird.

Vg-Diagramm

Die Flugbetriebsfestigkeit eines Flugzeugs wird in einem Diagramm dargestellt, dessen horizontale Skala auf dem Lastfaktor basiert.

Abbildung 4: Typisches Vg-Diagramm.

Das Diagramm wird als Vg-Diagramm bezeichnet – Geschwindigkeit gegen „g“ Lasten oder Lastfaktor.

Jedes Flugzeug hat sein eigenes Vg-Diagramm, das für ein bestimmtes Gewicht und eine bestimmte Höhe gilt.

Die Linien der maximalen Auftriebsfähigkeit (gebogene Linien) sind die ersten wichtigen Punkte im Vg-Diagramm.

Das abgebildete Flugzeug ist in der Lage, nicht mehr als ein positives „g“ bei 62 m.p.h. zu entwickeln,

Da der maximale Belastungsfaktor mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit variiert, beträgt das maximale positive Auftriebsvermögen dieses Flugzeugs 2 „g“ bei 92 m.p.h., 3 „g“ bei 112 m.p.h., 4,4 „g“ bei 137 m.p.h. und so weiter. Jeder Lastfaktor oberhalb dieser Linie ist aerodynamisch unverfügbar, d.h. das betreffende Flugzeug kann nicht über die Linie der maximalen Auftriebsfähigkeit hinaus fliegen (es wird überziehen). Im Wesentlichen die gleiche Situation besteht für den Flug mit negativem Auftrieb, mit der Ausnahme, dass die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um einen gegebenen negativen Lastfaktor zu erzeugen, höher ist als diejenige, die erforderlich ist, um den gleichen positiven Lastfaktor zu erzeugen.

Wenn das betreffende Flugzeug mit einem positiven Lastfaktor geflogen wird, der größer ist als der positive Grenzlastfaktor von 4,4, sind strukturelle Schäden möglich. Wird das Flugzeug in diesem Bereich betrieben, kann es zu unzulässigen bleibenden Verformungen der Primärstruktur und zu einer hohen Rate an Ermüdungsschäden kommen. Ein Betrieb oberhalb des Grenzlastfaktors muss im Normalbetrieb vermieden werden.

Im Vg-Diagramm sind zwei weitere Punkte von Bedeutung. Der erste ist der Schnittpunkt des positiven Grenzlastfaktors mit der Linie der maximalen positiven Auftriebsfähigkeit. Die Fluggeschwindigkeit an diesem Punkt ist die Mindestfluggeschwindigkeit, bei der die Grenzlast aerodynamisch entwickelt werden kann. Jede Fluggeschwindigkeit, die darüber liegt, führt zu einem Auftrieb, der ausreicht, um das Flugzeug zu beschädigen; jede Fluggeschwindigkeit, die darunter liegt, führt nicht zu einem Auftrieb, der ausreicht, um Schäden durch übermäßige Fluglasten zu verursachen. Üblicherweise wird diese Geschwindigkeit als „Manövergeschwindigkeit“ bezeichnet, da bei Berücksichtigung der Unterschall-Aerodynamik der minimal nutzbare Kurvenradius bei dieser Bedingung erreicht wird. Die Manövergeschwindigkeit ist ein wertvoller Bezugspunkt, da ein Flugzeug, das unterhalb dieses Punktes fliegt, keine schädliche positive Fluglast erzeugen kann. Jede Kombination aus Manöver und Böe kann keinen Schaden durch übermäßige Fluglast verursachen, wenn das Flugzeug unterhalb der Manövergeschwindigkeit fliegt.

Der nächste Punkt ist der Schnittpunkt des negativen Grenzlastfaktors und der Linie der maximalen negativen Auftriebsfähigkeit.

Jede Fluggeschwindigkeit, die größer ist als diese, bietet eine negative Auftriebsfähigkeit, die ausreicht, um das Flugzeug zu beschädigen; jede Fluggeschwindigkeit, die kleiner ist, bietet keine negative Auftriebsfähigkeit, die ausreicht, um das Flugzeug durch übermäßige Fluglasten zu beschädigen.

Die Grenzfluggeschwindigkeit (oder Redline-Geschwindigkeit) ist ein Konstruktionsbezugspunkt für das Flugzeug – das betreffende Flugzeug ist auf 225 m.p.h. begrenzt. Wenn versucht wird, über die Grenzfluggeschwindigkeit hinaus zu fliegen, können strukturelle Schäden oder strukturelles Versagen aus einer Vielzahl von Phänomenen resultieren.

Das Flugzeug ist also im Flug auf einen Bereich von Fluggeschwindigkeiten und g’s begrenzt, die die Grenzgeschwindigkeit (oder Redline-Geschwindigkeit) nicht überschreiten, den Grenzlastfaktor nicht überschreiten und die maximale Auftriebsfähigkeit nicht überschreiten können. Das Flugzeug muss innerhalb dieser „Hüllkurve“ betrieben werden, um strukturelle Schäden zu vermeiden und sicherzustellen, dass der erwartete Betriebsauftrieb des Flugzeugs erreicht wird. Der Pilot muss das Vg-Diagramm als Beschreibung der zulässigen Kombination von Fluggeschwindigkeiten und Lastfaktoren für einen sicheren Betrieb verstehen. Jedes Manöver, jede Böe oder jede Böe plus Manöver außerhalb der strukturellen Hülle kann strukturelle Schäden verursachen und die Lebensdauer des Flugzeugs effektiv verkürzen.

Damit ist die Seite Lastfaktoren abgeschlossen. Sie können nun zur Seite Gewicht und Balance weitergehen oder die FAA Principles of Flight Test ausprobieren.

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