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Flugzeugbau | Unterschied zwischen VA und gelbem Bereich  
17. Juli 2016: Von Johannes K. 

Hallo zusammen,

wir betreiben im Verein eine C42A und eine HK36-TC100, die ich beide regelmäßig fliege. Schon vor längerer Zeit ist mir auf gefallen, dass die Manövergeschwindigkeit teils deutlich vor dem Beginn des gelben Bereichs (Geschwindigkeit in ruhiger Luft) liegen.

Die Werte lauten für ISA/MTOW

Bei der HK36: VA = 95kts / Gelber Bereich: VRa = 113 kts bis Vne = 141 kts
Bei der C42A: VA = 139kmh / VB = Vne = 180 kmh (kein gelber Bereich)

An einem Tag wie heute, wo es um München rum durchaus Thermiken mit 4-5 m/s Steigen hatte, hats mich mit der C42A auf dem Flug von EDNX nach EDNO ganz gut durchgeschüttelt. Die eine oder andere einseitige Bö musste ich auch durch beherztes Gegensteuern am Querruder ausnivellieren, solo ist die C42A mit 400kg TOW einfach eine ziemliche "Plastiktüte" im Wind. Bei ~135 km/h ist das Gegensteuern kein Thema, aber theoretisch dürfte ich ja bei so einem Wetter laut Handbuch bis an die Vne ran, auch in bockiger Luft. Meine Möglichkeiten zur Korrektur sind dann aber aufgund der nur kleinen erlaubten Ruderbewegungen begrenzt.

Heute haben wir im Vereinsheim mal über dieses Thema mal diskutiert und konnten uns keinen Reim drauf machen, warum diese Geschwindigkeiten vor allem bei der C42A so weit auseinander liegen. Wer kann uns erhellen?

Viele Grüße

Johannes

17. Juli 2016: Von Erik N. an Johannes K.

Je leichter das Flugzeug, desto höher ist bei gleicher Geschwindigkeit das Lastvielfache und damit die Belastung der Struktur beim Flug durch Turbulenzen. Daher ist es ein Trugschluss, dass man bei jeder Art von Luft bis zum Ende des grünen Bereichs fliegen darf. Geschweige denn vom gelben Bereich. Selbst die Vna, die sogenannte Manövergeschwindigkeit, ist bei sehr turbulenter Luft mit erheblicher Vorsicht zu genießen. Malte kann das mathematisch darlegen und es gibt sicher Kollegen die das für die genannten Typen genau beschreiben können.

An die Vne darfst du bei so einem Wetter allerdings auf keinen Fall ran !

Bei der Beech gehe ich, wenn ich alleine fliege, bei sehr turbulenter Luft unter 140kts indicated, und fahre die erste Klappenstufe im Sinkflug aus, da ich sonst bei 165kias bin, was in ruhiger Luft kein Problem ist.

17. Juli 2016: Von  an Erik N. Bewertung: +3.00 [3]

... da wäre ich bei Turbulenz vorsichtig, denn mit ausgefahrenen Klappen gelten bei vielen Flugzeuge niedrigere maximale Lastvielfache!

my 5 C

17. Juli 2016: Von Lutz D. an Johannes K. Bewertung: +3.00 [3]

Nabend Johannes,

jetzt sind durch Erik und Alexis noch andere Fragen aufgeworfen worden, die alle interessant sind. Ich will aber nur kurz und einfach auf Deine Frage eingehen, warum Va und der gelbe Bereich weit auseinander liegen können.

Dazu kann man einfach mit Grenzwerten arbeiten. Denke Dir einfach einen Flieger mit unendlich kleinen Rudern (will sagen, Ruderflüche und damit Wirksamkeit strebt gegen null). Da wird die Va gegen unendlich groß streben, denn Du kannst immer am Stick ziehen, wie Du willst - alles bleibt heil. Wenn Du mit einer solchen C42 aber in eine 10 m/s Vertikalböe rauschst, kann es trotzdem aus sein.

