Die optimale Schwerpunktlage eines Segelflugzeugs

In der „klassischen Theorie“ soll der Flügel eines Flugzeugs den Auftrieb erzeugen und das Höhenleitwerk dient zur Erhaltung der Stabilität. Da im allgemeinen gewölbte Flügelprofile verwendet werden, muss das aerodynamische Moment, welches der Flügel erzeugt und welches die Rumpfnase nach unten drehen will, durch ein Gegenmoment am Höhenleitwerk kompensiert werden. Dazu muss das Höhenleitwerk je nach Fluggeschwindigkeit und Schwerpunktlage mehr oder weniger Abtrieb erzeugen. Je höher die Fluggeschwindigkeit und je weiter der Schwerpunkt vorne liegt, um so größer ist der Abtrieb, bei hinterer Schwerpunktlage und geringer Fluggeschwindigkeit erzeugt das Höhenleitwerk aber auch Auftrieb.
Ebenfalls bekannt dürfte sein, dass Wettbewerbspiloten ihr Flugzeug so austrimmen, dass sie an der hinteren Grenze der zulässigen Schwerpunktlage fliegen. Dadurch verbessern sich zumindest theoretisch die Flugleistungen, insbesondere muss beim Kreisen nicht so stark gezogen werden.
Beim „Deutschen Segelflugsymposium“ in Stuttgart wurde zu diesem Thema eine Arbeit vorgestellt und diskutiert, die diese an sich bekannten Tatsachen anschaulich an Beispielsrechnungen verschiedener Segelflugzeuge darstellte.
So wurde im ersten Schritt untersucht, wie groß eigentlich der Unterschied in den Flugleistungen bei vorderster bzw. bei hinterster Schwerpunktlage ist. Der zulässige Schwerpunktbereich wird vom Konstrukteur festgelegt. Die vordere Schwerpunktlage bestimmt die Größe von Höhenleitwerk und Höhenruderausschlag, so dass z.B. noch genügend Höhenruderwirksamkeit im Kreisflug vorhanden ist. Die hintere Schwerpunktlage wird so festgelegt, dass das Flugzeug gerade noch stabil fliegt und z.B. noch sicher aus dem Trudeln ausgeleitet werden kann.
Durchgängig wurde für alle Flugzeugtypen und Spannweite errechnet, dass zwischen vorderster und hinterster Schwerpunktlage ein Leistungsunterschied von 1,0 bis 1,5 Gleitzahlpunkten liegt.
Und das ist vergleichsweise viel!
Also ist es richtig, mit hinterer Schwerpunktlage zu fliegen?
Dazu die folgenden Überlegungen:

Flugleistungen:

Die Gleitzahl eines Flugzeuges errechnet sich aus dem Verhältnis von gesamtem Auftrieb zu gesamtem Widerstand. Wenn das Höhenleitwerk Abtrieb liefert, muss der Flügel mehr Auftrieb liefern und das ist mit höherem Induzierten Widerstand und höherem Profilwiderstand verbunden. Die Gleitzahl verringert sich somit.
Trotzdem muss die allerhinterste Schwerpunktlage nicht unbedingt die besten Ergebnisse liefern. Das Höhenleitwerk ist nicht dafür konstruiert, viel Auftrieb zu erzeugen. Es hat schließlich meist ein symmetrisches Profil. Das Profil des Tragflügels ist dagegen für die Aufgabe, Auftrieb zu schaffen besser geeignet.
Außerdem erzeugt das Leitwerk mit dem Auftrieb auch einen überproportional großen induzierten Widerstand aufgrund seiner geringen Streckung. Optimal wäre ein Zustand, bei dem das Höhenleitwerk im Langsamflug gerade so viel Auftrieb liefert, um den Auftriebsverlust des Flügels im Bereich des Rumpfes auszugleichen. Dabei wird der induzierte Widerstand des gesamten Flugzeuges minimal. Dieser Zustand liegt je nach Auslegung des Leitwerkes mehr oder weniger weit vor der hinteren Schwerpunktlage.

