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Flatterfestigkeit - erhöhte Anforderungen bei der DG-1000

Zwischen dem Erstflug der Baunummer 1 und der Fertigstellung der Nummer 2 ist fast ein Jahr vergangen - ein Zeitraum, der normalerweise nur wenige Monate dauert. Der Grund waren massive Konstruktionsänderungen der Steuerung und der Leitwerke aufgrund zusätzlicher Anforderungen an den Flatternachweis, die erst kurz vorher vom Luftfahrt Bundesamt gefordert wurden. Die DG-1000 ist das erste Flugzeug von DG, dass davon betroffen war.

Diese zusätzlichen Anforderungen wurden von der US Luftfahrtbehörde gefordert, da sie einen Unterschied fanden in den Flatternachweisen, wie sie bisher für deutsche Segelflugzeuge erstellt wurden und denjenigen, die für Verkehrsflugzeuge üblich sind. Die zusätzliche Forderung besteht darin, dass die Flatterfreiheit auch mit festgelegter Steuerung nachgewiesen werden muss. Da sich bei dieser Konfiguration ganz andere Eigenfrequenzen der Steuerung ergeben, als bei loser Steuerung, ist es schwierig, die Struktur des Flugzeuges so zu gestalten, dass es keine Frequenznachbarschaften und damit rechnerische Flatterfälle gibt. Bei der DG-1000 führte das dazu, dass z.B. das Höhenleitwerk 4 mal so steif gebaut werden musste, als wie das aus Festigkeitsgründen erforderlich gewesen wäre und dass fast alle Ruder 100% massenausgeglichen sind.

Wir vermuten, dass fast keines der zuvor zugelassenen Segelflugzeuge diese neuen Forderungen erfüllt. Da aber bekannterweise die bisher zugelassenen Segelflugzeuge keine Flatterprobleme im Flugbetrieb hatten, ist es schon fraglich, ob die neuen Forderungen wirklich angemessen sind. Insbesondere ist es fraglich ob ein Pilot - im Gegensatz zu der Hydraulik bei einem Verkehrsflugzeug - die Steuerung überhaupt so festhalten wird, dass solch ein Flatterfall auch in der Praxis auftreten kann.

Zum Anderen ist es natürlich sehr schwierig, gegen die neuen Forderungen zu argumentieren, da ja zumindest rein theoretisch eine Flattergefahr besteht, und wer will dann die Verantwortung übernehmen?

Wilhelm Dirks hat früher bekanntlich selbst während der Erprobung eines neuen Musters einen Flatterfall erlebt und saß plötzlich im Freien....

Was ist eigentlich Flattern?

Ich möchte es am Beispiel eines Querruderfalles erklären:
Wenn Sie ein Querruder im Querschnitt betrachten, sehen Sie, dass die Fläche (und damit ungefähr auch die Masse) hinter der  Drehachse viel größer ist als davor (rechts ist viel größer als links). Also ist das Ruder nicht ausbalanciert - ohne Ansteuerung fällt es herunter. So sind alle Querruder von Anfang an.

Wenn Sie das Ruder nun z. Bsp. nach unten ausschlagen, wird dadurch der Flügel hoch steigen und das Flugzeug beginnt etwas um die Längsachse zu rollen. Aufgrund der Massenträgheit wird das Ruder schwerer und wird von allein den Ausschlag vergrößern. Dasselbe gilt für das nach oben ausgeschlagene Querruder; auch dort wird der Ruderausschlag infolge der Trägheitskräfte verstärkt. D.h. die Trägheitskräfte von nicht massenausgeglichenen Querrudern versuchen, den einmal eingestellten Querruderausschlag zu vergrößern. Diesem Effekt wirken bei normalen Fluggeschwindigkeiten die Luftkräfte und die Reibung in der Steuerung ausreichend stark entgegen. Für den Piloten  am Knüppel spürbar bleibt davon schließlich eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Zunahme der Kraft je weiter er das Querrudersteuer ausschlagen will.

Wesentlich unangenehmer kann das Zusammenwirken von Luftkräften und Trägheitskräften jedoch werden, wenn die Ausschläge der Rudern nicht mehr nur langsam, sondern extrem rasch oder je nach Fluggeschwindigkeit mit bestimmten (flugzeugspezifischen) Frequenzen erfolgen. Unter diesen Bedingungen spielt die Masse und Steifigkeit sämtlicher Teile des Flugzeugs eine große Rolle, den jedes Flugzeug kann infolge seiner Elastizität und durch das Zusammenspiel der Luft- und Massenkräfte „schwingen“. Dieser Effekt ist im Schnellflug ganz besonders unangenehm, weil dort die Luftkräfte schon bei kleinen Ruderausschlägen oder Verformungen z.B. des Flügels sehr groß werden und diese Schwingungen sogar bis hin zum Bruch des Flugzeugs anwachsen können.
Der Massenausgleich der (Quer-) Ruder kann nun helfen dieses ungünstige Zusammenwirken von Luft- und Massenkräften in bestimmten Flatterfällen zu verhindern.

Diese Erkenntnis ist nicht neu und so wird an der Nasenleiste des Querruders - ebenso wie am Höhen und Seitenruder -
ein Massenausgleich angebracht. Dadurch wird die "Rücklastigkeit" der Ruder deutlich verringert wird und ein Flattern wird nicht eintreten. Wenn dann der Testpilot dies auch noch in der Praxis nachweisen konnte, war bisher alles okay.

