Wenn die Erde kopfsteht
Dieser Artikel stammt von Gerhart Berwanger, dem langjährigen Leiter der Segelflugschule Oerlinghausen.
Wer Trudeln zum erstenmal erlebt, kann kaum beschreiben, was geschehen ist – zu verwirrend und stark ist der Eindruck. Aber auch der routinierte Flieger und Fluglehrer hat seine Schwierigkeiten, den Vorgang zu erklären. Über eine reine Beschreibung der Ruderstellungen und des Bewegungsablaufs hinaus ist meist nichts zu erfahren über die komplexen dynamischen Vorgänge, die dabei ablaufen.
Auch in den gängigen Lehrbüchern sind praktische Hinweise zu finden, aber nichts über die theoretischen Zusammenhänge. Und das hat seinen Grund.
Kein Trudeln gleicht dem anderem. Jedes Muster und jedes Exemplar eines Musters trudelt anders, aber nicht nur das. Eintritt und Ablauf des Trudelns werden von so vielen Parametern bestimmt, dass es kaum gelingen wird, einen Standardablauf zu definieren, der jederzeit exakt wiederholt werden kann. Bekannt ist, dass neben der aerodynamischen Konfiguration – durch das Muster vorgegeben – vor allem die Schwerpunktlage von Bedeutung ist. Aber Beladung, Masseverteilung im Flugzeug und der Flugzustand im Moment des Einleitens sind ebenso wichtig.
“Trudeln”, das ist letztlich nur ein Oberbegriff für sehr verschiedene Vorgänge. Die gemeinsamen Merkmale sollen als Definition vorangestellt werden:
- Das Flugzeug bewegt sich um eine nahe beim oder im Flugzeug liegende Achse drehend senkrecht nach unten.
- Die Sinkrate ist hoch, liegt aber deutlich unter der Sturzfluggeschwindigkeit.
- Die Winkelgeschwindigkeit ist wesentlich höher als beim steilsten Kreisflug.
- Die Längsneigung ist groß, über 60 Grad spricht man vom Steil-, darunter vom Flachtrudeln.
- Die Strömung ist an dem Flügel, der der Drehrichtung abgewandt ist, ganz oder teilweise abgerissen und liegt am anderen Flügel an.
Alle diese Zustandsgrößen sind variabel und von Fall zu Fall anders.
Bei Längsneigung und Drehgeschwindigkeit ist das besonders deutlich. Das ergibt sich aus der Komplexität und Dynamik der Strömungsverhältnisse und der aus der Bewegung entstehenden Massenkräfte, insbesondere der Zentrifugalkraft. In der Regel wird sich das alles während des gesamten Vorgangs ständig verändern. Dabei ist sowohl eine stetige Veränderung bis zu einem neuen Endzustand – häufig das selbständige Beenden – als auch eine gedämpfte oder ungedämpfte Schwingung des Bewegungsablaufs möglich.
Es wird deswegen auch kaum gelingen, alle Varianten und deren Details theoretisch zu beschreiben, zu erläutern und zu begründen. Vielmehr sollen im folgenden die all diesen Spielarten gemeinsamen Grundlagen dargestellt werden.
Kein Flugzeug, das innerhalb seiner Betriebsgrenzen geflogen wird, gerät von alleine ins Trudeln, wenn es technisch in Ordnung und vorschriftsmäßig beladen ist. Zum Übergang in diese extreme Bewegung muss der einseitige Strömungsabriss am Flügel bewusst oder ungewollt herbeigeführt werden, eine andere Methode gibt es nicht. Einseitiger Strömungsabriss ist nur möglich bei unterschiedlicher Umströmung beider Flügel. Betrachten wir zunächst das nebenstehende Bild. Sowohl eine ungleichmäßig auftreffende Horizontalböe als auch eine durch abrupten Seitenruderausschlag herbeigeführte Drehung um die Hochachse verursachen primär weder eine Veränderung des Anstellwinkels noch des sonstigen Strömungsbildes. Verändert wird nur die Strömungsgeschwindigkeit und damit in quadratischem Verhältnis die Größe der Luftkraft. Daraus ergibt sich als Sekundärwirkung eine Drehung um die Längsachse – das bekannte Wenderollmoment.
