Wie Funktionieren Segelflugzeuge?

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In einem segelflugzeug zu fliegen, ist so nah wie möglich an das fliegen wie ein vogel. Erstaunlicherweise führen diese eleganten maschinen ihre manöver ohne motor aus. Erfahren sie, wie segelflugzeuge ohne strom fliegen.

In seiner einfachsten Form ist ein Segelflugzeug ein Flugzeug ohne Motor, ein Flugzeug ohne Motor. Während viele der gleichen Konstruktions-, Aerodynamik- und Pilotfaktoren, die für Motorflugzeuge gelten, auch für Segelflugzeuge gelten, ändert das Fehlen eines Motors die Funktionsweise von Segelflugzeugen stark. Segelflugzeuge sind erstaunliche und anmutige Maschinen und sind ungefähr so ​​nahe, wie Menschen es schaffen, wie Vögel zu fliegen.

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Vom Papierflugzeug bis zum Space Shuttle während des Wiedereintritts gibt es viele Arten von Gliedern. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die gängigsten Flugzeugtypen, die häufig als a bezeichnet werden Segelflugzeug.

Besonderer Dank geht an die North Carolina Soaring Association für ihre Hilfe bei diesem Artikel.

Teile eines Segelflugzeugs

Die Glasfaserkonstruktion des Gleitschirms ermöglicht ein schlankes, glattes Design.

Die Glasfaserkonstruktion des Gleitschirms ermöglicht ein schlankes, glattes Design.

Ein Segelflugzeug hat viele gleiche Teile wie ein Flugzeug:

  • Rumpf
  • Flügel
  • Bedienoberflächen
  • Fahrwerk

Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede in diesen Bereichen auf einem Segelflugzeug, also lassen Sie uns einen Blick darauf werfen.

Rumpf

Segelflugzeuge sind so klein und leicht wie möglich. Da es keinen großen Motor gibt, der Platz beansprucht, sind Segelflugzeuge grundsätzlich um die von ihnen beförderte Ladung bemessen, normalerweise ein oder zwei Personen. Das Cockpit eines Single-Seat-Segelflugzeugs ist klein, aber für die meisten Menschen ist es groß genug, um sich darin einzupressen. Anstatt aufrecht zu sitzen, lehnen sich die Piloten mit ausgestreckten Beinen vor ihnen ab. Die frontale Exposition des Piloten wird reduziert und die Querschnittsfläche des Cockpits kann wesentlich kleiner sein.

Segelflugzeuge sind wie die meisten anderen Flugzeuge so konstruiert, dass sie so glatte Oberflächen wie möglich haben, damit das Flugzeug leichter durch die Luft gleiten kann. Frühe Segelflugzeuge wurden aus mit Segeltuch bedecktem Holz konstruiert. Spätere Versionen wurden aus Aluminium mit strukturellen Aluminiumfellen hergestellt, die viel glatter waren. Die Nieten und Nähte, die von Aluminiumhäuten benötigt werden, erzeugen jedoch einen zusätzlichen Widerstand, der die Leistung verringert. In vielen modernen Segelflugzeugen ersetzt die Verbundkonstruktion mit Materialien wie Glasfaser und Kohlefaser Aluminium schnell. Verbundwerkstoffe ermöglichen Flugzeugdesignern das Erstellen nahtloser und nietloser Strukturen mit Formen, die weniger Luftwiderstand erzeugen.

Flügel

Wenn Sie einen Schirm neben einem herkömmlichen Motorflugzeug betrachten, werden Sie einen deutlichen Unterschied in den Flügeln feststellen. Während sich die Flügel beider Formen in ihrer allgemeinen Form und Funktion ähneln, sind sie bei Segelflugzeugen länger und schmaler als bei herkömmlichen Flugzeugen. Die Schlankheit eines Flügels wird als Seitenverhältnis ausgedrückt, das durch Division des Quadrats der Spannweite des Flügels durch die Fläche des Flügels berechnet wird.

