Gleitzahl (Flugzeug)

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Die Gleitzahl E, der Gleitwinkel γ und das Gleitverhältnis ε sind aerodynamische Kennwerte eines Luftfahrzeuges im stationären Gleitflug. Die Gleitzahl entspricht dem Verhältnis von Auftrieb und Luftwiderstand und dem Verhältnis zwischen zurückgelegter horizontaler Strecke und Höhenverlust im Gleitflug. Es ist auch ein Kennwert des Flügelprofils.

Glide ratio.gif
  • Der Tangens des Gleitwinkels γ ist das Gleitverhältnis ε.
  • Die Gleitzahl E ist der Kehrwert von ε.

Im Segelflug dient die maximale Gleitzahl eines Flugzeugs zusammen mit dem geringsten Sinken (in m/s) und der Angabe der zugehörigen Fluggeschwindigkeiten zur Beschreibung der Flugleistung. Als Gleitweg bezeichnet man das tatsächlich geflogene Sinkflugprofil.

Mathematische Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für den stationären Gleitflug gilt:

F_G^2=F_A^2 + F_W^2 … Die sog. Luftkraft bildet die Resultierende von Auftrieb und Luftwiderstand und wirkt der Gewichtskraft entgegen.
F_A={c_A\frac{\rho}{2}v^2 A} … Auftriebskraft
F_W={c_W\frac{\rho}{2}v^2 A} … Luftwiderstandskraft
v … Geschwindigkeit
A … Flügelbezugsfläche
c_WStrömungswiderstandskoeffizient
c_AAuftriebskoeffizient
\rho … Luftdichte
\frac{F_A}{F_W}=\frac{c_A}{c_W} = \cot (\gamma) = \frac 1 \epsilon = E

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bei einem Gleitwinkel von etwa 2,86° beträgt das Gleitverhältnis 0,05 (oder 5 %), für die Gleitzahl gilt E = 20.
  • Einem Gleitverhältnis von 0,02 (Gleitzahl 50) entspricht ein Gleitwinkel von etwa 1,15°.
  • Mit einer Gleitzahl von 20 legt ein Flugzeug unter Verlust von 1000 m Höhe eine Entfernung von 20 km zurück, mit 50 entsprechend 50 km.
  • Die heutzutage in Wettbewerben geflogenen Segelflugzeuge haben Gleitzahlen um 42 (Standard-Klasse), 50 (18-m-Klasse) und 60 (Offene Klasse) bei einer Geschwindigkeit von ca. 110 km/h. In der Schulung eingesetzte (preisgünstige) Segelflugzeuge haben Gleitzahlen von 25 bei ca. 85 km/h (Holz-Stahlrohr) bis etwa 38 bei 100 km/h (Kunststoff). Das Segelflugzeug eta (abgeleitet vom griechischen Symbol für Wirkungsgrad) bringt es gar auf einen Spitzenwert von 70.
  • Das Solarflugzeug Solar Impulse, das zur Erdumrundung aufbrach, erreicht etwa 32.[1]
  • Ein Verkehrsflugzeug (z. B. Airbus A340) bringt es auf eine Gleitzahl von etwa 16 bei einer Geschwindigkeit von circa 390 km/h.
  • Bei den US-amerikanischen Space Shuttles lag die Gleitzahl bei etwa 4,5.
  • Ein moderner Gleitschirm hat eine Gleitzahl von um die 9.
  • Ein Wingsuit erreicht 2,5 bei einer durchschnittlichen horizontalen Fluggeschwindigkeit von ca. 130 km/h – die Sinkgeschwindigkeit beträgt dabei etwa 14 m/s.

Maximale Gleitzahl[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Gleitzahl eines Flugzeugs hängt vom Anstellwinkel, d. h. indirekt von der Geschwindigkeit, und der Böigkeit der Umgebungsluft ab, sowie von der Steuerkunst des Piloten. Unsauberes Fliegen (Schiebewinkel, unnötige Ruderausschläge) vermindert die Gleitzahl. Die Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug mit dem Anstellwinkel des besten Gleitens fliegt, hängt ab vom Gewicht, vom Lastvielfachen (Einfluss von Zentrifugalkräften) und vom Seilzug im Windenstart. Eine Bestimmung dieses Anstellwinkels ist also mit einem Fahrtmesser nur indirekt möglich. Eine direkte Bestimmung kann mit einem Seitenfaden erfolgen, der an die Cockpithaube geklebt wird und den Anströmungswinkel zeigt. Da beim Anstellwinkel des besten Sinkens (optimale Steig- und Sinkrate befinden sich beim selben Anstellwinkel) die beste Steigrate erfolgt, ist es vorteilhaft, beim Windenstart und bei Abfangbögen bei diesem Anstellwinkel zu fliegen. Dies ist oft mit höheren Geschwindigkeiten und mit hohen g-Belastungen verbunden.