Die Va merkt man sich finde ich am besten als 'cornering speed'. Unter dieser stalled sie bei vollem Ausschlag, darüber geht sie kaputt, bei Va geht sie am engsten um die Ecke (idealer Kurvenradius).

17. Juli 2016: Von Tobias Schnell an Erik N. Bewertung: +1.00 [1]

Je leichter das Flugzeug, desto höher ist bei gleicher Geschwindigkeit das Lastvielfache und damit die Belastung der Struktur beim Flug durch Turbulenzen

Hm - nicht sicher, ob ich da einverstanden bin: Das zulässige Lastvielfache bezieht sich auf MTOW. Die absolute Last auf die tragende Struktur ist doch bei geringerem Gewicht kleiner!? Deswegen dürfen viele Flugzeuge ja bei geringerem Gewicht auch mehr g's - z.B PA28 3,8g bei 2325 lbs (normal category), 4,4 g bei 2020 lbs (utility category).

Oder?

Selbst die Vna, die sogenannte Manövergeschwindigkeit, ist bei sehr turbulenter Luft mit erheblicher Vorsicht zu genießen

Die Manövergeschwindigkeit sagt nur (wie Lutz schon schrieb), dass der Flieger unterhalb dieser Geschwindigkeit bei vollen Ruderausschlägen (i.d.R. des Höhenruders) stallt bevor er bricht. Mit der Belastung durch turbulente Luft hat die erst mal nichts zu tun.

Tobias

17. Juli 2016: Von Alexander Callidus an Johannes K. Bewertung: +1.00 [1]

Va und gelber Bereich liegen auseinander, weil sie nicht direkt etwas miteinander zu tun haben. Va ist die Manövergeschwindigkeit, bis zu der EIN Ruder voll ausgeschlagen werden kann (siehe Airbus-Unfall). Der geblbe Bereich ist über die Böengeschwindigkeit, VNo Vra definiert. Anderer Rechenweg, andere Annahmen, anderes Ergebnis.

17. Juli 2016: Von Lutz D. an Tobias Schnell

...und genau da werden solche Verwechslungen Va/gelber Bereich dann tückisch, weil die Va natürlich sehr wohl Masseabhängig ist.

Je leichter der Flieger, desto größer wird die Beschleunigung sein, wenn ich mit dem Höhenruder den Anstellwinkel erhöhe und eine Auftriebskraft F den Flügel angreift.

Gibt ja auch Hersteller die eine gewichtsabhängige Va angeben.

Aus dem Kopf weiß ich gerade nicht, ob bei nur einer angegebenen Va diese für MTOM oder das minimale Abfluggewicht gilt (man möchte hoffen, für letzteres).

17. Juli 2016: Von Erik N. an Tobias Schnell

Hmm... Die im POH angegebene Manövergeschwindigkeit bezieht sich auf MTOM. Unterhalb MTOM sinkt die Manövergeschwindigkeit mit sinkendem Gewicht, dh je leichter das Flugzeug ist - damit ist auch die Masse des Treibstoffs in den Flügeln inbegriffen - desto geringer ist die ceteris paribus in turbulenter Luft (noch) fliegbare Geschwindigkeit. Ich habe gerade die entsprechende Passage eines sehr guten Buches, welches dieses Thema behandelt, nicht zur Hand, da ich im Urlaub bin, muss daher auf später verweisen.

Was Johannes geschrieben hat, ist m.E. gefährlich- man könne ja sogar bis zur Vne gehen in "solcher Luft". Vne ist eine Geschwindigkeit, die wenn überhaupt nur bei ruhiger Luft gilt. Ist die Luft turbulent, sinkt sie erheblich. Genau wie auch die Vna. Und, Alexis, klar - bei ausgefahrenen Klappen noch weiter, obwohl das bei jedem Muster unterschiedlich ist.

Es geht ja darum, dass Johannes über turbulente Luft sprach. Da kann ich komplett ohne Ruderausschläge schon die Struktur überlasten, wenn ich zu schnell fliege. Ruderausschläge kommen noch oben drauf.

