Bauvorschriften für Segelflugzeuge

Es wird für einen Piloten sicher interessant sein zu wissen, wer oder was über seine Sicherheit wacht und dafür sorgt, dass ein Flugzeug die auftretenden Belastungen auch aushält.

Grundlage sind die Bauvorschriften, die von der JAA (“Joint Aviation Authority”, dem Zusammenschluss der europäischen Luftfahrtbehörden) erlassen worden sind und in unregelmäßigen Abständen den veränderten Erkenntnissen angepasst werden. Die EASA hat diese Regeln übernommen.

Ein neu in den Verkehr gebrachtes Segelflugzeug muss den jeweils gültigen Bauvorschriften genügen.

Da aber liegt schon der erste “Knackpunkt”:
Manche heute produzierte Flugzeuge wurden vor vielen Jahren erstmalig zugelassen. Wenn heute Modifikationen auf den Markt gebracht werden – z. Bsp. ein neuer Flügel mit einem modernen Profil, so muss der weiterhin verwendete Rumpf nicht noch einmal zugelassen werden. Er darf aufgrund der Vorschriften, nach denen er vor Jahren zugelassen wurde, weiterhin gebaut werden.

Das geht so weit, dass zum Teil ausgesprochene Oldtimer heute direkt als Neuflugzeuge auf den Markt kommen und ein neues Zulassungsverfahren kaum durchstehen würden.

Als Beispiel für diese These steht die “neue” Cessna 172, die aufgrund einer alten Zulassung aus den 50er Jahren wieder gebaut und verkauft werden darf, aber in Bezug auf nachgewiesenen Festigkeiten mit einer modernen Konstruktion – nehmen wir als Gegenbeispiel die 4-sitzige DA-40 von Diamond Aircraft – schwerlich mithalten kann. Diese Aussage betrifft auch viele Detailkonstruktionen wie z. Bsp. Befestigung der Gurte, die Festigkeit der Sitzpunkt-Verankerung etc.
Das heißt natürlich nicht, dass eine solche Cessna nicht sicher betrieben werden könnte. Die heutigen Anforderungen an eine Neukonstruktion sind aber deutlich höher und müssten im Rahmen einer neuen Zertifizierung nachgewiesen werden.

Auch eine DG-100 – das erste Flugzeug der Firma Glaser-Dirks – könnte heute in der damaligen Form mit Pendel-Höhenruder nicht mehr zugelassen werden. Die Anforderungen an die Festigkeit einer solchen Konstruktion und an die Harmlosigkeit der Flugeigenschaften sind einfach gestiegen. Ein solches Flugzeug darf aber natürlich weiter betrieben und auch gebraucht verkauft werden. Eine Nachrüstungspflicht bei Änderung der Bauvorschriften besteht nur im Rahmen von Lufttüchtigkeits-Anweisungen. Diese werden bei Fehlern in der Konstruktion oder Bauausführung ausgesprochen, die Sicherheits-relevant sind und womöglich schon zu einem Unfall geführt haben oder leicht hätten führen können.

Echte Neukonstruktionen von Segelflugzeugen, bei denen also das ganze Flugzeug neu zertifiziert werden muss, kommen nicht sehr oft vor, weil man meist vorhandene Komponenten aus dem Produktionsprogramm weiter verwendet. Die DG-800 mit neuem Flügel und dem Rumpf als Motorsegler war allerdings eine völlige Neukonstruktion. Auch bei der DG-1000 musste “fast alles” neu zugelassen werden.

Man kann also feststellen, dass ältere Segelflugzeuge bekanntlich etwas schlechtere Leistungen aufweisen, wie es dem technischen Fortschritt entspricht. Was man aber erst auf den zweiten Blick sieht, ist, dass modernere Konstruktionen im allgemeinen auch deutliche Verbesserungen in Bezug auf Festigkeit, Sicherheit und Flugverhalten beinhalten. Der Ersatz eines alten Flugzeugs durch eine neue Konstruktion bringt dem Piloten somit auch ein beträchtliches Maß an zusätzlicher Sicherheit.

Die Bauvorschriften definieren diese Anforderungen.

Die spannendste Aufgabe im Rahmen der Zertifizierung eines neuen Flugzeuges ist dabei immer der Nachweis der Bruchfestigkeit des Flügels.