Um die Massenausgleiche, die auf Grund der neuen Forderungen viel größer, als erwartet sein müssen, in den Querrudern unterzubringen mussten die bereits fertigen Produktionsformen nachträglich geändert werden. Wir mussten mehrere Höhenleitwerke bauen und testen, bevor der Flatterspezialist zufrieden war und dann noch die Steuerung im Flügel ändern und so weiter und so weiter. Ja, es war schon zum Verzweifeln!

Und es bringt noch ein weiteres - die Forderung nach 100% Massenausgleich führt zusätzlich zu einem Unterschied in den Steuerkräften:
Nicht voll ausgeglichene Ruder unterstützen den Piloten bei seinen Knüppelbewegungen - die Steuerung erscheint subjektiv als sehr leichtgängig, denn die Vertikalbewegungen des Flügels wirken auf die Ruderausschläge "selbstverstärkend". Das ist sehr schön, war in der Vergangenheit erlaubt, ist bei einem Wettbewerbsmuster so realisiert und ist heute bei einer Neuzulassung nicht mehr zulässig. Hier führt die Anforderung an erhöhte Flatterfestigkeit also obendrein zu einer leichten Erhöhung der Steuerkräfte. Kurios ist leider, dass das Flugverhalten des Wettbewerbsmusters oft sehr gelobt wird. Bei Neukonstruktionen - wie der DG-1000 - ist solch ein Flugverhalten aufgrund der neuen Anforderungen aber heute eben nicht mehr realisierbar. Das ist der Preis der Sicherheit!

Die Querruderkräfte der DG-1000 liegen jetzt etwa in der Größenordnung wie bei einer DG-800 und das ist für einen Doppelsitzer natürlich sehr gut. Eine noch weitere Verringerung wäre nur mit nicht voll ausgeglichenen Rudern zu erreichen, und das ist leider nicht mehr zulässig.

Nun ja, die neue Vorschrift soll schließlich Ihrer Sicherheit dienen!

- friedel weber und w-dirks -

 

Ein Flatterversuch mit der DG-300/17 des DLR Braunschweig
der "Heiligen DG"

Hier können Sie ein spektakulär anzusehendes Video herunter laden, mit Bildern eines gewollten Flatterversuchs, die man "normalerweise" nicht zu sehen bekommt.

Dadurch, dass sich Piloten finden, die solch potenziell gefährlichen Test riskieren, lernen wir alle, das Phänomen des Flatterns besser zu verstehen.

Unabdingbar zum Ansehen des Videos gehört aber der folgende Kommentar:

Hallo Herr Weber

Hier eine als notwendig erscheinende Information zum kurzen Film mit der flatternden DG-300/17:
Bei der DG-300/17 handelt es sich um ein Forschungsflugzeug. Gegenüber der serienmäßigen DG-300 ist bei diesem Einzelstück die Flügelspannweite von 15 m auf 17 m vergrößert worden, und zwar durch Verlängerung im Innenbereich.

Die gefilmte Flatterschwingung mit begrenzter Amplitude trat nur bei der Konfiguration mit sehr viel Wasserballast auf. Die zu großen Tanks des Flugzeuges enthielten dabei mehr als die zulässige Menge. Die Flattertendenz mit zunehmendem Wasserballast wurde durch Flatterrechnungen auf der Basis eines Standschwingungsversuchs am DLR-Institut für Aeroelastik vorher erkannt, wobei eine geringe Entdämpfung in einem begrenzten Geschwindigkeitsbereich festgestellt wurde.

Die beobachteten Flatterschwingungen boten die Gelegenheit, die theoretischen aeroelastischen Methoden für den Flatternachweis von Segelflugzeugen durch ein Experiment am fliegenden Erprobungsträger zu bestätigen.
Es ist selbstverständlich, dass ein solcher mit Risiken behafteter Flugversuch mit entsprechender Umsicht nur durch die erfahrenen Spezialisten der Flugabteilung des DLR Braunschweig vorbereitet und durchgeführt werden konnte.

Für die Zulassung der DG-300/17 wurde die Menge des Wasserballastes so weit beschränkt, dass beim Einsatz des Flugzeugs im Forschungsflugbetrieb des DLR und als Vergleichsflugzeug beim alljährlichen Idaflieg-Sommertreffen Flattern nicht mehr auftreten kann.

Bei dem gefilmten Flatterfall, der bei einer Fluggeschwindigkeit zwischen 140 und 150 km/h auftrat, sind die 1. antisymmetrische Flügelbiegung und die Starrkörperdrehung des Querruders beteiligt. Durch Anschlagen der Steuerung ergibt sich ein nichtlineares Verhalten, das Flattern mit begrenzter Amplitude zur Folge hat. Damit kommt es nicht Überlastungen und Bruch der Konstruktion. Wenn die Fahrt durch Ziehen ohne Behinderung der Seitenbewegung des Knüppels verringert wird, so hört die Flatterschwingung auf, aber erst bei einer deutlich niedrigeren Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit ist die eigentliche Flattergeschwindigkeit des Flugzeuges.
Flattern tritt ein, wenn diese überschritten ist und eine passende Störung bzw. Erregung auf das Flugzeug einwirkt.

Alle zugelassenen Flugzeuge sind durch umfangreiche Standschwingungsversuche und Flatterrechnungen sowie durch gezielte Flugversuche auf kritische Flattereigenschaften überprüft worden.
Im zulässigen Betriebsbereich, der im Flugbetriebshandbuch dokumentiert ist, kann man sicher sein, dass keine aeroelastischen Instabilitäten auftreten.

(Erstellt durch die Flugabteilung des DLR Braunschweig mit
technisch/wissenschaftlicher Unterstützung
des Instituts für Aeroelastik des DLR in Göttingen).

Jan Schwochow

Videoclip von 13 Sekunden / 3,64 MB

Respekt den Piloten, die so etwas machen!

 

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