17. Juli 2016: Von Tobias Schnell an Lutz D. Bewertung: +1.00 [1]

Aus dem Kopf weiß ich gerade nicht, ob bei nur einer angegebenen Va diese für MTOM oder das minimale Abfluggewicht gilt (man möchte hoffen, für letzteres)

Stichprobe aus vier POHs, die ich gerade griffbereit habe:

PA28: 2 VAs angegeben (113 KIAS bei MTOW, 89 KIAS bei BEW)

C172: 3 VAs angegeben (105 KIAS bei MTOW, 90 KIAS bei 863 kg)

DA20: Nur eine VA (104 KIAS), keine Angabe über das Bezugsgewicht

M20J: 4 VAs angegeben (115 - 96 KIAS)

Je leichter der Flieger, desto größer wird die Beschleunigung sein, wenn ich mit dem Höhenruder den Anstellwinkel erhöhe und eine Auftriebskraft F den Flügel angreift

Das ist ein Grund. Vor allem aber stallt der leichte Flieger auch entsprechend später.

Tobias

17. Juli 2016: Von Kilo Papa an Erik N. Bewertung: +1.00 [1]

Das sehe ich anders. Das maximale Lastvielfache mit ausgefahrenen Klappen ist über die entsprechende Zulassungsvorschrift definiert (23/25). Insofern ist das nicht je Flugzeug unterschiedlich.

lg

17. Juli 2016: Von Tobias Schnell an Erik N.

Hmm... Die im POH angegebene Manövergeschwindigkeit bezieht sich auf MTOM. Unterhalb MTOM sinkt die Manövergeschwindigkeit mit sinkendem Gewicht, dh je leichter das Flugzeug ist - damit ist auch die Masse des Treibstoffs in den Flügeln inbegriffen - desto geringer ist die ceteris paribus in turbulenter Luft (noch) fliegbare Geschwindigkeit

Wie bereits geschrieben ist VA <> VNO. Die VA sagt nur, dass der Flieger bei vollen Ruderausschlägen stallt, bevor er strukturell überlastet wird. Daher kommt auch die Abhängigkeit vom Gewicht: Der leichte Flieger stallt später, kommt also bei einem Vollausschlag eher in den Bereich der Überlast.

Nach welchen Kriterien die VNO ermittelt wird, kann vielleicht jemand beantworten, der sich mit den einschlägigen Bauvorschriften auskennt. Vermutlich wird von einem bestimmten maximalen Böenwert ausgegangen, der noch mit gewissen Ruderausschlägen überlagert wird.

Was Johannes geschrieben hat, ist m.E. gefährlich- man könne ja sogar bis zur Vne gehen in "solcher Luft". Vne ist eine Geschwindigkeit, die wenn überhaupt nur bei ruhiger Luft gilt. Ist die Luft turbulent, sinkt sie erheblich.

Was Johannes tatsächlich schrieb ist, dass bei einer C42 VNO=VNE ist. Das kenne ich nun in der Tat von keinem anderen Flugzeug so, aber offensichtlich können die (mir unbekannten) UL-Bauvorschriften, die der Ermittlung der VNO zugrunde liegen, auch bei VNE eingehalten werden.

Genau wie auch die Vna.

Die heisst VA und ändert sich nicht mit der Beschaffenheit der Luft, sondern nur mit dem Gewicht.

Tobias

17. Juli 2016: Von Wolfgang Lamminger an Johannes K. Bewertung: +3.00 [3]

sehr verständlich dargestellt wird das in einem V-G-Diagramm:

In diesem Beispiel: VA bei ca. 125 Kts, bis zu einem Load Factor von ca. 3,8 G lande ich im Stall-Bereich, ist meine Speed oder der Load-Factor größer, lande ich im Bereich der "Structural Damage".

Zu beachten ist dabei, dass im unbeschleunigten Horizontalflug der Load Factor bei 1 G liegt und nicht bei 0, wie der dunkelblau dargestellte Envelope im ersten Anschein suggeriert.