Dazu wird ein spezieller Flügel gebaut. Speziell deshalb, weil er keine Steuerung enthält (wozu schließlich?) und hinterher nicht in ein Flugzeug eingebaut wird. Oft wird nach beendetem Bruchversuch der Flügel vom Hersteller eingelagert. Er kann  im Falle eines Unfalls durch Flächenbruch dann feststellen, ob der defekte Flügel evt. anders – und damit fehlerhaft – gebaut wurde. Der Bruchversuchsflügel muss also exakt so gebaut sein wie die spätere Serie. Kein Hersteller wird einen solchen Versuchsflügel heimlich verstärken! Wenn es dann später zu einem Unfall käme, würde der Sachverständige der Unfall-Untersuchungsstelle im Vergleich mit dem eingelagerten Bruchflügel oder mit den rechnerischen Daten der Zertifizierung die Unterschiede feststellen und das hätte unabsehbare Folgen!

Der Versuchsflügel wird nun in ein Bruchgestell eingespannt und bis über die  rechnerisch nachzuweisenden Grenze langsam belastet – normalerweise mit Hilfe von Deckenkränen. Für einfache Belastungstests kann man auch Rumpf und Flügel umdrehen und den Flügel mit vielen Zementsäcken beladen. Die maximale Last muss er 3 Sekunden lang aushalten. Länger kann schließlich keine Luftkraft auf den Flügel einwirken. Dann gilt die im Bruchgestell simulierte Belastung als nachgewiesen!

Wie hoch ist nun die rechnerische Maximallast?

Üblicherweise drückt man die Belastbarkeit des Flügels in “g” aus als vielfaches der Erdbeschleunigung. So ist bei einem DG-800-Flügel eine maximale Beschleunigung von +6,4 / -4,0 g angegeben. Diese Zahl stammt aber mitnichten aus der Absicht, ein Kunstflug-Flugzeug zu bauen und eckige Loopings zu fliegen.

Richtig ist zwar, dass solche Kunstflugfiguren eine hohe Belastung auf die Struktur bringen, aber wenn der Hersteller sich die Mühe macht, kann er im allgemeinen ohne größeren Bauaufwand ein Segelflugzeug als “Acro” zertifizieren lassen. Dazu muss er eine maximale Beschleunigung von +7,0 / -5,0 g nachweisen.
Bei der DG-303 wurde das Programm seinerzeit durchgezogen und die notwendigen Verstärkungen eingebaut – bei der DG-800 haben wir darauf verzichtet, weil eine solche Zertifizierung einfach teuer ist. Bei der DG-1000 gibt es wieder eine Kunstflug-Zertifizierung.

Die höchste Belastung hat eine Flugzeugzelle vielmehr durch plötzliche Böenschläge auszuhalten, nämlich dann, wenn der Pilot bei hoher Geschwindigkeit z. Bsp. in einen Wellen-Rotor gerät. Hier treten plötzlich so hohe Spitzenlasten auf wie bei kaum einer Kunstflugfigur. Das ist auch der Grund, weshalb es eine “zulässige Höchstgeschwindigkeit bei starker Turbulenz” gibt und man nur bei relativ ruhiger Luft schneller als diese, nämlich bis zu VNE (roter Strich) fliegen darf. (Ob das alle Wettbewerbspiloten wissen …..?)
Die Höchstgeschwindigkeit bei starker Turbulenz darf nicht niedriger sein als die “Manöver-Geschwindigkeit”, die Geschwindigkeit, bis zu der Ruder-Vollausschläge zulässig sind. Bei der DG-800 sind beide Geschwindigkeiten gleich bei 190 km/h.

Überraschend ist, dass die Beschleunigungen bei einem leichten Flugzeug größer sind als bei einem schweren. Wenn der Flügel kräftig mit Wasser beladen ist, wird er einer plötzlichen Böe mehr Trägheit entgegen setzen und das Flugzeug nicht so stark hoch- oder hinunter reißen, als wenn kein Wasserballast getankt wurde. Das “Gewicht der nicht-tragenden Teile” im Verhältnis zum Gesamtgewicht ist ein Parameter für die notwendige maximale Belastbarkeit des Flügels. Dieses Problem stellt sich natürlich besonders bei Motorsegeln, die eine besonders hohe Masse im Rumpf konzentrieren und damit einen besonders stabilen Flügel benötigen.

