Der Schwerpunkt: Woher kommt das Gleichgewicht eines Flugzeugs?

Im vorigen Schritt haben wir gesehen, dass sich das Flugzeug um drei Achsen dreht und dass sich diese im Schwerpunkt schneiden. In diesem Schritt erklären wir, warum dieser Punkt so wichtig ist.

Was ist der Schwerpunkt?

Jedes Bauteil eines Flugzeugs hat ein Gewicht. Der Schwerpunkt (SP) ist die mittlere Lage all dieser Gewichte. Könnten Sie das Flugzeug genau an diesem Punkt mit einem Finger halten, bliebe es im Gleichgewicht, ohne nach vorn oder hinten zu kippen.

Wie die NASA es beschreibt, dreht sich das Flugzeug um diesen Punkt, wenn die Ruder eine Kraft erzeugen. Wie sich das Flugzeug verhält, bestimmt weitgehend die Lage des SP relativ zur Tragfläche.

Wie berechnet man den Schwerpunkt?

Die Rechnung ist einfach: Man wählt einen Bezugspunkt, hier die Nasenspitze. Das Gewicht jedes Bauteils wird mit seinem Abstand zum Bezugspunkt multipliziert. Die Summe dieser Produkte wird durch das Gesamtgewicht geteilt.

SP = Σ(Gewicht × Abstand) / Σ(Gewicht)

Im Beispiel wiegt der Motor 150 g (5 cm), der Akku 200 g (15 cm), Rumpf und Tragfläche 400 g (30 cm) und das Leitwerk 50 g (85 cm). Das Gesamtgewicht beträgt 800 g, die Summe der Produkte 20.000 g·cm. Der Schwerpunkt liegt 25 cm hinter der Nase.

Verschieben wir nun den 200-g-Akku, der 15 cm hinter der Nase sitzt, um 5 cm nach vorn auf 10 cm. Sein Produkt sinkt von 200 × 15 = 3.000 auf 200 × 10 = 2.000, die Summe wird 19.000. Neuer SP: 19.000 / 800 = 23,75 cm. Einen 200-g-Akku um 5 cm zu verschieben, verlegt den Schwerpunkt also um 1,25 cm nach vorn. Das ist auch der einfachste Weg, ein Modellflugzeug auszuwiegen: die Lage des Akkus ändern.

Liegt der SP zu weit vorn

• Das Flugzeug wird stabiler; bei Störungen kehrt es stärker von selbst in den Geradeausflug zurück.
• Das Hochnehmen der Nase wird aber schwerer. Das Leitwerk muss mehr Abtrieb erzeugen, um die Nase zu heben.
• Diese zusätzliche Leitwerkskraft erhöht die Last, die die Tragfläche tragen muss. Laut FAA-Handbuch erhöht das die Überziehgeschwindigkeit.
• Bei der Landung kann es schwieriger sein, die Nase anzuheben und weich aufzusetzen.

Liegt der SP zu weit hinten

• Das Flugzeug wird weniger stabil; es reagiert sehr empfindlich auf die Ruder und braucht ständige Korrekturen.
• Liegt der SP hinter einer bestimmten Grenze, wird das Flugzeug instabil und ist möglicherweise nicht mehr steuerbar.
• Das Abfangen aus Strömungsabriss und Trudeln wird schwieriger.

Ein Modellflugzeug auswiegen

1. Den vom Hersteller angegebenen SP finden. In der Anleitung von Bausätzen und Fertigmodellen wird der Schwerpunkt als Abstand von der Flügelvorderkante angegeben. Als Faustregel liegt dieser Punkt meist zwischen etwa einem Viertel und einem Drittel der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe (MAC) von vorn. Bei trapezförmigen oder gepfeilten Tragflächen führt das Messen an der Wurzeltiefe zu falschen Ergebnissen; maßgeblich ist immer die Anleitung Ihres Modells.
2. Das Flugzeug flugfertig machen. Akku, Propeller und alle Ausrüstung sollen eingebaut sein. Nichts darf montiert sein, was im Flug nicht an Bord ist.
3. Am SP mit zwei Fingern anheben. Steht das Flugzeug waagerecht oder leicht kopflastig, stimmt der Schwerpunkt. Sinkt das Heck ab, liegt der SP zu weit hinten.
4. Korrigieren. Versuchen Sie zuerst, den Akku zu verschieben. Reicht das nicht, fügen Sie an der Nase ein kleines Gewicht hinzu. Müssten Sie Gewicht ans Heck setzen, prüfen Sie vorher noch einmal die Anleitung.

Selbst ausprobieren

Die Beispielteile aus dem Beitrag sind im Werkzeug bereits eingetragen. Wiegen Sie die Teile Ihres eigenen Modells und geben Sie ihre Abstände von der Nase ein; das Werkzeug berechnet den Schwerpunkt, bei wie viel Prozent der Flügeltiefe er liegt und wie weit Sie den Akku verschieben müssen.

Der nächste Schritt

In der Auftriebsgleichung haben wir gesehen, dass die Luftdichte wichtig ist. Im nächsten Schritt lernen wir die Atmosphäre kennen: Warum wird die Luft mit der Höhe „dünner“, und wie wirkt sich ein heißer Sommertag auf die Flugleistung aus?