Steilspirale - die Königin der Kurven - Gleitschirm

Abb. 1b Abb. 1c Abb. 2bKappenbahnPilotenbahnIm Kurvenflug stehen Gewicht, Zentrifugalkraftund Auftrieb miteinander im GleichgewichtIm Kurvenflug ist größerer Auftrieb notwendigals im Geradeausflug, weil auch die Zentrifugalkraftkompensiert werden muß. Leitet derPilot eine Kurve nur durch Gewichtsverlagerungein, kann der Schirm diesen Mehr-Auftrieb nurerbringen, indem er schneller fliegt. Dahernimmt auch die Sinkgeschwindigkeit zu.rale einleiten, ohne die Steuerleineneinzusetzen.Betrachtet man nun den stationärenKurvenflug mit maximal 45° Schräglage,gilt in sehr guter Näherung, wasAbbildung 1b zeigt. Schirmkappeund Gleitschirmpilot befinden sichin einer senkrechten Ebene, die sichwie eine Tür in der Angel dreht, mitdem wichtigen Unterschied, daß esim Flug auf einer flachen Schraubenlinieabwärts geht. Der Auftriebmuß in der Kurve nicht nur dasGewicht tragen können. Er mußauch die Zentrifugalkraft kompensieren.Bei 45° Schräglage nimmt er umcirca 41 % zu. Der Einfachheit halbersoll angenommen werden, daßdie Kurve nur mit Gewichtsverlagerunggeflogen wird. Da sichdabei offensichtlich die aerodynamischeQualität des Gleitschirms gegenüberdem Geradeausflug nichtverändert hat, kann dieser zusätzlichnötige Auftrieb nur erzeugt werden,indem die Fluggeschwindigkeit zunimmt.Und weil der Schirm beiunserer theoretischen Betrachtungin keiner Weise deformiert wird,bleibt die Gleitzahl gleich. Dies heißtim Klartext, Vorwärts- und Sinkgeschwindigkeitnehmen gleichermaßenzu. Grafik 1c zeigt, daß beispielsweisebei gut 40° Schräglagedas Sinken im Trimmflug von 1,3 auf1,5 m/s zunimmt.SteilspiraleWenn man eine erheblich steilereKurve fliegt und allmählich in dieDie Strömungsvorgänge in der Steilspirale sindrecht kompliziert. In einer stationären Spiralebefindet sich der Pilot mit dem Schirm in einerschiefen Ebene, die um eine senkrechte Achsedreht. Diese Ebene ist nach vorne geneigt undzum Drehpunkt geneigt.Pilot und Schirmkappe bewegen sich auf Schraubenlinienabwärts. Deutlich sichtbar: Der Pilotmuß bei jeder Umdrehung einen erheblich längerenWeg zurücklegen als der Schirm.Spirale übergeht, sind die vereinfachtenBetrachtungen aus Abbildung1b nicht mehr gültig. DerSchirm „geht auf die Nase“, Geschwindigkeitund Belastung nehmenzu. Die Kurve wird zu einer engenSpirale. Pilot und Schirmkappebefinden sich nicht mehr in einersenkrechten, sondern in einer schie-Abb. 2afen Ebene (siehe Abbildung 2a).Eine Berechnung dieses Flugzustandsder Steilspirale ist zwar möglich,aber sehr aufwendig. Darumkann sie hier nur angedeutet werden.Wie in Abbildung 2b zu sehen ist,schraubt sich der Schirm sehr steilnach unten, während der Pilot eineviel weitere und flachere Schraubenliniebeschreibt. Man kann sichdas anhand einer Wendeltreppe besservorstellen. Das innere Geländerist sehr steil, das äußere flacher. Solldieser Flugzustand analysiert werden,erkennt man rasch, daß dieLuftwiderstände nicht alle zusammengefaßtwerden können. DerLuftwiderstand zeigt seiner Definitiongemäß immer gegen die Flugrichtung.Weil der Pilot sich auf einerflacheren Bahn bewegt als derSchirm, hat sein Widerstand aucheine andere Richtung (AbbildungAbb. 2cMomentaufnahme der Spirale: Der Strömungswiderstandist immer gegen die Bewegunggerichtet. Weil sich der Pilot auf einer flacherenBahn als die Schirmkappe abwärts schraubt,schließt sein Widerstand einen kleineren Winkelmit der Horizontalen ein. Bei der Widerstandsberechnungmüssen die unterschiedlichen Geschwindigkeitenund Richtungen von Pilot undSchirm beachtet werden. Gleiches gilt genaugenommenfür jede einzelne Leine.A38 5-04 gleitschirm-magazin.com

