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Im Focus Detail


Verfasst am: 09.03.11 00:00

Von: Andreas Schönwälder

Auch in der Luft nicht ins Schleudern kommen

„Unusual attitudes“ hat nichts mit schlechtem Benehmen zu tun und „upset recovery“ ist auch keine Methode um hitzige Gemüter zu besänftigen. Im Autoverkehr wird seit einiger Zeit versucht, die Unfallzahlen durch so genannte Schleuderkurse zu senken. Absolventinnen von Fahrschulen werden zu diesem Zweck im wahrsten Sinne „aufs Eis geführt“. In der Luft gibt es ähnliche Situationen, welche schnell einmal zu einem Absturz führen können. Deshalb beginnt Austrian Aviation Net eine Serie zum Thema Flugsicherheit. Der erste Teil behandelt den Strömungsabriss, oder Stall wie er auf Englisch auch genannt wird.

Foto: AirTeamImages.com

Um den Stall ranken sich viele Mythen. Jeder Pilot muss bereits davon gehört, wenn vielleicht auch unter dem deutschen Begriff „Strömungsabriss“. Es ist die wahrscheinlich bekannteste Art mit dem Flugzeug abzustürzen. Beinahe alle Abstürze in der allgemeinen Fliegerei lassen sich auch tatsächlich darauf zurückführen.

Viele glauben dass die wahre Schwierigkeit des Fliegens darin liegt, dass ein rechts ran fahren unmöglich ist. Ja nur immer schnell genug bleiben, nie unter den weißen Bereich des Fahrtmessers kommen. Doch genügt es tatsächlich schnell genug zu fliegen? Warum passieren dennoch so viele Unfälle, wenn es genügen würde einfach nur schnell genug zu fliegen?

Was ist ein Stall?

Zuerst einmal ist es sicherlich hilfreich zu verstehen was ein Stall ist. Zum Glück braucht man keinen Doktor in Aerodynamik um zu verstehen wie es dazu kommt, das Prinzip ist eigentlich sehr einfach.

Wenn man den Finger leicht an den Strahl eines Wasserhahns hält, dann wird der Strahl auf wundersame in Richtung des Fingers abgelenkt und nicht umgekehrt. Bei der Tragfläche ist das Prinzip ähnlich. Die auf der Oberseite darüber streichende Luft erfährt einen Unterdruck und wird nach unten abgelenkt. Eine Flasche hat einen größeren Radius und der Wassertrick funktioniert dadurch viel besser. Das Wasser fließt aber nicht unendlich im Kreis deshalb, irgendwo reißt der Strahl dann ab. Diesen Punkt nennt man dann Ablösepunkt. Alles dahinter befindet sich im Stall und bewirkt keinen Auftrieb mehr.

Graphik: United States Government

Sowohl Wasser als auch die Luft versuchen also dem Profil zu folgen. Wird die Änderung zu groß, versucht der Strom seine ursprüngliche Bahn einzunehmen und der Ablösepunkt wandert nach vorn. Wir sehen also, warum der Stall lediglich vom Winkel abhängt, mit dem die Luft auf die Tragfläche trifft.

Der normale Stall

Der gewöhnliche Stall tritt auf, sobald die Geschwindigkeit zu gering wird. Was hat das mit dem Winkel zu tun? Naja, alles! Wir glauben immer, dass die Luft gerade von vorne kommt, aber in Wirklichkeit bestimmt der Anstellwinkel nicht nur wann ein Stall auftritt, sondern auch den Auftrieb und den Luftwiderstand.

Graphik: Wiki/Mysid

Mit steigendem Anstellwinkel nimmt der Auftrieb zunächst bis ungefähr 12°-15° zu, dann stallt der Flügel und der Auftrieb nimmt wieder ab, da sich ein immer größerer Teil der Tragfläche hinter dem Ablösepunkt befindet. Der Luftwiderstand hingegen nimmt mit steigendem Anstellwinkel kontinuierlich immer weiter zu.

