Flatterfestigkeit – erhöhte Anforderungen bei der DG-1000

Zwischen dem Erstflug der Baunummer 1 und der Fertigstellung der Nummer 2 ist fast ein Jahr vergangen – ein Zeitraum, der normalerweise nur wenige Monate dauert. Der Grund waren massive Konstruktionsänderungen der Steuerung und der Leitwerke aufgrund zusätzlicher Anforderungen an den Flatternachweis, die erst kurz vorher vom Luftfahrt Bundesamt gefordert wurden. Die DG-1000 ist das erste Flugzeug von DG, das davon betroffen war.
Diese zusätzlichen Anforderungen wurden von der US Luftfahrtbehörde gefordert, da sie einen Unterschied fanden in den Flatternachweisen, wie sie bisher für deutsche Segelflugzeuge erstellt wurden und denjenigen, die für Verkehrsflugzeuge üblich sind. Die zusätzliche Forderung besteht darin, dass die Flatterfreiheit auch mit festgelegter Steuerung nachgewiesen werden muss. Da sich bei dieser Konfiguration ganz andere Eigenfrequenzen der Steuerung ergeben als bei loser Steuerung, ist es schwierig, die Struktur des Flugzeuges so zu gestalten, dass es keine Frequenznachbarschaften und damit rechnerische Flatterfälle gibt. Bei der DG-1000 führte das dazu, dass z.B. das Höhenleitwerk 4 mal so steif gebaut werden musste, als wie das aus Festigkeitsgründen erforderlich gewesen wäre und, dass fast alle Ruder 100% massenausgeglichen sind.
Wir vermuten, dass fast keines der zuvor zugelassenen Segelflugzeuge diese neuen Forderungen erfüllt. Da aber bekannterweise die bisher zugelassenen Segelflugzeuge keine Flatterprobleme im Flugbetrieb hatten, ist es schon fraglich, ob die neuen Forderungen wirklich angemessen sind. Insbesondere ist es fraglich, ob ein Pilot – im Gegensatz zu der Hydraulik bei einem Verkehrsflugzeug – die Steuerung überhaupt so festhalten wird, dass solch ein Flatterfall auch in der Praxis auftreten kann.
Zum Anderen ist es natürlich sehr schwierig, gegen die neuen Forderungen zu argumentieren, da ja zumindest rein theoretisch eine Flattergefahr besteht, und wer will dann die Verantwortung übernehmen?
Wilhelm Dirks hat früher selbst während der Erprobung eines neuen Musters einen Flatterfall erlebt und saß plötzlich im Freien…

 

Was ist eigentlich Flattern?

Ich möchte es am Beispiel eines Querruderfalles erklären:
Wenn Sie ein Querruder im Querschnitt betrachten, sehen Sie, dass die Fläche (und damit ungefähr auch die Masse) hinter der Drehachse viel größer ist als davor (rechts ist viel größer als links). Also ist das Ruder nicht ausbalanciert – ohne Ansteuerung fällt es herunter. So sind alle Querruder von Anfang an.
Wenn Sie das Ruder nun z. Bsp. nach unten ausschlagen, wird dadurch der Flügel hoch steigen und das Flugzeug beginnt, etwas um die Längsachse zu rollen. Aufgrund der Massenträgheit wird das Ruder schwerer und wird von allein den Ausschlag vergrößern. Dasselbe gilt für das nach oben ausgeschlagene Querruder; auch dort wird der Ruderausschlag infolge der Trägheitskräfte verstärkt. D.h. die Trägheitskräfte von nicht massenausgeglichenen Querrudern versuchen, den einmal eingestellten Querruderausschlag zu vergrößern. Diesem Effekt wirken bei normalen Fluggeschwindigkeiten die Luftkräfte und die Reibung in der Steuerung ausreichend stark entgegen. Für den Piloten am Knüppel spürbar bleibt davon schließlich eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Zunahme der Kraft, je weiter er das Querrudersteuer ausschlagen will.
Wesentlich unangenehmer kann das Zusammenwirken von Luftkräften und Trägheitskräften jedoch werden, wenn die Ausschläge der Rudern nicht mehr nur langsam, sondern extrem rasch oder je nach Fluggeschwindigkeit mit bestimmten (flugzeugspezifischen) Frequenzen erfolgen. Unter diesen Bedingungen spielt die Masse und Steifigkeit sämtlicher Teile des Flugzeugs eine große Rolle, denn jedes Flugzeug kann infolge seiner Elastizität und durch das Zusammenspiel der Luft- und Massenkräfte „schwingen“. Dieser Effekt ist im Schnellflug ganz besonders unangenehm, weil dort die Luftkräfte schon bei kleinen Ruderausschlägen oder Verformungen z.B. des Flügels sehr groß werden und diese Schwingungen sogar bis hin zum Bruch des Flugzeugs anwachsen können.
Der Massenausgleich der (Quer-) Ruder kann nun helfen, dieses ungünstige Zusammenwirken von Luft- und Massenkräften in bestimmten Flatterfällen zu verhindern.
Diese Erkenntnis ist nicht neu und so wird an der Nasenleiste des Querruders – ebenso wie am Höhen und Seitenruder – ein Massenausgleich angebracht. Dadurch wird die „Rücklastigkeit“ der Ruder deutlich verringert und ein Flattern wird nicht eintreten. Wenn dann der Testpilot dies auch noch in der Praxis nachweisen konnte, war bisher alles okay.

Die Querruderkräfte der DG-1000 liegen jetzt etwa in der Größenordnung wie bei einer DG-800 und das ist für einen Doppelsitzer sehr gut. Eine noch weitere Verringerung wäre nur mit nicht voll ausgeglichenen Rudern zu erreichen und das ist leider nicht mehr zulässig.

 

– Friedel Weber und Wilhelm Dirks –

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