Die "Caution Range" (gelber Bereich) wäre dann irgendwo auf der X-Achse (Speed/V) rechts neben der VA und der VNE angesiedelt.

18. Juli 2016: Von Mich.ael Brün.ing an Tobias Schnell Bewertung: +1.00 [1]

Tobias,

ich kenne mich zwar mit den einschlägigen Bauvorschriften nicht aus, weiß aber wo man sie findet. Für unsere typischen SEP-Flugzeuge gilt CS-23 und die Bauvorschriften finden sich hier:

https://www.easa.europa.eu/system/files/dfu/decision_ED_2003_14_RM.pdf

Die Vorgaben zur Bestimmung von Vno finden sich in CS23.333 "Flight Envelope".

Michael

18. Juli 2016: Von Peter Klant an Mich.ael Brün.ing Bewertung: +2.00 [2]

Hallo Johannes,

Du schreibst: "Die eine oder andere einseitige Bö musste ich auch durch beherztes Gegensteuern am Querruder ausnivellieren"

Da wäre ich - besonders bei Turbulenz - sehr vorsichtig. Je turbulenter der Flug, um so weniger heftig sollten die Ruderausschläge sein. Die Belastung der Flugzeugzelle durch Steuerausschläge und durch Turbulenz können sich natürlich im Flug durchaus addieren. Und das ist in den Zulassungsvorschriften nicht berücksichtigt. Die Va berücksichtig NUR Steuerausschläge, das gelbe Band NUR Belastungen durch Turbulenz. Beide Belastungen zusammen - jeweils innerhalb der Limits in Einzelbetrachtung - können durchaus das Flugzeug überlasten.

Was spricht dagegen das Flugzeug ein wenig in der Turbulenz tanzen zu lassen? Selbst bei großen Verkehrsflugzeugen wird empfohlen, bei starker Turbulenz mit ruhigen Steuerauschlägen lediglich im Mittel die Höhe und den Kurs zu halten. Ein wenig Querlage tut dem Flugzeug nicht weh, die nächste Bö könnte ja auch schon wieder in die andere Richtung gehen. Und gerade auf VFR Flügen - wenn man nicht dicht unter einer Luftraumgrenze fliegt - kann man ruhig einmal zugunsten ruhiger Steuerauschläge die Höhe fluktuieren lassen.

Das Verringern der Fluggeschwindigkeit bei Turbulenz verringert nicht nur die Strukturbelastung, sondern verbessert auch den Flugkomfort durch geringere g-loads. Auch daher drehen wir in Verkehrsflugzeugen wenn's wackelt ein wenig die Fahrt runter.

Mit dem Fliegen bei Turbulenz ist es wie mit dem Autofahren auf unbefestigter, löchriger Straße: Das Ausreizen vermeindlich sicherer zulässiger Höchstgeschwindigkeiten sollte man besser vermeiden.

18. Juli 2016: Von Erik N. an Wolfgang Lamminger

Hier ist die gleiche Grafik mit zusätzlichen Erläuterungen.

Nur um es noch mal zu verstehen:

Die gekrümmte Linie zeigt das Lastvielfache, bei dem das Flugzeug bei einer gegebenen Geschwindigkeit stallt. Va, Manövergeschwindigkeit, ist die Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug bei gegebenem Gewicht das maximale Lastvielfache erreicht und gleichzeitig ein Strömungsabriss erfolgt. Korrekt ?

Die Manövergeschwindigkeit hat keinen Sicherheitspuffer nach oben. Fliegt Johannes exakt bei Va, und wird von einer heftigen Böe von unten getroffen, erhöht dies den Anstellwinkel, und somit auch den Auftrieb. Übersteigt dieser Anstellwinkel den kritischen Anstellwinkel, stallt das Flugzeug. Führt Johannes dann gleichzeitig Steuerauschläge durch, wird zusätzlich Last erzeugt, die die Struktur durchaus beschädigen kann. Ist das so korrekt wiedergegeben ?