Segelflügel haben sehr hohe Seitenverhältnisse - ihre Spannweite ist im Vergleich zu ihrer Breite sehr lang. Dies liegt daran, dass der während der Auftriebserzeugung erzeugte Widerstand (bekannt als induzierter Widerstand) einen erheblichen Teil des Gesamtwiderstands eines Gleitschirms ausmachen kann. Eine Möglichkeit, die Effizienz eines Flügels zu erhöhen, besteht darin, das Seitenverhältnis zu erhöhen. Segelflügel sind sehr lang und dünn, was sie effizient macht. Sie erzeugen einen geringeren Luftwiderstand für den Auftrieb, den sie erzeugen.

Wie funktionieren Segelflugzeuge?: Luft

Das Seitenverhältnis eines Flügels ist das Quadrat der Flügelspannweite, geteilt durch die Fläche des Flügels. Der Schirm hat ein viel größeres Seitenverhältnis als eine herkömmliche Ebene.

Warum haben nicht alle Flugzeuge Flügel mit hohen Seitenverhältnissen? Dafür gibt es zwei Gründe. Der erste ist, dass nicht alle Flugzeuge für einen effizienten Flug ausgelegt sind. Militärjäger zum Beispiel sind so konstruiert, dass sie Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit weit über die Effizienz hinausgehen, die auf der Prioritätenliste des Designers steht. Ein weiterer Grund ist, dass es Grenzen gibt, wie lang und dünn ein Flügel werden kann, bevor er die erforderlichen Lasten nicht mehr tragen kann.

Bedienoberflächen

Segelflugzeuge verwenden die gleichen Steuerflächen (bewegliche Teile des Flügels und des Hecks) wie in konventionellen Flugzeugen, um die Flugrichtung zu steuern. Die Querruder und der Höhenruder werden mit einem einzigen Steuerknüppel zwischen den Beinen des Piloten gesteuert. Das Ruder wird wie bei herkömmlichen Flugzeugen mit Fußpedalen gesteuert.

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Fahren Sie mit der Maus über die Kontrollnamen, um zu sehen, wo sie sich auf dem Schirm befinden.

  • Querruder Querruder sind die beweglichen Abschnitte, die in die Hinterkanten des Flügels geschnitten werden. Diese werden als primäre Richtungssteuerung verwendet und sie erreichen dies durch Steuern der rollen des Flugzeugs (Kippen der Flügelspitzen nach oben und unten). Querruder funktionieren auf jeder Seite des Flugzeugs in entgegengesetzten Richtungen. Wenn der Pilot das Flugzeug nach rechts rollen möchte, bewegt er den Steuerhebel nach rechts. Dies führt dazu, dass das linke Querruder nach unten auslenkt (wodurch mehr Auftrieb auf dieser Seite entsteht) und das rechte Querruder nach oben gelenkt wird (wodurch auf dieser Seite weniger Auftrieb entsteht). Der Unterschied zwischen den beiden Seiten bewirkt, dass sich die Ebene um ihre Längsachse dreht.
  • Höhenruder (horizontaler Stabilisator) Der Aufzug ist die bewegliche horizontale flügelartige Struktur am Heck. Es wird verwendet, um die Neigung des Flugzeugs zu steuern, sodass der Pilot die Nase des Flugzeugs nach oben oder unten richten kann.
  • Ruder (vertikaler Stabilisator) Das Ruder ist die vertikale flügelartige Struktur am Heck.Es wird verwendet, um das Gieren des Flugzeugs zu steuern, indem dem Piloten ermöglicht wird, die Nase des Flugzeugs nach links oder rechts zu richten.

Fahrwerk

Eine andere Möglichkeit, die Größe eines Flugzeugs zu reduzieren, besteht darin, die Größe des Fahrwerks zu reduzieren. Das Fahrwerk eines Segelflugzeugs besteht typischerweise aus einem einzelnen Rad, das direkt unter dem Cockpit montiert ist.