Durch das so indirekt und ohne Querruderausschlag eingeleitete Rollen folgt der horizontalen Geschwindigkeitsänderung nun eine Veränderung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente am Flügel – außen in Rumpfnähe. Die gleiche Wirkung wird durch eine ungleichmäßig auftreffende Vertikalböe erreicht – nächstes Bild.
Damit ändern sich der Anstellwinkel und das Strömungsbild. Der von unten angeblasene beziehungsweise der abwärts bewegte Flügel erhöht bei gesunder Strömung den Auftrieb, der Flügel hebt sich, oder die Rollbewegung wird gebremst und kommt zum Stillstand. Die Querlage wird allerdings beibehalten, das Flugzeug schiebt zunächst zum hängenden Flügel und beginnt ohne weiteres Zutun einen flachen, unsauberen Kurvenflug, um dann aufgrund der Quer- und Richtungsstabilität wieder schwingend zur Normallage zurückzukehren.
Führen wir die gleichen Manöver aus einem Flug im oberen Anstellwinkelbereich heraus durch, so wird etwas ganz anderes geschehen.
Rechts sehen Sie die Verhältnisse am Flugzeug und im Polardiagramm. Der Einfachheit halber betrachten wir einen ungeschränkten Flügel, Profil und Einstellwinkel sind über die ganze Spannweite gleich und wir vernachlässigen auch den Einfluss der Umströmung am Randbogen. Die Maschine befindet sich im stationären Langsamflug, der Anstellwinkel ist so groß, dass wir am oberen Scheitelpunkt des Polardiagramms fliegen. Durch eine mit Seitenruderausschlag eingeleitete Rollbewegung nach links vergrößert sich der Anstellwinkel am linken Flügel so weit, dass die Strömung abreißt.
Da die Abwärtsbewegung außen am stärksten ist, wird die Strömung in diesem Falle von außen nach innen abreißen.
Damit vergrößert sich schlagartig der Widerstand am Außenflügel, und der Auftrieb bricht zusammen. Der linke Flügel wird nach hinten gerissen und fällt nach unten. Die einleitende Bewegung, zunächst Drehung nach links und Rollen nach links, wird nicht gedämpft, wie bei der Normalfluglage, sondern zusätzlich verstärkt. Die starke Drehbewegung verbessert zugleich die Strömungsverhältnisse am rechten Flügel durch Verkleinerung des Anstellwinkels. Der einseitige Strömungsabriss ist perfekt.
Im “wirklichen Leben” sieht das zum Teil erheblich anders aus.
Durch die Flügelgeometrie und die zumeist aerodynamische und zugleich geometrische Schränkung unserer Segelflugzeuge vollzieht sich der Strömungsabriss weicher und ohne so abrupte Drehbewegungen und Luftkraftänderungen. Es ist ja gerade ein Ziel der Konstrukteure, das Überziehverhalten so zu gestalten, dass der Strömungsabriss rechtzeitig erkennbar und beherrschbar wird. Bei der ASK 21 liegt zum Beispiel das Querruder im überzogenen Flugzustand noch so weit in gesunder Strömung, dass die mit dem einseitigen Strömungsabriss eingeleitete Rollbewegung per Querruderausschlag beendet werden kann, obwohl dieser Querruderausschlag eine zusätzliche Anstellwinkelvergrößerung bewirkt, den Strömungsabriss bei unserem Modell nach obigem Bild sogar verschärfen müsste.
Rechts sehen Sie, wie die Luftkraftverteilung bei einem Segelflugzeug aussehen kann, nachdem die Strömung einseitig vollständig abgerissen ist. Die ungleichmäßige Verteilung bewirkt sowohl um die Hochachse als auch um die Längsachse ein heftiges Drehmoment. Nicht nur im Geradeausflug, sondern gerade im Kurvenflug kann ein einseitiger Strömungsabriss eintreten. Das wird zusätzlich begünstigt durch die unterschiedliche Anströmgeschwindigkeit von Innen- und Außenflügel. Wichtiger ist aber, dass unkoordinierte Seitenruderausschläge und zu geringe Längsneigung im Horizontbild des Kurvenfluges schwerer erkennbar sind. Es kann leichter zu gefährlichen Ausgangsfluglagen kommen.
