Katana: Warum bestes Steigen / best glide mit FLAPS Takeoff?!

[Owndy]

Hallo Zusammen,

 

ich mache mich gerade mit den Katanas (DA20, DV20) vertraut, und bin dabei auf folgende Tatsachen gestossen, die gewissen Grundsätzen, die man mal gelernt hat, irgendwie widersprechen: ;)

- Im gesamten Handbuch sind die Flaps in der Stellung Takeoff, wenn es um bestes Steigen geht ( V_Y )

- Im Kapitel Notverfahren -> Gleitflug werden die Klappen auch auf Takeoff gefahren, um eben mit best glide die weiteste Strecke ohne Motor erreichen zu können.

 

Ich frage mich, warum. Es ist doch grundsätzlich so, dass ein Flugzeug Clean/ohne Klappen die beste Performance liefert? (ich rede nicht vom Start/Landung, sondern in flight)

Stellen die Katanas da vlielleicht eine Ausnahme dar?

 

 

Würde mich sehr freuen, sollte da jemand Bescheid wissen!

 

Danke und Grüße

Andreas

[Dierk]

Hallo Zusammen,

 

Ich frage mich, warum. Es ist doch grundsätzlich so, dass ein Flugzeug Clean/ohne Klappen die beste Performance liefert?

Der Schwanz ist ziemlich lang, da müsste man den Flügel schon stark anstellen und das Höhenruder entsprechend absenken (was auch Drag erzeugt) um einen äquivalenten Auftriebskoeffizienten clean zu erzeugen. Mit Flaps Stufe 1 rotiert sie früher und steigt besser. Ohne Flaps ist man bei identischer Geschwindigkeit nach dem Rotiereren nahe am Stall, wenn man ohne weitere Beschleunigung einfach nur kavalierstartsmässig hochzieht und den Groundeffekt verlässt. Was schon zwei Pilotenfehler auf einmal wären.

 

Im Groundeffekt gleitet sie ohne Flaps allerdings deutlich besser. Theoretisch könnte man ohne Flaps anrollen und die Flaps erst bei der Rotation setzen. Ist aber kein akzeptiertes Manöver.

Bearbeitet 21. März 2015 von Dierk

[Christian Forrer]

Hallo Andreas

 

Ein wichtiger Umstand wäre noch; schaust Du dir dabei die 80PS oder 100 PS Version an? Als ich mich vor Jahren umschaute was es an Flugzeugen so gäbe, habe ich mich auch für eine 80PS- Version interessiert. Als ich dann aber das AFM in die Hände bekam mit den Leistungsdaten, war die für mich kein Thema mehr... Meiner Meinung nach, ist die Katana einfach etwas schwer, vor allem für die 80PS- Version. Die Flug/Steigleistungen in der Höhe (Alpen) war "zu bescheiden", da hilft auch nicht mehr der Verstellpropeller... (auch die 100PS- Version hat mich da nicht so recht überzeugt mit den Handbuchwerten)

Auch mir ist aufgefallen wie schnell man bei der Katana die Klappen setzten muss (vor allem in den Bergen, Beispiel Samedan). Das könnte natürlich davon kommen, dass die Katana ja eigentlich eine Ableitung vom Motorsegler ist (siehe grosse Spannweite), wenn ich nicht irre. Darum ist vermutlich der Flügel immer noch eher auf gutes Gleiten ausgelegt, und etwas weniger den Anforderungen eines "normalen Motorflugzeuges "angeglichen"...

 

Gruss

Christian

[Chipart]

 

Ich frage mich, warum. Es ist doch grundsätzlich so, dass ein Flugzeug Clean/ohne Klappen die beste Performance liefert? (ich rede nicht vom Start/Landung, sondern in flight)

Stellen die Katanas da vlielleicht eine Ausnahme dar?

 

 

Die Frage ist sehr gut (da in der Tat nicht ganz trivial zu beantworten).

 

Zunächst muss man sich noch mal bewusst machen, dass die Klappen ja bei einem Flieger wie der Katana (auch) als Wölbklappen wirken, also das Profil verändern. In jeder einzelnen Klapperstellung gibt es nun eine Geschwindigkeit für das beste Gleiten. Stell Dir vor, Du trägst diese Zahlenpaare (Klapperstellung/Geschwindigkeit) in ein Diagramm ein. 

Wenn Du dieses Diagramm nun aus der anderen Richtung liest, dann erkennst Du, dass es zu jeder Geschwindigkeit eine Klapperstellung gibt, bei der das Gleiten mit dieser Geschwindigkeit optimal ist. 