Segelflugzeug Cockpit

In einem typischen Segelflugzeugcockpit finden Sie Folgendes:

  • Höhenmesser (um Ihre Höhe anzugeben)
  • Luftgeschwindigkeitsanzeige (um zu sagen, wie schnell du gehst)
  • Variometer (um zu sagen, was die Luft um dich herum tut)
  • Radio (um andere Flugzeuge oder jemanden am Boden zu kontaktieren)
  • Steuerknüppel (zwischen Pilotenbeinen)
  • Seilzugknopf lösen (um das Abschleppseil zu lösen)

Vom Boden abheben

Da die Flügel des Segelflugzeugs mehr Auftrieb erzeugen, hebt es vor dem Schleppflugzeug ab.

Da die Flügel des Segelflugzeugs mehr Auftrieb erzeugen, hebt es vor dem Schleppflugzeug ab.

Drei Grundkräfte wirken auf Segelflugzeuge: Auftrieb, Schwerkraft und Luftwiderstand (Flugzeuge haben eine vierte Kraft: Schubkraft):

  • Aufzug ist die alles entscheidende Kraft, die von den Flügeln erzeugt wird und dem Gewicht entgegenwirkt, wodurch ein Flugzeug in der Luft bleiben kann. Im Fall eines Segelflugzeugs wird der Auftrieb durch die Verwendung von hocheffizienten Flügeln verbessert.
  • Ziehen ist die Kraft, die eine Ebene verlangsamt. Die Reduzierung des Luftwiderstands ist bei einem Segelflugzeug noch wichtiger als bei einem herkömmlichen Flugzeug. In motorisierten Flugzeugen kann ein Pilot den Schub (mit den Triebwerken) einfach erhöhen, um den Luftwiderstand zu überwinden. Da sich auf einem Segelflugzeug kein Motor befindet, muss der Luftwiderstand so gering wie möglich gehalten werden, oder das Flugzeug bleibt nicht lange in der Luft.
  • Gewicht kann für oder gegen einen Gleitschirm arbeiten. Beispielsweise kann ein geringeres Gesamtgewicht es dem Segelflugzeug ermöglichen, länger in der Luft zu bleiben oder weiter zu reisen. Ein höheres Gewicht kann dagegen von Vorteil sein, wenn eine höhere Geschwindigkeit das Ziel ist. Viele Segelflugzeuge enthalten Ballasttanks, die die Piloten vor dem Start mit Wasser füllen können. Das zusätzliche Gewicht des Wassers ermöglicht höhere Geschwindigkeiten in der Luft. Wenn der Pilot sein Gewicht reduzieren möchte, kann er die Tanks aus der Luft werfen, um das Flugzeug leichter zu machen.

Ohne Motor besteht das erste Problem eines Segelflugzeugs darin, vom Boden auf die Höhe zu steigen. Die gebräuchlichste Startmethode ist ein Flugzeugschlepp. Ein herkömmliches Motorflugzeug zieht den Gleiter mit einem langen Seil in den Himmel. Der Segelflieger steuert einen Schnellspanner in der Flugzeugnase und gibt das Seil in der gewünschten Höhe frei. Gleich nach der Entladung drehen sich das Segelflugzeug und das Schleppflugzeug in entgegengesetzte Richtungen, und das Segelflugzeug beginnt seinen nicht angetriebenen Flug. Das Abschleppflugzeug kann dann zum Flughafen zurückkehren und für einen weiteren Abschleppdienst aufgestellt werden.

Eine andere beliebte Startmethode ist das Starten der Winde. Ein Motor treibt eine große Winde am Boden an, und ein langes Kabel verbindet die Winde mit einem anderen Auslösemechanismus an der Unterseite des Gleitschirms. Wenn die Winde aktiviert wird, wird der Gleiter am Boden zur Winde gezogen und hebt ab, wobei er schnell steigt. Mit dem Aufsteigen des Segelflugzeugs kann der Pilot die Windenleine wie in einem Flugzeugschlepper freigeben und seinen Flug fortsetzen.