Wenn wir zu langsam werden, dann müssen wir Höhenruder geben und die Nase heben um den fehlenden Auftrieb auszugleichen. Behalten wir die Nase am Horizont, dann sinkt das Flugzeug und dir Luft kommt dadurch schräg von unten. Wird der Winkel aus dem die Luft anströmt zu groß, dann kommen wir sofort in den Stall.

Graphik: Andreas Schönwälder

Im Bild sehen wir ein Flugzeug welches langsam abbremst. Der Pilot versucht die Nase zu heben, wodurch der Winkel den kritischen Wert überschreitet. Der Stall lässt den Auftrieb weiter sinken und die Luft dadurch mehr von unten als von vorn anströmen. Der steigende Luftwiderstand bremst das Flugzeug noch zusätzlich ab und das Horrorszenario ist perfekt.

Wie reagiert man in dieser Situation eigentlich richtig? Ist der Anstellwinkel erst einmal hoch genug, dann wird der Luftwiderstand so groß, dass Motorleistung alleine nichts mehr ausrichten kann. Viele Piloten versuchen im Endanflug noch vor einem Hindernis hochzuziehen. Dadurch wird zwar kurzfristig an Höhe gewonnen, durch die niedrigere Geschwindigkeit ist der Luftwiderstand aber so stark angewachsen, dass das Flugzeug jetzt schneller als zuvor sinkt.

Die richtige Reaktion wäre in diesem Fall sofort zuerst den Anstellwinkel zu verringern und die Motorleistung zu erhöhen (Vergaservorwärmung, Gemisch und Propeller nicht vergessen falls vorhanden. Hierbei ist kein Sturzflug nötig, es genügt im Normalfall bereits die Nase leicht zu senken. Durch den sinkenden Widerstand beschleunigt das Flugzeug danach ganz von selbst. Im Landeanflug ist es wesentlich gescheiter die Sinkgeschwindigkeit durch Gasgeben zu strecken, als nur hochzuziehen. Ein Sonderfall sind Jets mit Triebwerken unter den Flügeln, bei denen plötzlicher Schub ein aufbäumen verursacht.

VORSICHT! Plötzliches Gasgeben kann bei manchen Flugzeugen zu einer Drehung um die Hochachse führen. Im schlimmsten Fall (Geschwindigkeit unter Vmca bei MEP und Ausfall eines Triebwerks) kommt es sogar dadurch zu einem Absturz. Weiters ist wichtig, dass nach einem starken Drücken des Höhenruders nicht zu hart abgefangen wird, da dies einen sekundären (Folge-) Stall bewirkt. Die Gründe dafür beschreiben wir jetzt.

Der beschleunigte Stall

Wir haben jetzt genug gelernt um zu wissen, dass der Winkel für den Stall ausschlaggebend ist. Was hat dann die Schwerkraft mit dem Stall zu tun? Naja, wir können uns den Anströmwinkel als zwei Komponenten vorstellen. Einen Pfeil von vorne welcher der Geschwindigkeit und einem von unten, welcher der Erdanziehung entspricht. Zusammen ergeben sie die Richtung des Luftstromes. Wenn wir in einem Looping 2g ziehen, wirkt es, als ob das Flugzeug Level mit dem doppelten Gewicht fliegt. Da müssten wir die Nase schon ganz schön hoch nehmen um das auszugleichen. Das gleiche gilt für Kurvenflug.

Graphik: Andreas Schönwälder

Die tatsächliche Schwerkraft (im Bild blau dargestellt) bleibt immer gleich groß. Die Tragflächen erzeugen aber immer nur eine Kraft nach unten entlang der Hochachse des Flugzeuges (rot dargestellt). Um gleich viel Kraft in Richtung des blauen Pfeils zu bewirken, ist also mit zunehmender Schräglage deutlich mehr an Auftrieb vonnöten. Während das bei kleinen Schräglagen so gut wie nichts ausmacht, haben wir bei 45° gleich +41% an benötigtem Auftrieb, bei 60° +100% und Schräglagen mit über 70° schaffen selbst Kampfjets nicht mehr ohne Höhenverlust.