A erodynamik SteilspiraleAbb. 2dMaschine MenschDie Steilspirale stellt nicht nur für die Ausrüstung eine große Belastung dar, sondernauch für den Piloten. Betrachtet man ganz nüchtern den menschlichen Organismusals Biomaschine, wird klar, warum das so ist. Normalerweise muß das Herz beimerwachsenen Menschen, wenn er sitzt oder steht, das Blut etwa 40 cm zum Gehirnhinaufpumpen. Wirkt wie in einer satten Spirale die dreifache Last (3 G) auf denKörper ein, ist es so, als ob das Herz das Blut 120 cm hinaufpumpen müßte (sieheAbbildung). Darum wird die Steilspirale als anstrengend empfunden, selbst wenn derPilot dabei von außen betrachtet keinerlei anstrengende Bewegungen ausführt. Hiergibt es allerdings einen kleinen Trick, den jeder fortgeschrittene Pilot selbst ausprobierenkann. Spiralt man aufrecht sitzend über mindestens eine halbe Minute, erlebtman die Beschleunigung viel intensiver. Man spürt, wie die Beine anschwellen undselbst das Atmen mit der Zeit anstrengend wird. Legt man sich dagegen möglichst liegendins Gurtzeug, verkraftet man markant mehr. Die Pumphöhe, die das Herz zubewältigen hat, ist dann nämlich viel geringer. Wer das ausprobieren möchte, solltevorsichtig ans Werk gehen. In der Liegeposition ist das Steuergefühl schlechter unddie Twistgefahr größer. Zu den ebengenannten Kreislaufbelastungen kommt noch, daßdas möglicherweise unterversorgte Gehirn mit den massiven Reizen derSinneseindrücke - Sehen der rotierenden Landschaft und Reizen vom hochbelastetenGleichgewichtsorgan - nicht mehr fertig wird. KeinWunder also, daß bei derartigen BeschleunigungenDenk- und Urteilsvermögen des Piloten stark getrübtsind. Und natürlich: Der Mensch ist keine Maschine,die jeden Tag gleich funktioniert. Nur wer sich hundertprozentigfit fühlt, sollte härtere Spiralen fliegen.Das sonntägliche Katerfliegen nach einer durchfeiertenNacht eignet sich sicher nicht für derartigeExperimente.Extreme Steilspirale (Spiralsturz, sehr vereinfachtbetrachtet): Der Auftrieb steht etwa mit derZentrifugalkraft im Gleichgewicht, das Gewichtmit den WiderständenBeim Stehen oder Sitzen muß das Herz normalerweise dasBlut etwa 40 cm zum Gehirn hinauf pumpen. Fliegt man eine3-G-Spirale aufrecht, ist es so, als müßte das Herz 120 cmüberwinden. Schafft der Kreislauf dies nicht, kann es zu einerUnterversorgung des Gehirns kommen (Schwindel, Greyout,Blackout). Nimmt der Pilot in der Spirale eine Liegepositionein, kann die Pumphöhe verringert werden. Die Belastungwird nicht so extrem empfunden.2c). Der Auftrieb zeigt nach Vereinbarungder Aerodynamiker immersenkrecht zur Anströmungsrichtung.Im Fall der Steilspirale zeigt erschräg aufwärts etwa zur Mitte derDrehachse. Für eine stationäre, dasheißt gleichförmige Steilspirale müssensich alle Kräfte gegenseitig aufheben.Als Beispiel soll das Kräftegleichgewichteiner extremen Spiralein vertikaler Richtung näher betrachtetwerden (Abbildung 2d). Abwärtszeigt nur das Gewicht. Aufwärts dagegenzeigt ein kleiner Anteil desAuftriebs, ein Anteil des Widerstandsder Schirmkappe und ein Anteildes Pilotenwiderstands. Zwischendiesen vier Kräften mußGleichgewicht herrschen. Man siehtsofort, daß das mit erheblichemAufwand verbunden ist, obwohl vielesvereinfacht worden ist. So wurdebeispielsweise der Leinenwiderstandvernachlässigt. Außerdem ist nichtberücksichtigt, daß der Vergleich mitder Wendeltreppe auch auf dieSchirmkappe allein übertragen werdenmuß: Der Innenflügel hat einengrößeren Anstellwinkel als der Außenflügelund erzeugt daher auchmehr Auftrieb. Wir wissen das ausdem Flugalltag. Bei vielen Gleitschirmenwird in der Steilspirale derAußenflügel weich. Das kann sogarso weit gehen, daß die äußerenZellen einklappen oder schlagen,weil der Nullauftriebswinkel örtlichunterschritten wird, wenn die Außenseitenicht angebremst wird. Dieseasymmetrische Auftriebsverteilunghat weitreichende Folgen. Manmuß bedenken, daß beispielsweisebei 3 G Last einzelne Leinen oderBahnen des