Massenunabhängige Sollfahrt

Für den Piloten ist der Fahrtmesser ein elementares Instrument in allen Phasen des Fluges. Alle Betriebsgrenzen des Flugzeuges sind auf dem Fahrtmesser gekennzeichnet. Jedoch sind die Betriebsgrenzen des Flugzeuges abhängig von der Flugzeugmasse und der Flughöhe. Je nach Flugzeugmasse und daraus resultierenden Flächenbelastungen ergeben sich unterschiedliche Geschwindigkeiten bei denen die Ablösung der Strömung auf dem Flügel stattfindet. Unabhängig von der Flugzeugmasse und der Flughöhe hängt die Strömungsablösung nur vom Anstellwinkel des Flugzeuges ab.

Beim Streckenflug im Segelflugzeug durchfliegt der Pilot sowohl aufsteigende als auch absinkende Luftmassen, für die es jeweils eine optimale Fluggeschwindigkeit gibt. Diese Fluggeschwindigkeit wird dem Piloten über ein Sollfahrtgeber angezeigt. Problematisch ist dabei, dass die Anzeige für eine bestimmte Flächenbelastung ausgelegt ist. Ändert sich die Flächenbelastung, zum Beispiel durch Ablassen von Wasserballast, so muss der Pilot die Flächenbelastung schätzen und korrigieren. Bei pneumatischen Geräten muss er das im Kopf abschätzen, bei digitalen Geräten kann er die Flächenbelastung einstellen. Jedoch ist die Flächenbelastung auch nur geschätzt. Durch die Messung des Anstellwinkels kann eine Unabhängigkeit des Anzeigesystems von der Flächenbelastung erreicht werden.

Der beste Weg um Erfahrungen für den Umgang mit Messtechnik und der Anstellwinkelmessung zu gewinnen sind Flugversuche. Dazu wurde der Twin III der Akaflieg Berlin mit einem Nasenmast mit einer Fünflochsonde bestückt. Die Fünflochsonde wurde in einem vorhergehenden Projekt im Rahmen des Unikurses „Strömungsmechanisches Projekt“ durch Philip und Nicolai kalibriert. Auch die für die Auswertung der Drücke benötigte Messbox mit Drucksensoren wurde im Rahmen dieses Projektes gebaut. Um die Spannungen der Drucksensoren auszuwerten wurde eine Messkarte von National Instruments verwendet und ein Tablet-PC zur Auswertung und Aufzeichnung der Daten. Um mit dem Nasenmast auch fliegen zu dürfen musste er beim Luftfahrtbundesamt zugelassen werden.

Auf dem Sommertreffen der Idaflieg fanden mit Unterstützung des DLR die ersten Messflüge statt. Mit den ersten Messflügen konnte die Messung des Anstellwinkels im Flug erfolgreich erprobt werden. Bei den Messflügen wurden Geschwindigkeitsstufen geflogen um darauf den Anstellwinkel zu kalibrieren. Danach wurden die gewonnenen Messwerte ausgewertet um die gesuchten Zusammenhänge rechnerisch nachzuweisen.

Grundsätzlich ist die Annahme das bei gleichem Flugzeuggewicht im stationären Horizontalflug der Auftrieb den das Flugzeug generiert immer gleich groß sein muss. Unter Annahme einer gleichen Flughöhe und der Verwendung des gleichen Flugzeugs hängt der Auftrieb vom Auftriebsbeiwert CA ab und der Geschwindigkeit v. Sinkt die Geschwindigkeit muss der Auftriebsbeiwert steigen. Der Auftriebsbeiwert wird dabei durch den Anstellwinkel bestimmt, ein großer Auftriebsbeiwert entspricht einem großen Anstellwinkel. Somit besteht ein fester Zusammenhang zwischen dem Anstellwinkel und der Geschwindigkeit, der bei bekannter Flugzeugmasse bestimmt werden kann.

Besitzt das Segelflugzeug eine gute Gleitzahl, so kann vereinfachend angenommen werden, dass Auftrieb und Gewichtskraft gleich groß sind. So kann aus dem bestimmten Zusammenhang aus Anstellwinkel und Fluggeschwindigkeit nun immer die Flugzeugmasse berechnet werden.

Dies konnte in einer zweiten Versuchsreihe auf dem Flugplatz in Kammermark nachgewiesen werden. Die Massendifferenz zwischen einsitzigem Betrieb und zweisitzigen Betrieb konnte dabei auf wenige Kilo genau nachgewiesen werden.

Als Problem stellte sich dabei noch klarer heraus, dass das Lastvielfache die Messungen durch große Schwankungen ungenau werden lässt. Dabei kann durch die günstige Verfügbarkeit von Inertialmesseinheiten das Lastvielfache genau bestimmt und diese Fehlerquelle ausgeschlossen werden. Somit besteht nun ein Messsystem, welches den Anstellwinkel im Flug genau bestimmen kann und die aktuelle Flugzeugmasse bestimmen kann. Somit können auf einem Überlandflug beim Kurbeln immer der optimale Anstellwinkel geflogen werden. Während beim Vorfliegen das Sollfahrtinstrument durch die Verfügbarkeit der aktuellen Masse immer die richtige Sollfahrtempfehlung gibt.