Erhöhte Schwerkraft wirkt also wie ein Multiplikator für das Gewicht. Mehr Gewicht müssen wir durch höheren Anstellwinkel ausgleichen. Das ist der Grund, warum Flugschülern immer gesagt wird, dass sie Steilkurven vor allem in Bodennähe vermeiden sollen. Das gleiche Problem stellt sich aber auch bei Kunstflugmanövern oder plötzlichen Änderungen um die Hochachse.

Graphik: Andreas Schönwälder

Im Bild sehen wir einen Piloten welcher im Reiseflug bei einer Geschwindigkeit deutlich über der Stallspeed plötzlich am Steuer reißt. Abgesehen davon, dass man die Flügel dadurch irreparabel schädigen kann, versucht das Flugzeug seine Bahn beizubehalten. Der Pilot glaubt die blaue Linie zu fliegen, die hohen g-Kräfte ziehen das Flugzeug aber den grünen Pfad entlang. Wir sehen also, dass die anströmende Luft aus Sicht des Flugzeuges immer mehr von unten kommt, bis ein Stall eintritt.

Graphik: Andreas Schönwälder

Im obigen Bild sehen wir den Zusammenhang zwischen Höhe, Geschwindigkeit und wie viel g Belastung ohne Stall möglich sind. Man kann sehr gut erkennen, dass die Stallspeed lediglich den Punkt definiert, an dem die linke schwarze Linie die X-Achse schneidet, also die Geschwindigkeit angibt, bei welcher bei 1g mit Landeklappen und auf Meereshöhe ein Stall eintritt. Das Bild ist von einem Jet, weshalb die Geschwindigkeit in Mach angegeben wird. Sehr deutlich wird hier, dass die Stallgeschwindigkeit in Wirklichkeit immer höher liegt als im Manual angegeben.

Ein beschleunigter Stall muss aber nicht immer durch gewollte Manöver entstehen. Wenn man plötzlich in einen starken Aufwind gerät, ändert sich der Anströmwinkel sodass kurzzeitig ein Stall entsteht. Das merkt man oft in turbulenter Luft in der Platzrunde wenn die Stallwarning ab und zu ein einzelnes Mal kurz piepst.

Eine Abhilfe ist hier schnell gefunden. Ist der Stall ein Resultat von zu starkem Höhenruder, genügt bereits ein leichtes nachlassen. Bei übermäßiger Querlage liegt die Lösung auch bereits auf der Hand. Auf gar keinen Fall sollte man die Querneigung niedrig lassen und stattdessen versuchen mit dem Seitenruder „reinzudrehen“. Das hätte im schlimmsten Fall ein Trudeln zur Folge was in Boddennähe immer tödlich verläuft.

Kurzzeitige Piepser bei Turbulenz zu vermeiden ist schwer. Generell wird gesagt, dass man die Geschwindigkeit bei Wind über 10 Knoten um 5 Knoten erhöhen und bei Windgeschwindigkeiten über 20 Knoten um 10 Knoten erhöhen soll. Diese Faustwerte treffen aber nicht auf alle Flugzeuge zu. Viel wichtiger ist es hingegen bei Turbulenz im Reiseflug immer auf die Manövergeschwindigkeit abzubremsen. Fliegt man schneller als diesen Wert, kann eine Böe im schlimmsten Fall zum Abreißen der Tragflächen führen.

Betrachten wir die Geschichte mit dem Anströmwinkel einmal von der anderen Seite, kommen wir auf den interessanten Fakt, dass ein Stall bei Schwerelosigkeit unmöglich ist. Bei 0g kann ein Flugzeug also beliebig langsam fliegen ohne einen Strömungsabriss zu erleiden. Leider ist das in der Praxis aber nur kurzzeitig und im Parabelflug demonstrierbar.