 

Bei einer dieser Klapperstellungen (und der dazugehörigen Geschwindigkeit) ist nun die Gleitzahl insgesamt am Besten (man kann sich überlegen, dass diese "irgendwo in der Mitte" sein muss, da sowohl bei sehr stark als auch bei sehr wenig gewölbten Profilen das beste Gleiten schlechter ist). Wieder umgekehrt betrachtet braucht man für höhere oder niedrigere Geschwindigkeiten weniger oder mehr Klappen, um optimal gleiten zu können

 

Bei Segelflugzeugen ist die Konvention, dass man die Klapperstellung "0" nennt, bei der die Gleitzahl insgesamt am Besten wird und die dazugehörige Geschwindigkeit "Geschwindigkeit des besten Gleitens. Wenn man schneller als dies Geschwindigkeit fliegen will, dann ist die Klapperstellung allerdings nicht optimal, da man weniger Klappen braucht. Deswegen haben Leistungssegelflugzeuge auch Klappen, die man "negativ" einstellen kann, wenn man schneller vorwärts fliegen will.

 

Bei Motorflugzeugen ist die Konvention, dass die höchste Klapperstellung "0" heisst. Und typischerweise ist diese Stellung für hohe Geschwindigkeiten im Reiseflug optimiert. Dies hat zur Folge, dass man in der Tat bei fast allen Motorflugzeugen die Klappen etwas nach unten fahren müsste, um wirklich das beste Gleiten zu erreichen. Allerdings bei den meisten verwendeten Profilen nur sehr wenig - deutlich weniger als eine Klapperaste. Deswegen macht man den kleineren Fehler, die Klappen oben zu lassen, als sie eine Raste runter zu fahren.

 

Bei der Katana ist es offenbar so, dass die erste Klapperstufe näher am besten Gleiten ist, als die Nullstellung. deswegen muss man sie dort zum gleiten ausfahren. Im Reiseflug, wenn man deutlich schneller als Vy fliegt, ist dahingegen die Stufe 0 besser.

 

Florian

Bearbeitet 22. März 2015 von Chipart

[Owndy]

Interessant! Danke für die Antworten, wieder was dazu gelernt.

 

@ Florian (oder auch gerne andere): Kennst du eine gute Internetseite, die diesen Effekt näher beschreibt?

Dachte ja bisher, dass clean das beste ist, da ja jede Stufe Flaps auch den Widerstand erhöht. Aber deine Erklärung ist schon einläuchtend.

 

 

Danke!

[Chipart]

Zwei Gedanken hierzu:

 

- "Clean", also die Nullraste bei den Klappen ist ja ein relativ willkürlich festgelegter Wert. Man könnte die Klappen auch noch weiter nach oben fahren (und bei Segelfliegern mit negativen Wölbklappeneinstellungen wird das technisch sogar zugelassen).

 

- Bei "Clean" muss man relativ schnell fliegen, um den besten Gleitwinkel zu haben. Da der Luftwiderstand quadratisch mit der Geschwindigkeit ansteigt kann es eben besser sein, den Widerstandsbeiwert durch etwas ausgefahrene Klappen zu erhöhen und dafür die Geschwindigkeit für bestes Gleiten zu reduzieren. 

 

Website dazu kenne ich leider keine.

 

Florian

[fm70]

Kennst du eine gute Internetseite, die diesen Effekt näher beschreibt?

 

Welchen "Effekt" meinst Du? Es ist doch im Grunde ganz einfach. Die Flaps machen ja nichts anderes, als das Flügelprofil zu verändern: ausgefahrene Flaps = dickes Flügelprofil, eingefahrene Flaps = dünnes Flügelprofil.

 

Ich formuliere jetzt bewusst vereinfacht: Ein dickes Flügelprofil erzeugt viel Auftrieb aber auch viel Widerstand, ein dünnes Flügelprofil erzeugt wenig Widerstand aber auch wenig Auftrieb. Beim Schnellflug willst Du wenig Widerstand, also ist ein dünnes Profil vorteilhaft, denn wegen der grossen Geschwindigkeit generiert der Flügel trotz des geringeren Auftriebsbeiwertes genügend Auftrieb. Im Langsamflug brauchst du einen grösseren Auftriebsbeiwert, also ein dickeres Flügelprofil, dafür musst Du dann aber auch einen grösseren Widerstand in Kauf nehmen. (Dass dieses dickere Profil auch noch eine geringere Strömunsabrissgeschwindikgeit hat, hängt mit dem für den Auftrieb nötigen Anstellwinkel zusammen. Das ist in der Praxis sehr wichtig, für Deine Frage jetzt aber nicht relevant.)

 

Man kann nun die Polaren der verschiedenen Profile vergleichen und herauslesen, bei welchem Profil (d.h. bei welcher Klappenstellung) und bei welcher Geschwindigkeit die Gleitleistung (also das Verhältnis Auftrieb zu Widerstand) ihr Maximum erreicht. Es erstaunt nicht, dass das je nach Auslegung von Flügel und Klappen verschieden sein kann, denn solange der Motor lärmt und stinkt, ist die beste Gleitleistung bei einem Motorflugzeug von untergeordneter Bedeutung. (Und wie schon Florian gesagt hat: Es ist darüberhinaus auch völlig willkürlich, welche Klappenstellung man denn als Null bezeichnet. Bei Motorflugzeugen ist das in der Regel die Klappenstellung für den Schnellflug, bei Segelflugzeugen in der Regel nicht.)