Kommt es zum einseitigen Strömungsabriss innen, so ist die Maschine aus der Anfangsquerneigung heraus sehr viel schneller in der steilen Trudellage. Ein Strömungsabriss über den Außenflügel – bei den großen Spannweiten der Segelflugzeuge selten oder schwer möglich – ist freilich noch kritischer. Von der völlig unerwarteten Bewegung wird der Pilot so überrascht, dass er schon etwas Zeit braucht, um richtig zu reagieren.
Die Art und Geschwindigkeit, wie die Strömung abreißt und wie abrupt sich die Luftkräfte verändern, wie krass die Maschine aus der Normallage in den Trudelsturz gerissen wird, hängt vor allem von der Flügelgeometrie ab, nicht allein von der Schwerpunktlage. Diese spielt jedoch für die Trudelneigung eines Flugzeugs eine wichtige Rolle.
Das soll am Beispiel der als nicht sehr trudelfreudig bekannten ASK 21 näher erläutert werden. Aus dem Flug- und Betriebshandbuch lassen sich die nebenstehend dargestellten Werte entnehmen. Wenigen ist wohl bewusst, wie klein die Toleranzstrecke für die Schwerpunktlage ist und vor allem, wie klein der Hebelarm von der hinteren zulässigen Lage zum Neutralpunkt noch ist. Dieser Abstand ist aber das Maß für die Stabilitätsreserve der Längsstabilität des Flugzeuges. Es lohnt sich vielleicht, die kleinen Strecken von 235 mm und 50 mm einmal mit Filzstift auf die Rumpfoberseite zu malen. Die Momente, die durch Luftkräfte am Höhenleitwerk auszugleichen sind, können innerhalb, der Betriebsgrenzen im Verhältnis 8:1 variieren! Der alleinfliegende 14jährige Flugschüler und die anschließend einsteigenden beiden gewichtigen älteren Herren fliegen, auch wenn sie im gleichen Cockpit sitzen, quasi zwei ganz verschiedene Flugzeuge.
Hintere Schwerpunktlage und minimale Beladung, da genügt schon eine kleine Bö oder ein nervöses Ziehen am Knüppel und die Längsneigung ändert sich, kommt vielleicht in den kritischen Anstellwinkelbereich oder weit darüber hinaus. Bei vorderer Schwerpunktlage und maximaler Beladung zieht der Vogel unbeirrt durch alle Böen, ist auch durch mutwilliges Ziehen kaum zum Abkippen zu bewegen. Das mit dem kleinen Höhenruder erzeugbare Moment reicht dazu einfach nicht aus. Die besonders narrensichere Flügelgeometrie der ASK 21 sorgt allerdings selbst bei der ungünstigsten Schwerpunktlage dafür, dass dieses Segelflugzeug so kaum zum Trudeln überredet werden kann.
Schwieriger als die Voraussetzung zum Eintritt in das Trudeln sind die Abläufe, insbesondere der Bewegungsverlauf bei Beginn und während des Trudelns zu beschreiben und zu verstehen.
Zur Beschreibung des anfänglichen Bewegungsablaufs zum Trudeln setzen wir die Kräfteverteilung nach dem vorletzten Bild und die daraus entstehenden Drehmomente um Hoch- und Längsachse im nächsten Bild zunächst in die resultierende Gesamtluftkraft und ein resultierendes Drehmoment um. Entsprechend dem Gesamtmoment dreht sich das Flugzeug um eine resultierende Achse, die in der Ebene von Hoch- und Längsachse von vorn unten nach hinten oben verläuft. Die Flügelebene neigt sich zum abgerissenen Flügel hin, und gleichzeitig dreht sich die Rumpfnase zur gleichen Seite. Das Cockpit wird sich in unserem Beispiel also nach links unten drehen. Der Pilot sieht, wie er beginnt, drehend Richtung Erde zu stürzen.
Würde die Drehachse so beibehalten, dann würde die Maschine in einer stark geneigten Flugbahn autorotierend weiter drehen und dabei jeweils auch über eine steile Rückenlage gehen, wie das nach einer halben Umdrehung rechts zu sehen ist. Dafür, dass dies nur maximal einmal nach dem Beginn des Trudelns so geschieht, sorgt die Gewichtskraft.