Schneller geht immer!?

Es sieht fast so aus, als kann bei genügend hoher Geschwindigkeit kein Stall auftreten wenn der Anströmwinkel passt. Es gibt aber auch einen so genannten Machstall. Nachdem der Luftstrom über der Tragfläche ja schneller fließen muss als darunter, entsteht auf der Tragfläche schon bei hohen Unterschallgeschwindigkeiten ein Überschallbereich auf der Tragflächenoberseite. Wenn die Luft wieder auf Unterschall abbremst, entsteht ein Verdichtungsstoß, welcher zu Ablösungen und damit einem Stall führt. Dieser bewirkt böser weise auch noch ein nach unten kippen, was das Flugzeug noch weiter beschleunigen würde bis es quasi in der Luft zerreißt. Abhilfe ist dennoch leicht möglich, indem Schub reduziert und gegebenenfalls Spoiler (Luftbremsen) ausgefahren werden. Außerdem kommt man gar nicht in diese Situation, wenn nicht über der erlaubten Geschwindigkeit geflogen wird und die so genannte „coffin corner“ gemieden wird.

Graphik: Andreas Schönwälder

Dies ist der Bereich in dem sich die Stallgeschwindigkeiten durch normalen und Mach Stall einander annähern, je höher man fliegt. Das ist zum Glück aber erst in Flughöhen ein paar tausend Meter Höhe relevant, weshalb es die meisten Leser nicht betrifft. Linker Hand in obigem Bild liegt der Bereich in dem die Geschwindigkeit zu niedrig ist und rechter Hand liegt der Bereich in welchem ein Mach Stall auftritt.

Sauber bleiben!

Tragflächen reagieren unterschiedlich auf Verschmutzung. Während eine Cessna mit ihrem NACA 2412 Profil relativ unempfindlich ist, dafür aber schlechte Endgeschwindigkeiten aufweist, gibt es „high performance“ Flugzeuge mit laminaren Tragflächen, welche zwar gut für hohe Geschwindigkeiten geeignet sind, aber bereits bei ein paar Mücken auf der Vorderkante immer weniger Auftrieb aufweisen. Es gibt sogar ein paar Flugzeuge, hauptsächlich Segler, welche schon bei leichtem Regen nur mehr mit größter Mühe und hoher Geschwindigkeit in der Luft halten lassen, da das Profil so empfindlich auf Veränderungen reagiert. Und Vorsicht! Da sich mit Vereisung, Mücken, usw. das Profil ändert, kann ein Stall bereits bei wesentlich kleineren Anstellwinkeln passieren, da der Anströmwinkel für einen Stall Profilabhängig ist. Während der Winkel bei gängigen Profilen normal bis zu 15° betragen kann, stallen manche vereiste Profile bereits bei 5° oder weniger.

Wie schützt man sich davor? Am besten die Flügelvorderkanten und Oberseiten immer sauber halten und niemals mit vereisten Tragflächen fliegen oder in Vereisungsgebiete hinein fliegen. Wenn es einmal passiert ist, dann die Geschwindigkeit hoch halten und möglichst bald mit erhöhter Geschwindigkeit landen.

Stallen erwünscht?

Ja, es gibt ein paar Situation in denen ein Stall sogar erwünscht ist. Wenn hohe Sinkgeschwindigkeiten benötigt werden, oder einfach der Auftrieb gestört werden soll um nicht ewig im Bodeneffekt zu gleiten, dann brauchen wir einen gewaltsam herbeigeführten partiellen Stall. Zu diesem Zweck können mit Spoilern ausgestattete Flugzeuge Klappen auf der Flügeloberseite ausfahren, um künstlich einen Ablösepunkt auf der Oberseite der Tragfläche zu erzeugen. Da hierbei nur ein kleiner Teil der Tragfläche betroffen ist, stürzt deshalb nicht gleich das ganze Flugzeug vom Himmel. Die Ablösungen verringern den Auftrieb und erzeugen gleichzeitig einen höheren Luftwiderstand.