Die Gleitzahl wird von der Masse des Flugzeugs nicht beeinflusst. Im Zustand besten Gleitens steigt mit zunehmender Flächenbelastung aber die Fluggeschwindigkeit. Ein schweres Flugzeug steigt im Aufwind langsamer, da das Eigensinken größer ist und aufgrund der höheren erforderlichen Geschwindigkeit auch der Kurvenradius beim Kreisen größer wird. Dies ist von Nachteil, da Aufwinde meist zum Zentrum hin stärker werden. Hochleistungssegelflugzeuge werden deshalb möglichst leicht gebaut, aber dafür mit Wassertanks ausgerüstet. Bei guter Thermik kann der Pilot sein Flugzeug durch Wasserballast schwerer und schneller machen. Wird unterwegs die Thermik schlechter, kann er durch Ablassen des Wassers den ursprünglichen leichten Zustand wiederherstellen. Auch zur Landung wird das Wasser normalerweise abgelassen, um langsamer anfliegen zu können. Mit einer hohen Flächenbelastung ist der Einfluss von Abwinden und Gegenwind kleiner, da das Flugzeug bei gleicher Gleitzahl schneller fliegt, und allgemein werden bei starker Thermik höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten erreicht.

Generell gilt beim Gleiten, dass die Energie zur Überwindung des Luftwiderstands mangels Motor allein aus dem Höhenverlust kommt – der Vortrieb stellt eine Komponente der Gewichtskraft dar. Ferner lässt sich die Geschwindigkeit nur über die Neigung der Flugbahn regulieren. Wie man an den Polaren eines Tragflächenprofils ablesen kann, ändert sich das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, d. h. die Gleitzahl, bei verschiedenen Anstellwinkeln.

Die maximale Gleitzahl wird nicht bei der Geschwindigkeit des geringsten oder besten Sinkens erreicht, da dort der Auftrieb am größten ist, aber der Widerstand ebenfalls groß ist. Es muss also auf einer gegebenen Entfernung mehr Höhe aufgegeben werden, um die Geschwindigkeit zu halten. Ebenso wenig von Vorteil ist der Ansatz beim geringsten Widerstand, da dort der Auftrieb auch niedrig ist. Die maximale Gleitzahl liegt dazwischen und lässt sich aus einem Diagramm der Leistungspolaren ablesen. Diese Geschwindigkeit des besten Gleitens ist ein Kompromiss aus möglichst hohem Auftrieb bei gleichzeitig möglichst niedrigem Widerstand.

Gleitzahlen im Segelflug[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Segelflug werden oft weite Strecken geflogen, wobei aus Gründen der Flugsicherheit und weil es nachts keine thermischen Aufwinde gibt, nur tagsüber geflogen werden kann und die Strecke damit auch durch die Durchschnittsgeschwindigkeit begrenzt wird. Deshalb ist nicht nur die Geschwindigkeit des geringsten Sinkens von Bedeutung, die einen schnellen Höhengewinn in Aufwinden sicherstellt, sondern eben auch die Geschwindigkeit des besten Gleitens.

Eine höhere maximales Gleitzahl erlaubt es, eine längere Gleitflugstrecke bis zur nächsten Aufwindzone zurückzulegen. Dies führt zu höherer Durchschnittsgeschwindigkeit.

Auch können viele Leistungssegelflugzeuge – für Tage mit besonders guter Thermik – mit Wasserballast beladen werden. Hierdurch lässt sich das beste Gleiten eines Segelflugzeugs zu höheren Geschwindigkeiten verschieben, was bedeutet, dass man mit der gleichen Gleitleistung eine Strecke schneller zurücklegen kann. Allerdings verschlechtern sich durch das zusätzliche Gewicht die Steigleistungen beim Kreisen in der Thermik. Von Vorteil sind hier Segelflugzeuge mit Wölbklappen, bei denen für das Kreisen in der Thermik – durch positive Klappenstellung – ein „Langsamflug-Profil“ mit hohem Auftriebsbeiwert gewählt werden kann. Bei schwächer werdender Thermik wird der Wasserballast im Fluge abgelassen. Das beste Gleitverhältnis eines Segelflugzeuges ändert sich durch den Wasserballast nicht.

Segelflugzeug mit ausgefahrenen Luftbremsen im Landeanflug

Um einen steilen Landeanflug zu ermöglichen, sollte die Gleitzahl so gering wie möglich sein. Dies wird im Landeanflug durch ausfahrbare Landehilfen erreicht, die den aerodynamischen Widerstand des Flugzeuges erhöhen und gleichzeitig einen Teil des Auftriebs vernichten. Damit wird eine bedeutend höhere Sinkrate als bei Normalfahrt erreicht. Weit verbreitet sind die Luftbremsen (Schempp-Hirth-Klappen, siehe Abbildung), die etwa in der Mitte des Tragflügelprofils senkrecht in den Luftstrom ausgefahren werden, und die Gleitzahl von 40 und mehr bis zum Anflug auf 5 bis 10 verringern können. Ergänzend ist – vor allem bei älteren Holzflugzeugen – das Flugmanöver Seitengleitflug (Slip) wirkungsvoll, bei dem das Flugzeug durch gegenläufiges Betätigen von Quer- und Seitenruder in Schräglage gebracht und der Flugzeugrumpf in einen Winkel schräg zur Flugrichtung gedreht wird.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Götsch, Ernst: Luftfahrzeugtechnik. Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. LIVE: Solar Impulse Airplane – Landing in Hawaii – #RTW Attempt bei 3 Std. 14 Min. 40 Sek.