Aus den Werten Flügelfläche, Geschwindigkeit, Gewicht der nicht-tragenden Teile etc. kann der Konstrukteur die Beschleunigungen errechnen, die der Flügel aushalten muss. Das sind also z. Bsp. bei der DG-800 die erwähnten +6,4 / -4,0 g.
Aber das ist nicht der Wert, der nachgewiesen werden muss. Nachzuweisen ist das 1,725-fache der errechneten Maximalbelastung – also hier mehr als 11 g! Der Sicherheitsfaktor ist übrigens in den letzten Jahren mehrfach erhöht worden. Früher war deutlich weniger nachzuweisen, lediglich das 1,5 fache – aber das wurde ja schon erwähnt.
Neuere Flügel sind also schon deshalb mindestens um 15% fester als solche älterer Muster!

Beim Bruchversuch der DG-800 konnte eine Belastung von fast 12 g nachgewiesen werden, bevor der Flügel brach. Das ist ein Glück, denn inzwischen ist das Flugzeug durch einige Veränderungen etwas schwerer geworden und musste auch für die Zulassung der neuen Winglets neu gerechnet werden. Durch die damals nachgewiesene Reserve war das aber relativ einfach möglich. Beim Bruchversuch der DG-1000 ergab sich ein ähnlicher Wert.

Die Belastung erfolgt also immer bis zum Bruch – daher der Name “Bruchversuch”!!! Die spannende Frage ist eben nur, ob mit dem Bruch des Flügels auch das Selbstvertrauen des Konstrukteurs zerbricht!

Es ist natürlich durchaus nicht selbstverständlich, dass ein Bruchversuch sofort gelingt. Nicht nur in der Geschichte der Firma Glaser-Dirks sind Flügel vorzeitig zerbrochen – also vor dem errechneten und geforderten Festigkeitswert!
Und dann verzögert sich natürlich die Markteinführung gleich um Monate.

Eine zweite wichtige Hürde ist der Flattertest.

Er ist mindestens so schwer zu bestehen wie der Bruchversuch und heißt ganz einfach:
Der Konstrukteur muss nachweisen, dass Flügel und Rumpf nicht ins Flattern kommen werden.

Grundlage dafür ist zuerst der rechnerische Nachweis.
Dazu wird ein Standschwingungsversuch gemacht, bei dem der Flügel durch spezielle Vorrichtungen in Schwingungen versetzt wird, um festzustellen, wie sich das elastische Verhalten des ganzen Flugzeuges darstellt. Entsprechend wird der Prototyp gebaut.
Dann aber muss sich der Konstrukteur in das Flugzeug setzen, es mit 10% über VNE (roter Strich am Fahrtmesser) fliegen und versuchen, bei allen Geschwindigkeiten es über die Ruder zum Flattern anzuregen.

Die Erprobung muss auch in 3.000 Meter Höhe durchgeführt werden.
Die wahre Geschwindigkeit ist dann natürlich deutlich höher als die am Fahrtmesser angezeigten 300 km/h.
Möchten Sie so etwas machen? Wir auch nicht!

Wie gut, dass es einen Fallschirm gibt! Wenn ein Flügel (oder ein Leitwerk) ins Flattern kommt, reißt er in Sekunden-Bruchteilen ab und das Flugzeug ist bei der hohen Geschwindigkeit blitzartig in einer absolut unmöglichen Fluglage. Vor Jahren bei einer DG-600 war einmal das Querruder-Gestänge so weich, dass trotz positiver Ergebnisse der Flatterrechnung ein Flatterfall bei 300 km/h auftrat ……

Die Flattereigenschaften müssen bei verschiedenen Modifizierungen am Flugzeug immer wieder neu überprüft werden. Schon wenn größere Wassersäcke, andere Winglets o. ä. gebaut werden sollen, ist ein neuer Flatternachweis fällig.

Ist es nicht beruhigend zu wissen, dass der Konstrukteur selbst sein Produkt so hoch überlasten muss?
So wird er schon ganz besonders sorgfältig rechnen, damit ihm nichts passiert!

Wenn ein bestehendes Muster zu Forschungszwecken verändert wird, kann es zum Flatterfall kommen, wie man hier sieht!

Schließlich regeln die Bauvorschriften eine Reihe von Flugeigenschaften:

So muss ein Flugzeug ein vergleichsweise harmloses Überziehverhalten haben. Es darf also beim Strömungsabriss nicht “giftig” reagieren. Während die DG-800 und DG-1000 sich durch besonders angenehmes Verhalten hervor heben, musste bei der DG-600 als Forderung des LBA eine Überziehwarnung eingebaut werden. Dieser Flügel brachte zwar gute Leistung, war aber etwas problematisch im Langsamflug – wenigstens in der Version ohne Winglets.