In der Luft bleiben

Die Schnur an der Windschutzscheibe teilt dem Piloten mit, ob das Flugzeug gähnt

Die Schnur an der Windschutzscheibe teilt dem Piloten mit, ob das Flugzeug gähnt

Die Flügel eines Segelflugzeugs müssen ausreichend Auftrieb erzeugen, um das Gewicht des Segelflugzeugs auszugleichen. Je schneller der Schirm geht, desto mehr Auftrieb machen die Flügel. Wenn der Schirm schnell genug fliegt, erzeugen die Flügel genügend Auftrieb, um ihn in der Luft zu halten. Die Flügel und der Körper des Segelflugzeugs erzeugen jedoch auch einen Luftwiderstand, und sie erzeugen mehr Luftwiderstand, je schneller der Segelflugzeug fliegt. Da es keinen Motor auf einem Segelflugzeug gibt, um Schub zu erzeugen, muss der Segelflugzeug auf andere Weise Geschwindigkeit erzeugen. Wenn Sie den Gleitschirm nach unten neigen und die Höhe gegen Geschwindigkeit tauschen, kann der Gleitschirm schnell genug fliegen, um den für das Gewicht erforderlichen Auftrieb zu erzeugen.

Die Art und Weise, wie Sie die Leistung eines Segelflugzeugs messen, ist die Gleitrate. Dieses Verhältnis gibt an, um wie viel horizontale Distanz ein Segelflugzeug zurückgelegt werden kann, verglichen mit der Höhe, die er abnehmen muss. Moderne Segelflugzeuge können bessere Gleitverhältnisse als 60: 1 haben. Dies bedeutet, dass sie 60 Meilen gleiten können, wenn sie in einer Höhe von einer Meile beginnen. Zum Vergleich: Ein kommerzielles Jetliner hat möglicherweise Gleitverhältnisse um 17: 1.

Wenn die Gleitrate der einzige Faktor wäre, könnten Segelflugzeuge nicht so lange in der Luft bleiben wie sie. Wie machen sie das?

Der Schlüssel für einen längeren Aufenthalt in der Luft besteht darin, wann immer möglich Hilfe von Mutter Natur zu bekommen. Während ein Segelflugzeug in Bezug auf die umgebende Luft langsam absteigt, was wäre, wenn sich die Luft um ihn herum schneller nach oben bewegt hätte als das Segelflugzeug abstieg? Es ist wie ein Versuch, einen Kajak stromaufwärts zu paddeln. Auch wenn Sie in einem respektablen Tempo durch das Wasser schneiden, machen Sie im Hinblick auf das Flussufer keine wirklichen Fortschritte. Das gleiche gilt für Segelflugzeuge. Wenn Sie mit einem Meter pro Sekunde absteigen, die Luft um das Flugzeug jedoch um zwei Meter pro Sekunde steigt, gewinnen Sie tatsächlich an Höhe.

Es gibt drei Hauptarten der aufsteigenden Luft, die von Segelflugpiloten zur Verlängerung der Flugzeiten verwendet werden:

  • Thermik
  • Gratlift
  • Wellenlift

Thermik

Thermik sind Säulen aufsteigender Luft, die durch die Erwärmung der Erdoberfläche erzeugt werden. Wenn die Luft in Bodennähe von der Sonne erwärmt wird, dehnt sie sich aus und steigt auf. Piloten halten ein Auge auf Gelände, das die Morgensonne schneller absorbiert als die Umgebung. Diese Bereiche, wie Asphaltparkplätze, dunkle gepflügte Felder und felsiges Gelände, sind eine gute Möglichkeit, thermische Säulen zu finden. Piloten halten auch Ausschau nach neu entstehenden Cumuluswolken oder sogar großen Vögeln, die ohne Flügelschlag auffliegen, was ebenfalls Anzeichen für eine thermische Aktivität sein kann.

