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Belastungsgrenzen

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Zitat: Ein Flugzeug muss immer das 1,5 fache der Maximal in einem Flugzeugleben auftretenden belastung standhalten so schreiben es die Luftämter vor

Das ist die Kurzfassung. Die Realität ist leider keineswegs so einfach, ich versuche mal ein paar Aspekte näher zu erläutern:

Bevor man irgendwas mit 1.5 multiplizieren kann, braucht man erstmal eine Annahme über die maximal auftretenden Lasten. Dazu muss man erstmal ein Szenario entwerfen, in dem sich das Flugzeug schlimmstenfalls befinden kann, und dann muss man noch konkret berechnen, welche Lasten dann in welchem Bauteil wirken. Wenn wir nun einen Panzer bauen wollten, dann könnte man einfach alles konservativ abschätzen, wir sind aber gezwungen so leicht zu bauen, das das ganze nicht nur in die Luft kommt, sondern auch noch Geld dabei verdient. Deshalb kann man nicht einen Lastfall erdenken, der eventuell mal für ein Flugzeug in einem extremen Gewitter zutrifft, man verlässt sich auf den wahrscheinlichsten schlimmsten Fall, den ein Flugzeug statistisch gesehen einmal im Leben erlebt.

Was passiert, wenn ein Flugzeug in eine Böe einfliegt?

Nehmen wir der Einfachheit mal an, die Böe würde rein vertikal sein, und sich zur Umgebungsluft scharf abgrenzen. Dann wäre der Effekt eine sprunghafte Erhöhung des Anstellwinkels. Fliegen wir z.B. mit 300 kt (= unter Freunden 150 m/s) in ein Aufwind von 20 m/s ein (sowas findet man durchaus in Europa im Bereich von Gewittern, da muss man nicht mal in die Tropen für), dann erhöht sich der Anstellwinkel um arctan(20/150) = 7,6° (in Kleinwinkelnäherung kann man schlimmstenfalls auch noch annehmen, die Änderung in rad ist V Böe / V Flugzeug). Nimmt man nun noch an, der Auftriebsbeiwert im Reiseflug beträgt ca. 0.7 und der Auftriebsanstieg mit dem Anstellwinkel ist ca. 0.9/°, dann würde eine solche Böe den Auftrieb verdoppeln, das Flugzeug also 2g erleben.

Generell betrachtet, bedeutet eine Anstellwinkelerhöhung eine Erhöhung des Auftriebs, die proportional zur Anstellwinkeländerung und zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Diese Auftriebserhöhung erzeugt dann eine Zusatzbeschleunigung, die umgekehrt proportional zur Flächenbelastung ist. Die Anstellwinkelerhöhung ist nun wiederum proportional zum Quotienten aus Boengeschwindigkeit und Fluggeschwindigkeit (bei Kleinwinkelnäherung). Daraus folgt dann eine Formel

Zusatz g´s = Faktor * Fluggeschwindigkeit * Böengeschwindigkeit / Flächenbelastung.

Je schneller der Flieger und je stärker die Böe, desto mehr g´s. Deshalb reduzieren Piloten bei bekannter Turbulenz auch die Geschwindigkeit. Je höher die Flächenbelastung, desto weniger g´s, und desto weniger kotzen (oder motzen) die Passagiere, die Lasten auf bestimmte Komponenten können jedoch bei hoher Flächenbelastung (mehr Ladung, mehr Sprit) schlimmer sein. Leider ist der Faktor alles andere als einfach zu bestimmen, denn die Physik ist nicht ganz so simpel, das Flugzeug muß sich ja "an der Luft abstoßen", daher wird in diesem Fall nicht allein das Flugzeug nach oben, sondern auch die Luft nach unten beschleunigt. Damit spielt auch die Menge Luft eine Rolle, an der sich das Flugzeug abstößt, eins mit sehr hoher Flächenbelastung stösst sich an sehr wenig Luft ab, daher "gewinnt" es im Kampf gegen die Luft. Dieser Aspekt nennt sich "realtive Flugzeugmassendichte" und wird nach einer bestimmten Formel bestimmt.