Schirms weit mehr aushaltenmüssen als das Dreifache dernormalen Belastung im Trimmflug.Nach Überschlagsrechnungen kanndie örtliche Last etwa doppelt sogroß wie die mittlere werden.Konkrete Meßergebnisse ausVersuchsflügen sind uns nichtbekannt, aber man darf davon ausgehen,daß die A- und B-Leinen auf derKurveninnenseite einer Spirale mehrereZentimeter gedehnt werden.Steilspirale extrem -SpiralsturzBis zu einem Sinkwert von maximal14 m/s gilt eine Steilspirale noch als„akzeptables Flugmanöver“ - darüberhinaus schon eher als „Extremflugzustand“.Ein Pilot, der den Steuerleinenzugdurch gezielte Gewichtsverlagerungunterstützt, kann Sinkwerte über 20m/s erzielen und sich so „das Gehirnwegspiralen“, wie manche Pilotendas entsprechende Fluggefühl be-Das Schleudertrauma des AutorsIm vergangenen Frühjahr mußte ichwegen eines vereinbarten Termins einenherrlichen Flug gewaltsam abbrechen.Mehr als 2.000 Höhenmeter galt es soschnell wie möglich in thermisch brodelnderLuft zu vernichten, was ich indrei Etappen erledigte. Ich spiralte nurmehr wenige hundert Meter überSchruns, als ich ein Rascheln vernahm.Reflexartig hob ich rasch den Kopf, umnachzusehen, was die Kappe für Formenannahm. Ich dachte nicht daran, daßKopf und Helm das dreifache Gewichthatten und in den Nacken peitschten.Das schmerzhafte „Schleudertrauma“,wie ein ehemaliger Zivikollege undSanitäter diagnostizierte, erinnerte michnoch mehrere Tage lang an meinenKontrollblick. Peter Bruggmüllergleitschirm-magazin.com5-0439

schreiben. Für derart extreme Steilspiralenhat Otto Voigt in seinemempfehlenswerten Buch „Aerodynamikund Flugmechanik des Gleitschirms“(erhältlich im GLEIT-SCHIRM-Leserservice) den treffendenAusdruck „Spiralsturz“ vorgeschlagen.Die Kurvenradien werdenextrem eng, die Schirmkappe drehtfast auf der Stelle. Aerodynamisch istdas Kräftegleichgewicht in diesemZustand - wiederum mit einigen Vereinfachungen- leichter zu fassen alseine gewöhnliche Steilspirale. ImSpiralsturz zeigt die Schirmnase fastgerade zum Boden. Wie in Abbildung2d dargestellt, muß der Auftrieb(fast) waagrecht zur Drehachse zeigen,der Widerstand der Schirmkappe(fast) senkrecht nach oben, derPilotenwiderstand wie immer gegendie momentane Bewegungsrichtungdes Piloten. Grob vereinfacht kannman für diesen Flugzustand zusammenfassen:Die Zentrifugalkraftzieht gegen die Auftriebskraft. Unddie senkrechten Anteile aller Luftwiderständestehen im Gleichgewichtmit der Gewichtskraft. Daserinnert stark an eine Konfiguration,wie sie im Downplane vorliegt.Darum kann man zwei Erkenntnisseder Downplanekonfiguration übernehmen(siehe GLEITSCHIRM11/12 2003, ab Seite 36).• Die maximale erzielbare Sinkgeschwindigkeitfür die Steilspirale läßtsich errechnen: Für einen aktuellenIntermediate mit 10 m/s (36 km/h)Trimmgeschwindigkeit und Gleitzahl8 erhält man theoretisch ein maximalerreichbares Sinken von 28,3 m/s.Schneller geht es nicht. Dieser Wertdarf noch etwa 10 % abgerundet werden,weil die vom Trimmflug übernommeneGleitzahl durch die Auftriebsverteilung,die stark von deridealen, elliptischen Verteilung abweicht,und den größeren Widerstandvon Pilot und Leinen aufgrundihrer höheren Bahngeschwindigkeitzu optimistisch geschätzt ist. In derPraxis ist also bei etwa 25 m/sSchluß. Die Berechnungsformel verrätauch: Wer schneller absteigenwill, kann mit einem schnelleren, leistungsstärkerenSchirm oder höhererFlächenbelastung nachhelfen.• Die zweite Erkenntnis besteht darin,daß die maximale Belastung überdie Gleitzahl abgeschätzt werdenkann mit n