Flugeigenschaften und Sicherheit:

Bei hinterer Schwerpunktlage ist die Stabilität, insbesondere um die Querachse gering und das Flugzeug muss ständig gesteuert werden, um Fahrtschwankungen, insbesondere beim Thermikkreisen zu vermeiden. Je nach Übung und Können wird der Pilot dabei schneller ermüden und seine Konzentrationsfähigkeit wird nachlassen, so dass der theoretische Leistungsgewinn dahin schwindet.
Mit hinterster Schwerpunktlage wird ein Flugzeug bei Unterschreiten der Mindestgeschwindigkeit viel leichter ins Trudeln gehen, als bei vorderer Schwerpunktlage, bei welcher Trudeln meistens gar nicht möglich ist. Das kann besonders im Gebirge leicht tödliche Folgen haben. Hier reagieren verschiedene Flugzeuge zwar unterschiedlich, aber die Tendenz ist eindeutig.
Besonders der erste Punkt sollte auch den heißesten Wettbewerbspiloten von der allerhintersten Schwerpunktlage Abstand zu nehmen lassen.

Ergebnisse:

Der Schwerpunkt hat erheblichen Einfluss auf die Flugeigenschaften und Leistungen. Eine Lage innerhalb der vorderen Hälfte des Bereichs ist in jedem Fall negativ und zu vermeiden.

Ein guter Kompromiss ist eine Schwerpunktlage bei 30 bis 35 % vor der hinteren Grenze.

Ein Flug hinter der hinteren Grenze ist lebensgefährlich.

Achten Sie genau auf Ihre Schwerpunktlage und lassen Sie evt. Ihr Flugzeug (und sich selbst) neu verwiegen!

– Dipl. Ing. W. Dirks –


Ergänzung nach mehreren Segelflug-Symposien in Stuttgart und Braunschweig:

Mitglieder der Akaflieg Braunschweig sind der Frage nach der optimalen Schwerpunktlage noch einmal genau nachgegangen. Dazu wurden Messflüge mit zwei ASH-25 durchgeführt, die vorher genau eingestellt und durchgecheckt wurden. Beide Flugzeuge verfügten über eine hochkomplexe Messtechnik, weil man nur sehr kleine Leistungsunterschiede erwartete. Ein Flugzeug wurde zur Referenzmaschine erklärt und eines wurde bezüglich des Schwerpunktes bei jedem Flug variiert.

Bei den Messflügen wurden verschiedene Geschwindigkeiten mit verschiedenen Klappenstellungen durchflogen und die Ergebnisse anhand der mitgeführten Computer später ausgewertet.

Uns sollen die Einzelergebnisse gar nicht so sehr interessieren, denn während eines längeren Fluges nutzt der Pilot sowieso alle Klappenstellungen und fliegt ständig mit wechselnden Geschwindigkeiten. Uns interessiert nur das „durchschnittliche“ Ergebnis. Und wenn die Messungen und Auswertungen auch noch nicht beendet sind, kann man doch schon so viel feststellen:

Die hintere zulässige Schwerpunktlage ist bei den verschiedenen Flugzuständen nicht die optimale. Die beste Leistung erzielt das Flugzeug bei einer Einstellung etwa 30 bis 35% vor dem hinteren Limit. Das liegt offensichtlich daran, dass bei  hinterster Schwerpunktlage das Leitwerk nicht neutral arbeitet sondern sogar Auftrieb erzeugen muss – und dafür ist es nicht gut geeignet.

Zu uns sagen oft Kunden, die Wettbewerbe fliegen wollen, wir sollen bitte Ihre Maschine sorgfältig wiegen und auf 98% der hintersten Lage einstellen.

Wenn wir natürlich grundsätzlich den Willen unserer Kunden respektieren, ist das aber ein Wunsch, den wir besser nicht erfüllen sollten. Das Flugzeug wird dadurch nicht besser fliegen aber nervöser reagieren. Und der Kunde braucht auf einem langen Flug nur zwei Liter Flüssigkeit zu verlieren und schon fliegt er jenseits des Limits.

Wählen Sie eine Schwerpunktlage bei 30 bis 35% vor der hintersten Grenze.
Sie ist optimal bezüglich Leistung und Sicherheit.

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