Somit macht es doch durchaus Sinn, in turbulenter Luft unterhalb der Va zu fliegen, oder ?

Was ich ich echt nicht verstehe, ist wieso in einem Flugzeug (irgendeinem Flugzeug) Vno = Vne sein kann ?



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18. Juli 2016: Von Johannes K. an Erik N.

Hallo zusammen,

vielen Dank für diese ausführlichen Erklärungen. Ein bisschen habe ich nun einen tieferen Einblick in die Thematik. Ich fasse das mal so zusammen:

VA gibt an, bei welcher Geschwindigkeit volle Ruderausschläge ausgeführt werden dürfen. Es ist damit eine Geschwindigkeit, die auf Basis der Festigkeit der Steuerflächen und Ihrer Aufhängungen berechnet wird. Soweit klar.

Vb alias Vra alias Vno gibt an, bei welcher Fluggeschwindigkeit in Böen (einer näher zu definierenden Stärke) eingeflogen werden darf. Diese Geschwindigkeit berechnet sich damit aus der Vertikal-Festigkeit des Gesamtflugzeugs.

Der Vollständigkeit halber: Vne gibt an, bei welcher Geschwindigkeit das Flugzeug im stationären Flug Schaden nimmt. Diese Geschwindigkeit berechnet sich damit aus der Horizontal-Festigkeit des Gesamtflugzeugs.

Diese Geschwindigkeiten werden wohl berechnet, und nicht "erflogen". Jeder Effekt wird einzeln betrachtet, d.h. es hat wohl niemand getestet, ob der Flieger es auch aushält, einseitig von einer "Norm-Böe" erfasst zu werden und gleichzeitig durch den Pilot eine Ausgleichsbewegung ausführt.

Interessant wirds, wenn beide Effekte sich überlagern, Steuerdrücke und Böen. Dann sind wohl geringere Festigkeiten (und damit Geschwindkeiten anzusetzen), als bei der Einzelbetrachtung.

Im klassischem Maschinenbau gibt es einen vergleichbaren Effekt, nennt sich "mehrachsiger Spannungszustand". Eine Welle z.B. hat eine gewisse Festigkeit gegenüber Biegung und eine gegen Torsion. Bringe ich jedoch beide Spannungen - Biegung und Torsion - gleichzeitig bis zu Ihrem Nennwert auf, so ergibt sich eine Gesamtspannung, die höher ist als die zulässige Spannung. Auch wenn die jeweiligen Einzelspannungen noch innerhalb Ihrer Grenzwerte liegen.

Lässt sich das so zusammenfassen?

Viele Grüße

Johannes

P.S.: Was die Vno = Vne = 180kmh bei der C42A angeht, handelt es sich hier um einen Spezialfall. Alle späteren C42 (B,C,E,...) haben eine Vne = 217kmh und entsprechend einen gelben Bereich von 180 bis 217. Die A wurde aufgrund ihres Alters aber nie nachspezifiziert, und ist daher - als einzige Variante - auf Vne = 180kmh begrenzt.

18. Juli 2016: Von Sebastian G____ an Erik N.

Va, Manövergeschwindigkeit, ist die Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug bei gegebenem Gewicht das maximale Lastvielfache erreicht und gleichzeitig ein Strömungsabriss erfolgt. Korrekt ?

Nicht zwingend. Bei Va kann man jeder Ruder einzeln voll ausschlagen. Typischerweise löst man das für das Höhenruder und positive G indem man das Flugzeug stallen lässt. Daher auch die Idee in Böen Va zu fliegen. Aber das muss nicht so sein. Ein Konstrukteur könnte wahrscheinlich auch die Ruderausschläge technisch begrenzen, aktive envelope protection einbauen etc. Es gibt keine Garantie dass der Flieger bei Va stallt.