Der Schlüsselwert zur Bestimmung der Böenbelastung ist nun die Annahme über die schlimmste Böe, die ein Flugzeug erleben kann. Der Wert dafür wurde in der Zeit um den zweiten Weltkrieg experimentell ermittelt, man liess eine größere Anzahl von Stratocruisern, DC4, DC6, Constellation etc. mit einem Beschleunigungsaufnehmer einige Jahre lang fliegen, und rechnete dann zurück welche Böen diese Flugzeuge im realen Betrieb erlebt haben. Man wählte dann eine Böenstärke von 66ft/sec, die 99% der aufgezeichneten Böen abdeckte. Heute gibt man nicht mehr nur die Stärke vor, sondern auch die Form der Böe, und variiert die Stärke mit der Flughöhe. Alles in allem ist es eine relativ komplizierte Rechnerei, aber im Grundsatz geht sie auf einen statistischen Wert aus dem realen Flugbetrieb und eine Umrechnungsformel g´s in Böengeschwindigkeit zurück. Natürlich kann man schlimmere Böen finden, aber es ist extrem unwahrscheinlich, das man in so etwas reinfliegt. Zusätzlich muss man noch verschiedenste Beladungszustände des Flugzeugs betrachten, Treibstoff in den Tragflächen ist dabei natürlich für die Maximallasten im Flügel längst nicht so schlimm, wie Ladung im Rumpf. Theoretisch ist es am schlimmsten, wenn das Flugzeug maximal beladen und minimal betankt ist, dieser Wert wird dann mit der Sicherheit 1.5 nachgewiesen.

AF447 hatte nach 3 Stunden Flugzeit mit Sicherheit einen leeren Zentraltank und noch fast volle Flügeltanks, ausserdem dürfte auf so einer Langstrecke die Beladung nicht beim "Zero Fuel Weigt Limit" gelegen haben. Damit hätte der Airbus in dem betreffenden Gewitter mehr als das 1.5 fache der dort "vorschriftsmäßig" zu erwartenden Böen aushalten müssen, da der Beladungszustand nicht dem kritischsten entsprach.

Nun geht man bei der Auslegung aber davon aus, dass eine solche "schlimmste wahrscheinliche" Böe im stabilen Geradeausflug eines voll funktionstüchtigen Flugzeugs erlebt wird. Wenn nun durch den Ausfall einiger Systeme und die Kombination aller möglichen Vertikal- und Horizontalböen, bei einer nicht mehr vom Autopilot konstant gehaltenen Geschwindigkeit in irgendeinem unvorhersehbaren Flugzustand in eine Böe eingeflogen wird, die nicht 99% der Böen entspricht, dann kann die tatsächliche Sicherheit auch deutlich geringer als 1.5 gewesen sein. Vermultich sogar kleiner als 1.

Der Unfallforscher nennt das dann "Verkettung unglücklicher Umstände", und darauf wird es auch in diesem Fall hinauslaufen.

Gruß Ralf

Bestimmung der Belastung durch Böen

Der Wert dafür wurde in der Zeit um den zweiten Weltkrieg experimentell ermittelt, man liess eine größere Anzahl von Stratocruisern, DC4, DC6, Constellation etc. mit einem Beschleunigungsaufnehmer einige Jahre lang fliegen, und rechnete dann zurück welche Böen diese Flugzeuge im realen Betrieb erlebt haben. Man wählte dann eine Böenstärke von 66ft/sec, die 99% der aufgezeichneten Böen abdeckte. Heute gibt man nicht mehr nur die Stärke vor, sondern auch die Form der Böe, und variiert die Stärke mit der Flughöhe. Alles in allem ist es eine relativ komplizierte Rechnerei, aber im Grundsatz geht sie auf einen statistischen Wert aus dem realen Flugbetrieb und eine Umrechnungsformel g´s in Böengeschwindigkeit zurück.

Natürlich kann man schlimmere Böen finden, aber es ist extrem unwahrscheinlich, das man in so etwas reinfliegt. Zusätzlich muss man noch verschiedenste Beladungszustände des Flugzeugs betrachten, Treibstoff in den Tragflächen ist dabei natürlich für die Maximallasten im Flügel längst nicht so schlimm, wie Ladung im Rumpf. Theoretisch ist es am schlimmsten, wenn das Flugzeug maximal beladen und minimal betankt ist, dieser Wert wird dann mit der Sicherheit 1.5 nachgewiesen.

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Erzeugt Sonntag, 7. Juni 2009
von wabis
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