Steigflug und Gleitflug: Leistungsüberschuss und Gleitzahl

Im neunten Schritt haben wir gesehen, dass es eine Geschwindigkeit gibt, bei der der Gesamtwiderstand am kleinsten und L/D also am größten ist. Diese Geschwindigkeit wird sehr wertvoll, wenn der Motor ausfällt.

Gleitflug: Die Schwerkraft ersetzt den Schub

Fällt der Motor aus, gibt es keinen Schub mehr, der das Flugzeug nach vorn zieht. Das Flugzeug sinkt leicht und nutzt eine Komponente seines Gewichts wie einen „Schub“. Die Beziehung auf der NASA-Seite zum Gleitwinkel ist sehr einfach:

tan γ = h / d = D / L = 1 / (L/D)

Dabei ist γ der Gleitwinkel, h der Höhenverlust und d die horizontale Strecke. In ruhiger Luft gilt also:

Horizontale Strecke ≈ Höhe × L/D

Ein Modell mit L/D = 10 gleitet in ruhiger Luft aus 100 m Höhe etwa 1.000 m weit. Ein Segelflugzeug mit L/D = 30 kommt aus derselben Höhe 3 km weit. Deshalb nennt man L/D auch Gleitzahl.

hd = h × L/D ruhige LuftγGegenwind: kürzerRückenwind: längertan γ = h / d = 1 / (L/D)Die Gleitzeit ändert sich mit dem Wind nicht, die Strecke über Grund schon.

Die Geschwindigkeit des besten Gleitens

L/D ist keine feste Zahl; es ändert sich mit der Geschwindigkeit und erreicht seinen Höchstwert bei der Geschwindigkeit des besten Gleitens. Das Flughandbuch der FAA rät, bei einem Motorausfall sofort diese Geschwindigkeit herzustellen. Langsamer oder schneller zu fliegen bedeutet, aus derselben Höhe eine kürzere Strecke zurückzulegen.

Das Handbuch der FAA weist noch auf einen interessanten Punkt hin: Das Gewicht ändert die Gleitstrecke nicht, solange mit der richtigen Geschwindigkeit geflogen wird. Ein schweres Flugzeug sinkt schneller, weil seine Geschwindigkeit des besten Gleitens höher ist, gleitet aber im selben Winkel gleich weit. Genau das ist der Zweck des Wasserballasts bei Segelflugzeugen: mit derselben Gleitzahl schneller vorankommen.

Der Einfluss des Windes

Das Flugzeug fliegt relativ zur Luft. Bewegt sich die Luft selbst, wird das Flugzeug mitgetragen. Unser Modell mit L/D = 10, das aus 100 m mit 12 m/s gleitet, sinkt etwa 1,2 m pro Sekunde und bleibt 83 Sekunden in der Luft. Diese Zeit ist vom Wind unabhängig. Was sich ändert, ist die Strecke über Grund:

• In ruhiger Luft: etwa 995 m
• Bei 3 m/s Gegenwind: etwa 745 m
• Bei 3 m/s Rückenwind: etwa 1.245 m

Auch das Handbuch der FAA hält fest, dass Gegenwind die Gleitstrecke verkürzt und Rückenwind sie verlängert. Bei starkem Gegenwind kann es die Strecke über Grund vergrößern, etwas schneller als mit der Geschwindigkeit des besten Gleitens zu fliegen.

Steigflug: Schubüberschuss und Leistungsüberschuss

Im Horizontalflug ist der Schub gleich dem Widerstand. Ist der Schub größer als der Widerstand, lässt die Differenz das Flugzeug steigen. Die Unterscheidung im Leistungskapitel der FAA lautet:

• Der Steigwinkel hängt vom Schubüberschuss ab: sin γ = (T − D) / W
• Die Steigrate hängt vom Leistungsüberschuss ab: Steiggeschwindigkeit = (T − D) · V / W

Die Bestwerte dieser beiden Größen werden bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erreicht. Das Flughandbuch der FAA definiert sie so:

• Vx (Geschwindigkeit des besten Steigwinkels): Die größte Höhe pro Strecke über Grund. Zum Überfliegen von Hindernissen.
• Vy (Geschwindigkeit der besten Steigrate): Die größte Höhe pro Zeit. Für den normalen Steigflug.

In unserem Beispiel hat das 1,4-kg-Modell bei 12 m/s einen Widerstand von 1,37 N. Liefert der Motor 3 N Schub, beträgt der Schubüberschuss 1,63 N; das Flugzeug steigt in einem Winkel von etwa 6,8° mit etwa 1,4 m pro Sekunde.

Praktische Folgen für Modellflieger

• Fällt der Motor aus, die Nase leicht senken und die Geschwindigkeit halten. Wer versucht, den Gleitflug durch Hochnehmen der Nase zu „strecken“, verliert Geschwindigkeit; der Gleitflug wird kürzer, und es droht ein Strömungsabriss.
• Die Landung gegen den Wind planen. Liegt Ihr Landepunkt im Lee, setzen Sie früher auf als erwartet.
• Bei Hindernissen nahe Vx steigen, sonst nahe Vy. Beim Modellflugzeug werden diese Geschwindigkeiten nicht gemessen, aber das Prinzip ist dasselbe: Werden Sie für einen steilen Steigflug nicht langsamer als nötig.

Selbst ausprobieren

Lassen Sie den Schub zunächst bei 0 und ändern Sie den Wind zwischen −5 und +5 m/s; achten Sie darauf, dass sich die Flugzeit nicht ändert, wohl aber der Landepunkt. Erhöhen Sie dann den Schub auf 3 N und beobachten Sie, wie das Flugzeug in den Steigflug übergeht.

Der nächste Schritt

Wir kommen zu den beiden kritischsten Momenten des Fluges: Start und Landung. Wir sehen, wie Wind, Klappen und Pistenoberfläche die Startstrecke verändern.