Wie bemerke ich einen Stall?

Jetzt kommen wir zum eigentlich wichtigsten Part. Im Normalfall ist nicht der Stall das Problem, sondern wenn man erst gar nicht merkt wie es dazu kommt. Die wahrscheinlichste einfachste Methode einen drohenden Strömungsabriss zu erkennen ist die Stallwarnung. Diese Piepser, bzw. Pfeifen funktionieren nach einem einfachen Prinzip. Unten Überdruck oben Unterdruck. Punkt. Irgendwo muss sich die anströmende Luft aber aufteilen und dieser Punkt wandert mit dem Anstellwinkel. Bei elektronischen Systemen wird dazu ein Schalter verwendet, welcher knapp unter dem Anströmpunkt liegt. Sobald der Anstellwinkel hoch genug ist, wird der Schalter plötzlich von unten statt von oben angeblasen und schaltet das Piepsen ein. Die Pfeifen verwenden das gleiche Prinzip, funktionieren aber mechanisch. Eine Pfeife, ähnlich den Tröten die man von Fasching kennt (ja, die mir den ausrollenden Papierzungen) ist verkehrt an der Flügelvorderkante montiert. Sobald der Anstellwinkel steigt, ist die Vorderkante weiter oben und damit im Unterdruck (deshalb verkehrt, da gesaugt und nicht geblasen wird).

Wichtig ist der regelmäßige Check vor dem Flug, da eine nicht funktionierende Stallwarnung schlecht vor einem Stall warnen kann.

Aber im Idealfall sollte der Pilot sein Flugzeug soweit kennen, dass der Stall „gefühlt“ wird, bevor er überhaupt eintritt. Ein Stall, verursacht durch zu langsames Fliegen fühlt man zuallererst auf der Steuerung. Der sinkende Luftwiderstand bewirkt, dass das Höhenruder immer leichtgängiger wird. Ist der Widerstand plötzlich sehr gering, sollte man schnell die Geschwindigkeit wieder erhöhen. Ist es bereits zum Stall gekommen, so tritt dieser im Normalfall nicht am ganzen Flügel zugleich auf. Bei Flugzeugen mit einer „sanften“ Stallcharakteristik wird der verminderte Auftrieb ein absenken der Nase bewirken und ein ungewollter Stall damit so gut wie verhindert. Bei Flugzeugen mit „gefährlicheren“ Flügelprofilen wird meistens eine kleine Dreiecksleiste, manchmal nicht mehr als ein paar Zentimeter groß, an der Flügelvorderkante aufgebracht. Diese bewirkt, dass als erstes an dieser Stelle der Luftstrom in „wabbernder“ Form abreißt. Dieses wabbern lässt sich am Höhenruder und manchmal auch am ganzen Flugzeug spüren. Teilweise kann das Flugzeug richtig ins scheppern kommen, was Stallübungen sehr belustigend macht.

Hinweis: Stallwarung ist nur auf einer Flügelseite verbaut – bei Kurven in denen der Flügel mit der Stallwarung außen liegt, kann es sein dass auf dem innenliegenden Flügel die Strömung abreißt und keine Warnung kommt.

Es ist also auf jeden Fall anzuraten, mit einem trainierten Lehrer Stallübungen in jedem Flugzeugtyp zu üben, welches man vorhat zu benutzen. EMT-Kurse bietet etwa die Flugschule Spins & More.

Nähere Informationen zum Thema Flugsicherheit erhalten Sie über die Seite www.flugsicherheit24.at und in Dieter Reisingers Buch „Upset Recovery - Fliegen an der Grenze“.


 
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