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Sobald sich eine Thermik befindet, kehren die Piloten zurück und kreisen innerhalb der Säule, bis sie die gewünschte Höhe erreicht haben. Dann werden sie verlassen und nehmen ihren Flug wieder auf. Um Verwirrung zu vermeiden, kreisen alle Gleiter innerhalb der Thermik in dieselbe Richtung. Der erste Gleitschirm in der Thermik entscheidet über die Richtung - alle anderen Gleitschirme, die sich der Thermik anschließen, müssen in dieser Richtung kreisen.

Höhenzug

Der Gratlift wird durch Winde erzeugt, die gegen Berge, Hügel oder andere Grate weht. Wenn die Luft den Berg erreicht, wird sie nach oben umgeleitet und bildet ein Liftband entlang der Luvseite des Abhangs. Der Gratlift reicht normalerweise nicht mehr als ein paar hundert Meter höher als das Gelände, durch das er entsteht. Welcher Höhenzug jedoch an Höhe fehlt, macht ihn in der Länge wett; Es ist bekannt, dass Segelflugzeuge tausend Kilometer entlang von Gebirgsketten fliegen, wobei sie meistens Gratlift und Wellenlift verwenden.

Wellenlift

Der Wellenlift ähnelt dem Gratlift dadurch, dass er entsteht, wenn Wind auf einen Berg trifft. Der Wellenaufzug wird jedoch auf der Leeseite des Gipfels durch Winde erzeugt, die über den Berg laufen und nicht auf einer Seite. Der Wellenlift kann anhand der erzeugten einzigartigen Wolkenformationen identifiziert werden. Der Wellenlift kann Tausende von Metern erreichen und Segelflugzeuge können Höhen von mehr als 35.000 Fuß erreichen.

Aufzug erkennen

Säulen und Bänder mit aufsteigender Luft sind offensichtlich für jeden Segelflieger von Vorteil, aber wie können Sie feststellen, ob Sie in einem Flugzeug fliegen? Die Antwort ist das Variometerein Gerät, das die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit misst. Das Variometer verwendet den statischen Druck, um Höhenänderungen zu erkennen. Wenn der Schirm steigt, sinkt der statische Druck (da der Luftdruck abnimmt, je höher Sie gehen). Wenn der Gleiter sinkt, steigt der statische Druck an. Die Nadel des Variometers zeigt die Änderungsrate der Höhe basierend auf der Änderungsrate des statischen Drucks an. Beim Durchfliegen einer aufsteigenden Luftmasse (wie bei einer Thermik) springt die Nadel des Variometers (und piept normalerweise, um den Piloten zu benachrichtigen), bevor eine Änderung des Höhenmessers überhaupt wahrgenommen wird.

Gier erkennen

Der Gleiter gähnt, wenn er nicht genau in die Flugrichtung zeigt (relativ zur Luft um ihn herum). Stattdessen ist der Gleiter seitlich angewinkelt und "rutscht" oder "rutscht" durch die Luft. Die Schnur an der Windschutzscheibe zeigt an, ob der Schirm gerade fliegt (Schnur gerade) oder ob er gähnt (Schnur links oder rechts). Der Gleitschirm erzeugt den geringsten Widerstand, wenn er direkt durch die Luft fliegt. Wenn es gähnt, steigt der Widerstand - im Allgemeinen versuchen Segelflieger, die Saite gerade zu halten.

Warum Segelflugzeuge Ballast tragen

Die Auftriebs-, Zug- und Gleitverhältnis-Eigenschaften eines Flugzeugs hängen nur von seiner Konstruktion ab und sind beim Start vorbestimmt. Ohne Schubkraft ist die einzige andere Eigenschaft, die der Pilot (außer normalen Steuerflächen) kontrolliert, das Gewicht der Ebene.