Bei den Luftkräften hat sich der Widerstand ja erheblich erhöht und der Auftrieb ist zur Hälfte zusammengebrochen. Die resultierende Luftkraft wird sich also nach hinten neigen und sehr viel kleiner werden. Sie steht nicht mehr im Gleichgewicht zur unveränderten Gewichtskraft. Das Flugzeug wird davon nach hinten unten beschleunigt, es fällt und wird in seiner Vorwärtsbewegung rapide gebremst. Spätestens in der Rückenlage wird deutlich, wie diese Kräfte dafür sorgen, dass sich die Drehachse neigt und der Senkrechten annähert. Die Luftkräfte am Leitwerk unterstützen diesen Vorgang. Außerdem wird sichtbar, wie das Flugzeug durch die Luftkraft im Verein mit der Schwerkraft aus der Drehachse herausgezogen wird.
Wird eine sehr schnelle Trudeldrehung eingeleitet und nach einer Drehung wieder beendet, was nur mit kurzen Spannweiten möglich ist, so wird sich die dann fast in der Längsachse befindliche resultierende Drehachse nur wenig neigen, man trudelt eine Umdrehung fast horizontal – das ist die gerissene Rolle.
Die stetig zunehmende Neigung der Drehachse bei gleichzeitigem Entfernen des Flugzeugs von der Achse ist nebenstehend dargestellt. Mit der Entfernung des Schwerpunkts von der Drehachse beginnen die Zentrifugalkräfte zu wirken, gleichzeitig wird sich mit dem Fortgang der Bewegung auch die Luftkraft in Größe und Richtung verändern – unverändert bleibt nur die Gewichtskraft, die unerbittlich die Richtung der Bewegung erzwingt. Diese Übergangsphase, die bei unseren gängigen Mustern vielleicht eine viertel bis maximal eine Umdrehung dauert, endet bei einem gut trudelnden Flugzeug in dem neuen Gleichgewichtszustand, der in der dritten Phase des Bildes dargestellt ist.
Die Massenkräfte Zentrifugal- und Gewichtskraft halten der Luftkraft das Gleichgewicht, das Flugzeug stürzt mit gleich bleibender Fall- und Drehgeschwindigkeit autorotierend zur Erde. Jeder Flieger weiß aus Erfahrung und Beobachtung, dass eine abgerissene Strömung sehr lebendig, pulsierend, veränderlich ist und keineswegs eine ruhige, gleichförmige Luftkraft erzeugt. So wird auch dieser Zustand nicht so gleichförmig erhalten bleiben, wie zunächst beschrieben. Der Trudelzustand und das Strömungsbild am Flügel verändern sich ständig. Viele Muster neigen zu einer Verkleinerung des abgerissenen Bereichs bis hin zum sehr schnellen vollständigen Anliegen der Strömung. Die Maschine geht in den Spiralsturz über, in einen viel gefährlicheren Zustand als das stationäre Trudeln.
Aber nicht nur die Aerodynamik, sondern auch die Massenkräfte sorgen für eine Veränderung des zunächst eingenommenen Trudelzustands. Die Phasendarstellung rechts beginnt mit dem Endzustand aus dem letzten Bild, jedoch sind statt der resultierenden Gesamtzentrifugalkraft deren Komponenten dargestellt.
Sie entsteht ja wie alle Massenkräfte aus den Massenwirkungen der einzelnen Masse-Elemente. Zur Vereinfachung wird angenommen, dass die Gesamtmasse des Flugzeugs aus nur zwei Massepunkten in Rumpfnase und -heck bestünde, der Rest sei masselos. Die Größe der Zentrifugalkraft wächst quadratisch mit der Winkelgeschwindigkeit und linear mit dem Radius. Beide Punkte haben die gleiche Winkelgeschwindigkeit, der Punkt im Heck jedoch den deutlich größeren Radius.