Weiterhin darf die Überziehgeschwindigkeit bei Höchstgewicht ohne Wasserballast den Wert von derzeit 85 km/h nicht überschreiten. Wenn ein Flugzeug aufgrund hoher Flächenbelastung eine hohe Überziehgeschwindigkeit hat, muss es vorher sein Ballastwasser ablassen können.

Da ein Motorsegler von vorn herein schwerer ist als ein Segelflugzeug, lässt sich die Forderung nach niedriger Überziehgeschwindigkeit am besten durch Einbau von Wölbklappen erreichen.

Das ist der Grund, weshalb es nur wenige Motorsegler mit Klapptriebwerk gibt, die nicht auch gleichzeitig Wölbklappen haben. Wir hätten gern eine DG-505MB mit dem Motor der DG-808B und ohne Wölbklappen gebaut als billigen nicht-eigenstartfähigen Doppelsitzer. Das geht aber nicht, weil er dann durch das Gewicht des Motors ohne Wölbklappen eine zu hohe Überziehgeschwindigkeit hätte – schade drum!

Auch die Forderung bezüglich der Wirksamkeit der Bremsklappen ist nicht einfach zu erfüllen. Bei einer Geschwindigkeit von 30% über Minimalgeschwindigkeit (das ist meist 100 bis 105 km/h) muss das Sinken einem Gleitwinkel von 1:7 entsprechen. Sowohl DG-800 als auch DG-1000 schaffen diese Hürde nur so eben und sind doch für ihre gute Klappenwirkung bekannt.

Auch das Fahrwerk muss seine Festigkeit beweisen:Ein Landestoß mit einer Sinkgeschwindigkeit von 1,5 m/sec muss vom Fahrwerk “weggesteckt” werden ohne bleibende Verformungen und ohne dass eine höhere Belastung als 4 g auf den Piloten einwirkt. Schließlich ist ein solchermaßen stabil konstruiertes Fahrwerk der beste Schutz gegen Rückratverletzungen.

Diese Anforderung erfüllt man am besten mit einem möglichst langen Federweg – bestehend aus dem Weg beim Zusammendrücken der Schraubenfedern des Fahrwerks und aus der Höhe des Reifenquerschnitts. Der Reifen wird bei solch einem Stoß theoretisch bis auf die Felge platt gedrückt und da es für diese Anforderung auf jeden Millimeter zusätzlichen Federweg ankommt, hat die DG-1000 solch ein großes Hauptrad bekommen mit dem durchaus erwünschten Nebeneffekt, dass der Flieger sehr komfortabel rollt.Es ist verwunderlich, dass bis vor kurzem noch Flugzeuge produziert wurden, die außer dem Reifen keine Federung im Fahrwerk haben. Man sieht daran, dass die Bauvorschriften oft nur Minima festlegen, die die meisten Hersteller aus Gründen der Sicherheit und des Komforts durchaus auch freiwillig überschreiten.

Dies waren nur einige Punkte der Bauvorschrift. Weitere Regeln betreffen verschiedene Höchstgewichte, die Festigkeit des Fahrwerks und seit kurzem auch die Festigkeit des Cockpits. Die ersten Kunststoff-Maschinen hatten ein Cockpit von der Stabilität eines heutigen Ultraleicht-Flugzeuges.

So etwas könnte jetzt auch nicht mehr zugelassen werden.Und ganz wichtig sind die zusätzlichen Anforderungen an die Sicherheit für den Piloten. Die Verbesserung des Hauben-Notabwurfs, der Rögerhakens, die Art der Befestigung der Gurte, automatische Ruder-Anschlüsse – alles dies sind Anforderungen, die häufig modifiziert wurden entsprechend der Entwicklung der technischen Erkenntnisse.

Der Lärmschutz der Flugzeuge ist dagegen nicht in den Bauvorschriften sondern durch nationale Vorschriften reglementiert. Sie sind bekanntlich in Deutschland besonders streng. Die JAR-Bauvorschriften gelten dagegen in ganz Europa.

Die Bauvorschriften sorgen dafür, dass Neukonstruktionen immer dem Stand der Technik gemäß auf den Markt kommen.
Die darin enthaltenen Forderungen verteuern natürlich nicht unbeträchtlich die Konstruktion, Produktion und Zulassung neuer Modelle.
Sie dienen aber schließlich Ihrer Sicherheit.