Ein schwererer Gleiter sinkt schneller als ein leichter Gleiter. Das Gleitverhältnis wird nicht durch das Gewicht beeinflusst, da ein schwererer Segelflugzeug schneller sinkt, dies jedoch mit einer höheren Fluggeschwindigkeit. Das Flugzeug wird schneller heruntergefahren, deckt jedoch dieselbe Strecke (bei einer höheren Geschwindigkeit) ab wie ein leichter Gleitschirm mit der gleichen Gleitrate und Starthöhe. Um ihnen zu helfen, schneller zu fliegen, verfügen einige Gleitschirme über Panzer, die bis zu 500 Pfund Wasser aufnehmen können. Für das Querfliegen sind höhere Geschwindigkeiten wünschenswert.

Die Nachteile schwerer Segelflugzeuge umfassen verringerte Steiggeschwindigkeiten in einer Hubumgebung (wie etwa eine Thermik) und möglicherweise eine kürzere Flugdauer, wenn kein geeigneter Hubraum gefunden werden kann. Um dies zu verhindern, kann der Wasserballast jederzeit durch Ablassventile abgeworfen werden, wodurch die Piloten das Gewicht des Flugzeugs reduzieren können, um die Steiggeschwindigkeit zu erhöhen oder die Geschwindigkeit zu verringern, wenn sie zur Landung kommen.

Landung

Beachten Sie den erhöhten Spoiler auf der Tragfläche während der Landung

Beachten Sie den erhöhten Spoiler auf der Tragfläche während der Landung

Die Landung eines Segelflugzeugs gleicht der Landung eines konventionellen Flugzeugs, außer dass sich normalerweise ein einzelnes kleines Rad direkt unter dem Piloten befindet. Die Flügel der Gleitschirme sind sehr stark und die Spitzen sind verstärkt, um Schäden zu vermeiden, falls sie während der Landung am Boden entlang kratzen. Trotzdem können Piloten normalerweise beide Flügelspitzen vom Boden fernhalten, bis sich das Flugzeug ausreichend verlangsamt hat (wie mit einem schnellen Fahrrad die Startbahn hinunterzufahren). Segelflosse haben normalerweise ein winziges Rad, das verhindert, dass der Schwanz auf dem Boden kratzt.

Bei der Landung des Gleitschirms muss der Pilot in der Lage sein, den Gleitpfad (die Abstiegsgeschwindigkeit im Verhältnis zur zurückgelegten Entfernung) zu steuern, um den Gleitschirm an die richtige Stelle zu bringen. Der Pilot muss in der Lage sein, die von den Flügeln erzeugte Auftriebsmenge zu reduzieren, ohne die Geschwindigkeit oder Fluglage des Segelflugzeugs zu verändern. Er tut dies, indem er auf jedem Flügel Spoiler einsetzt. Die Spoiler unterbrechen den Luftstrom über dem Flügel, reduzieren den Auftrieb drastisch und erhöhen den Luftwiderstand.

Segelflugzeug Weltrekorde
  • Absolute Höhe: 49.009 ft
  • Geschwindigkeit über 100 km dreieckiger Kurs: 135,09 km / h
  • Entfernung: 907,7 ​​mi
  • Abstand um einen dreieckigen Kurs: 869,52 mi
  • Freie Distanz mit bis zu drei Wendepunkten: 1.272,70 Meilen

Am 23. Juli 1983 musste eine brandneue Air Canada-Boeing 767 zu einer Landung gleiten, nachdem ihr Treibstoff in der Luft ausgeht war. Das Flugzeug wurde im Wesentlichen zu einem riesigen Segelflugzeug. Die Piloten konnten selbst bei einem mäßigen Gleitverhältnis von etwa 11: 1 absteigen und landeten sicher an einem verlassenen Flughafen in Gimli, Kanada. Die Geschichte, warum das Flugzeug keinen Treibstoff hatte, ist lang, aber es lag zum Teil daran, dass englische Einheiten mit metrischen Einheiten verwechselt wurden.

Wenn Sie mehr über diesen Vorfall erfahren möchten, können Sie mehr darüber lesen, indem Sie im Web nach "Gimli Glider" suchen oder hier klicken.


Videoergänzungsan: SAT.1-Reporter lernt Segelfliegen.




Forschung


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