Dieser Kraftunterschied sorgt für eine Drehung des Rumpfs hin zu geringerer Längsneigung – dem steht die Luftkraft des Höhenruders entgegen. Auch diese beiden Wirkungen werden einen Gleichgewichtszustand finden, es stellt sich eine gleich bleibende Längsneigung ein. Das ist allerdings ein recht langsamer Vorgang und so kann allgemein gesagt werden, dass sich die Längsneigung des trudelnden Flugzeugs mit der Trudeldauer verringert. Das wird dann heftig und schnell geschehen, wenn große Massen weit vom Schwerpunkt entfernt sind. Solche Flugzeuge bleiben nicht lange steil, sie neigen zum Flachtrudeln. Die Schwerpunktlage zum Neutralpunkt spielt entgegen einer weit verbreiteten Meinung dabei nur eine kleine Rolle. Es ist eine unrichtige Vereinfachung zu sagen, dass Flugzeuge mit hinterer Schwerpunktlage eher zum Flachtrudeln neigen. Ausschlaggebend ist vor allem das Vorhandensein größerer Massen in Bug und Heck.
Das Missverständnis ist allerdings zu erklären: Häufig sind es gerade die Muster oder Einzelstücke mit hinteren Schwerpunktlagen, die mehr Masse in Bug und Heck haben als andere. Das gilt für das Flugzeug mit schwer gebautem Leitwerk, dessen Schwerpunkt nur durch viel Blei im Bug weit genug nach vorn gebracht werden kann. Man wird den Schwerpunkt nicht sehr weit nach vorn legen, da bräuchte man ja noch mehr Blei das Ergebnis ist eine Maschine, die wegen der hinteren Schwerpunktlage leicht überzogen werden kann und dann auch noch zum flachen Trudeln neigt. Das gilt auch für den Leistungssegler, der durch Ballast im Heck den Schwerpunkt so weit wie noch gerade zulässig nach hinten legt. Nicht die hintere Schwerpunktlage, sondern vor allem die Masse im Leitwerk erhöht die Neigung zum Flachtrudeln.
Mit abnehmender Längsneigung ändert sich die Anblasung des trudelnden Flügels. Die vorwärts drehende Fläche mit anliegender Strömung wird besser angeblasen, die Luftkräfte stehen fast wie im Normalflug, vergleichbar dem Rotorblatt des Hubschraubers. Der andere Flügel wird praktisch von unten angeblasen, die eigentlich nur noch aus Widerstand bestehende Luftkraft zeigt mehr oder weniger senkrecht nach oben. Die Gesamtluftkraft – beim Eintritt ins Trudeln weit in Richtung Leitwerk geneigt – richtet sich mit abnehmender Trudellängsneigung auf und nimmt so zu, dass sie das Flugzeug langsamer sinken lässt und nach innen zur Drehachse zieht. Sie nähert sich immer mehr einer senkrechten Stellung und wird damit zur alleinigen Gegenkraft des Gewichts. Die zur Herstellung eines Kräftegleichgewichts erforderliche Zentrifugalkraft verringert sich mit abnehmendem Radius. Im Grenzfall wird bei einem sehr flach trudelnden Flugzeug die Luftkraft senkrecht in der Drehachse stehen, und diese geht durch den Schwerpunkt. Die Fliehkräfte halten den Rumpf flach. Dagegen kommt das Höhenruder, dessen Strömung inzwischen abgerissen ist, nicht mehr an. Es ist wirkungslos und kann uns aus der misslichen Lage nicht mehr befreien. Auch die Betätigung des Seitenruders wird, anders als beim Steiltrudeln, keine Wirkung mehr zeigen – das Seitenleitwerk wird seitlich angeblasen, auch seine Strömung ist abgerissen. Nur die in der Flugerprobung angewendeten Maßnahmen wie Verschiebung oder Abwurf von Trimmassen oder ein Bremsfallschirm können helfen. Wer den nicht hat, sollte an den Fallschirm denken, den er auf dem Rücken trägt.
In Literatur und Lehrunterlagen und in so manchem Fachgespräch unter Fliegern wird ausführlich behandelt, mit welchen Maßnahmen und Tricks Trudeln eingeleitet werden kann und wie es zu beenden ist. Darauf wird deswegen hier bewusst verzichtet. Vielleicht ist es gelungen, das “Warum” dieses Handelns besser verständlich zu machen.
Gerhart Berwanger