Übersteigt dieser Anstellwinkel den kritischen Anstellwinkel, stallt das Flugzeug. Führt Johannes dann gleichzeitig Steuerauschläge durch, wird zusätzlich Last erzeugt, die die Struktur durchaus beschädigen kann. Ist das so korrekt wiedergegeben ?

Da gibt es keine Garantien aber wenn der Flügel erst mal stallt wirken zusätzliche Höhenruderausschläge wahrscheinlich nicht mehr deutlich lasterhöhend.

Was ich ich echt nicht verstehe, ist wieso in einem Flugzeug (irgendeinem Flugzeug) Vno = Vne sein kann ?

Das ist eigentlich sogar der Normalfall bei (allen?) Turbinenflugzeugen.

18. Juli 2016: Von Alexander Callidus an Johannes K.

Nur zu Vne: das ist 0,9 x Vd wie "Destruktion" oder "Dimensionierung" oder "dive". MAßgeblich sind alle möglichen, vom Konstrukteur angenommenen Belastungen, z.B. (auch) Flattern der Steuerflächen, während die Zelle mit Flächen in absolut ruhiger Luft durchaus auch höhere Geschwindigkeiten vertragen würde.

Die Flatterfestigkeit bezieht sich auf ein Flugzeug im Neuzustand, aber nicht eines mit schlaffen Steuerseilen, ausgeschlagenen Scharnieren und geändertem Steuerflächengewicht durch die letzte Lackierung. Auf dem Gebiet ist sorgfältige Wartung sehr, sehr sinnvoll.

18. Juli 2016: Von Lutz D. an Sebastian G____

@Johannes Noch nicht ganz. Va hat mit Festigkeit der Steuerflächen selbst eigentlich nichts zu tun. Das wäre purer Zufall.

@Sebastian das habe ich neulich auch gedacht, als ich in einer Caravan mitgeflogen bin und keinen gelben Bereich entdecken konnte. Laut Handbuch ist die Vno aber deutlich niedriger als Vne.

18. Juli 2016: Von Ulrich Dr. Werner an Lutz D. Bewertung: +1.00 [1]

Hallo Lutz

Ich vermute aber, dass dich bei dem Flug mit der Caravan weder Vno noch Vne so wirklich gestört haben, da Du eh nicht vorhattest, bei der Landung noch in der Kiste drin zu sitzen...

Gruß

Ulrich

18. Juli 2016: Von Lutz D. an Ulrich Dr. Werner

:) im Prinzip gut erkannt, aber diesmal saß ich vorne rechts angebunden, aus Neugier!

18. Juli 2016: Von Wolff E. an Sebastian G____

@Sebastian. Das ist eigentlich sogar der Normalfall bei (allen?) Turbinenflugzeugen.

Das ist auch das "Problem" bei der Malibu Jetprop. Dadurch, dass es keinen gelben Bereich bei einer Turboprop gibt, wurde bei der Malibu der gelbe Bereich "gestrichen" und Va als Max Speed genommen, aber es wird trotzdem darüber geflogen, da sonst die . Vne genannt. Vn könnte auch V nie erreicht heißen :-)

18. Juli 2016: Von Frank Naumann an Johannes K.

Vb alias Vra alias Vno gibt an, bei welcher Fluggeschwindigkeit in Böen (einer näher zu definierenden Stärke) eingeflogen werden darf.

Die Böen sind bis 20.000 ft mit 66 fps (feet per second), bei 50.000 ft mit 38 fps definiert, dazwischen wird linear interpoliert. Unsere üblichen Propellerflieger müssen also im grünen Fahrtmesserbereich Auf- und Abwinde bis ca. 20 m/s aushalten, ohne zusätzliche Steuerausschläge wohlgemerkt.

18. Juli 2016: Von Lutz D. an Ulrich Dr. Werner

PS waren vorletzten Samstag mit der Colt in EDRA - nicht daran gedacht mich zu melden :(

18. Juli 2016: Von Ulrich Dr. Werner an Lutz D.

Da stand ich die ganze Zeit auf dem Vorfeld.


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