Bearbeitet 23. März 2015 von fm70

[Volume]

 

Im gesamten Handbuch sind die Flaps in der Stellung Takeoff, wenn es um bestes Steigen geht ( V_Y )

Bist du dir da wirklich sicher ?

 

Ich habe jetzt gerade nur das englische DA20-C1 Handbuch Revision 26 vorliegen, aber da ist im Kapitel Performance auf Seite 5-9 die best rate of climb für cruise (800 ft/min bei 75 KIAS) und auf Seite 5-10 die best rate of climb für T/O (744 ft/min bei 68 KIAS) und  auf Seite 5-14 die best rate of climb für Landing (magere 374 ft/min bei 52 KIAS) angegeben.

Die beste Steigrate hast du bei eingefahrenen Klappen.

Rechnen wir nochmal gerade nach, 800/75 = 10.66, 744/68 = 10.94, das steilere Steigen (bei Vy) hättest du in Klappen T/O, aber nur minimal. Gut möglich, das das tatsächlich steilste Steigen (bei Vx) etwas deutlicher besser in Stellung T/O ist.

 

Im Kapitel "Normal Operation Procedures" auf Seite 4-3 sind in der Tat Vx und Vy nur für die Stellung T/O angegeben.

Keine Ahnung warum Diamond das macht. Vielleicht würde es zu sehr verwirren, Vy in cruise und Vx in T/O anzugeben.

 

 

Zunächst muss man sich noch mal bewusst machen, dass die Klappen ja bei einem Flieger wie der Katana (auch) als Wölbklappen wirken, also das Profil verändern.

Die Katana hat Fowlerklappen, keine Wölbklappen. Auch die verändern natürlich das Profil, sind aber krasser auf Auftriebsmaximierung ausgelegt.

 

Das Profil der Diamonds (FX 63-137) ist schon von sich aus ein starres Hochauftriebsprofil, es ist vergleichsweise dünn und stark gewölbt. Selbst mit einer Wölbklappe wird es bei positivem Ausschlag sicher nicht besser, es erreicht seinen geringsten Widerstandbeiwert und die beste Profilgleitzahl definitiv bei neutraler (eingefahrener Klappe).

Ensprechend hat die Katana auch sehr sicher ihr bestes Gleiten bei eingefahrener Landeklappe.

 

Beim Steigen sieht es etwas anders aus, denn da wird das Kräftegleichgewicht interessant. Eine Kraft auf das Flugzeug produziert Steigen, verschiebt die Gleitpolare parallel nach oben. Der Motor produziert aber Leistung, Kraft mal Geschwindigkeit. Je langsamer du also fliegst, desto mehr Schub produziert den Propeller bei gleicher Motorleistung (es kommt auch noch der Propellerwirkungsgrad ins Spiel, aber das wollen wir mal vernachlässigen). Je langsamer du fliegen kannst (dank höherem maximalen Auftriebsbeiwert mit Klappen) desto mehr schiebt es deine Gleitpolare nach oben. So kann obwohl die Gleitpolare mit Klappen durchgehend tiefer liegt als ohne, der Punkt des steilsten Steigens tatsächlich mit Klappen in T/O erreicht werden.

 

 

Ein wichtiger Umstand wäre noch; schaust Du dir dabei die 80PS oder 100 PS Version an?

Genau aus diesem Grund ist das eine sehr berechtigte Frage. Je weiter du nach oben schiebst, desto geringer wird die Geschwindigkeit des steilsten Steigens (Tangente an die Steigpolare) und desto mehr helfen dir Klappen. Bei der 100 PS Version dürften Klappen also das Steigen eher steiler machen, als bei der 80 PS Version.

 

Bedauerlicherweise ist es sehr schwer, Gleitpolaren von Motorflugzeugen zu bestimmen (sie gleiten nicht, sie fallen fast schon aus dem Himmel...) und daher sind sie auch nicht in Handbüchern zu finden. Bei Segelflugzeugen und Motorseglern sind sie Standard.

Anhand dieser realen Polaren könnte man die Thematik viel besser diskutieren, aber leider gibt es sie nicht. Und falls es Steigpolaren gibt, dann enthalten sie leider auch implizit bereits den Propellerwirkungsgrad (oder sind wie hier sowieso für Jets...), und man kann es schlecht auf den reinen Klappeneinfluss runterbrechen.

 

Vielleicht solltest du dir nochmal das Handbuch ganz komplett durchlesen, am besten zusammen mit einem Lehrer/Einweiser.

 

Gruß

Ralf