A erodynamik SteilspiraleKonstruktionsparameter Krümmung und Pfeilung:Faktoren für die Neigung zur stabilen Steilspiralegewöhnlichen Steilspirale, aber dieBelastung der Leinen und der offenenKappe sehr viel größer ist. Dennbei angelegten Ohren müssen wenigerLeinen die gesamte Belastungaufnehmen. Daher sollten sich nurPiloten an dieses Manöver wagen,die mit einem akrotauglichen Gerätunterwegs sind.Stabile SteilspiraleBei den meisten Schirmen reicht esaus, die Steuerleine zu lösen, umeine gewöhnliche Steilspirale (Sinkenunter 15 m/s) zu beenden. MancheSchirme weisen die gefährlicheTendenz auf, in der Spirale zu bleibenoder sich noch steiler hineinzufressen.In erster Linie beeinflußt dieKombination aus Flügelprofil, Flächenkrümmungund Pfeilung diesesVerhalten. Unseren Beobachtungenzufolge neigen insbesondere starkpositiv gepfeilte Schirme, derenFläche zudem über die ganze Spannweitegleichmäßig stark gekrümmtist, am ehesten zur stabilen Spirale.Schirme mit stark heruntergezogenenOhren, wie es bei zahlreichenSchulschirmen zu beobachten ist,gehören dagegen nicht in die Gruppeder Kappen mit „gleichmäßig starkgekrümmter“ Fläche.Zudem hat das Flügelprofil einensehr wesentlichen Einfluß auf dasVerhalten in der Spirale. Der Druckpunkteines Flügelprofils hängt imallgemeinen vom Anstellwinkel undvon der Klappen- beziehungsweiseBremsstellung ab. Je stärker einProfil gekrümmt oder angebremst ist,desto größer ist die Wanderbewegungdes Druckpunktes bei verschiedenenAnstellwinkeln. Will man Berechnungenzur Steilspirale durchführen,muß man unbedingt die Verwindungdes Flügels aufgrund derasymmetrischen Auftriebsverteilungund die Stellung der Bremsleinenberücksichtigen. Da praktisch jedeZelle mit anderer Geschwindigkeit,anderem Profil und anderem Anstellwinkelfliegt, ist eine genaue Analyseentsprechend aufwendig. Simple allgemeingültigeAussagen sind nichtmöglich. Die meisten Konstrukteurewissen sehr wohl, ab wann eine gefährlicheNeigung zur stabilen Steilspiraleauftritt, geben solche Konstruktionsgeheimnisseaber nichtunbedingt an die Öffentlichkeit weiter.Offenbar hat das Pilotenverhalten,neben dem Einsatz der Steuerleinen,also auch bewußte und unbewußteGewichtsverlagerungen, einen ebensogroßen Einfluß wie die technischenParameter des Schirms selbst.Im Jahr 1999, bei einem Sicherheitstrainingam Luganer See, schlug einePilotin mit einem sehr gutmütigenSchirm nach einer stabilen Spiralehart ins Wasser. Nur die äußerstenzwei Zellen hatten sich zuvor beieinem simulierten Klapper verhängt.Dieser Zwischenfall hätte vermutlichallein mit Gewichtsverlagerung vermiedenwerden können. Eine Steilspiralesollte immer aktiv ausgeleitetwerden - sowohl mittels der Bremsleinenals auch durch Gewichtsverlagerung.In aller KürzeWurde die Steilspirale anfangs ehernur zum Spaß geflogen, gilt sie heuteals die mit Abstand wirksamsteAbstiegsmethode. Es ist nicht besondersschwer, Sinkwerte bis 20m/s zu erzielen. Die Belastungen fürPilot und Gleitschirm werden dabeisehr hoch. Es muß im eigenen Interesseselbstverständlich sein, dieFlugtauglichkeit der Ausrüstung regelmäßigzu prüfen. Beim Spiralenerreichbare Sinkgeschwindigkeitenund Belastungen wachsen mit derLeistung des Schirms. In Liegepositionlassen sich die enormen physischenBelastungen leichter ertragen.Gewichtsverlagern beeinflußt dasKurven- und Spiralenfliegen enorm.Daher sollte sich jeder Pilot durchständige Selbstbeobachtung bewußtmachen, wann und wie er seinGewicht im Kurvenflug einsetzt. Anfängernsei empfohlen, sich an extremesSpiralen nur unter Anleitungvon Fluglehrern heranzutasten.Konstruktionsmerkmale vonGleitschirmenIn diesem Beitrag wurde der Einflußeiniger grundsätzlicher Konstruktionsmerkmalevon Gleitschirmkappen aufihr Kurvenverhalten angesprochen.Eine Zusammenfassung aller Konstruktionsmerkmalevon Gleitschirmenist in den GLEITSCHIRM-Ausgaben4/2001 und 5/2001 nachzulesen.Die Beiträge sind auch aufwww.gleitschirm-magazin.com imBereich Tests und Geräte unter demTitel „Warum ist mein Gleitschirmkrumm?“ zum kostenlosen Downloadim PDF-Format erhältlich.Foto: Thomas Ulrichgleitschirm-magazin.com5-0441