Position eines Freiflugmodells in einer turbulenten Atmosphäre

Diese Überlegungen sind das Ergebnis von Beobachtungen zum Verhalten von Hangseglern während der Modellbau-Camps in Verbier (1944–1950) bis heute. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Modelle aus Verbier nicht über eine Kompasssteuerung verfügten. Dagegen hatten wir Modelle entwickelt, die dank einer optimalen Verteilung der Seitenflächen und der hohen Position des in der Nase des Flugzeugs platzierten Ballasts (Blei) eine ausgezeichnete Flugstabilität in unruhiger Atmosphäre aufwiesen.

Die jüngsten Beobachtungen fanden an der Schweizer Meisterschaft 2020 in Wikartswil (BE), am Regionalwettbewerb in Hottwil am 12. September 2021 und vor allem am 11. September 2022 beim Auswahlwettbewerb der Nationalmannschaft in Gansingen statt. An diesem Tag war es sehr heiß, und am Vortag hatte es geregnet. Bei jedem Flug wechselten sich ziemlich abrupte Auf- und Abwinde ab. Vier Teilnehmer erreichten insgesamt 500 Punkte (3 Flüge à 240 s und 2 à 300 s). Die Flüge waren spektakulär, da die Modelle auf sehr geringe Höhe abtauchten, bevor oder nachdem sie auf über 50 m über dem Startpunkt gestiegen waren. Und mehrmals wurden die Modelle 20 bis 30 Sekunden lang um 20–25° nach oben gerissen.

Erst 2021 wurde mir bewusst, dass wir dieses Phänomen noch nie besprochen hatten. Tatsächlich klammerten wir uns an die Ferngläser, und jeder Teilnehmer beeilte sich, sein Modell für den nächsten Flug zu holen. Aber dieses Mal war ich kein Teilnehmer. Warum erwähne ich die Hangflugmodelle (F1E)?

Die Flachlandmodelle (F1A, B, C) fliegen über uns hinweg und kreisen. Vom Boden aus fällt eine ungewöhnliche Fluglage kaum auf.

Die Hangflugmodelle starten auf unserer Höhe und entfernen sich, um dann höher und vor allem tiefer als wir zu beobachten zu sein. Außerdem verläuft zumindest ein großer Teil des Fluges geradlinig. So lässt sich ihr Verhalten in unruhiger Atmosphäre beobachten.

Grundsätzlich fliegt ein Modell leicht nach unten geneigt (~7 %). In der Thermik sollte es diese Position beibehalten, ebenso wie im Sinkflug.

Manchmal lässt sich jedoch beobachten, dass das Modell in Aufwinden für einige Dutzend Sekunden stabil nach oben steigt (Abb. 1) und in Abwinden nach unten taucht. Beim Hangflug sieht man, wenn das Modell in einen Abwind gerät, von hinten, wie es um ca. 20° nach unten taucht,

manchmal parallel zum Hang (Abb. 2), ohne diesen jedoch jemals zu berühren.

Aufwind ist eine vertikale Strömung von unten nach oben. Tatsächlich handelt es sich um eine Luftblase, die einige Minuten lang aufsteigt (nicht lange – wenn man direkt nach einem Maximum von 300 s startet, fliegt man wahrscheinlich weniger als 120 s). Der Aufwind hört auf, wenn die erwärmte Luft durch kühlere Luft ersetzt wurde. Er setzt wieder ein, wenn der geeignete Boden (z. B. trocken, dunkel), der einige Minuten lang Sonnenwärme gespeichert hat, die Luft erneut erwärmt.

Die Abwinde ersetzen das aufsteigende, erwärmte Luftvolumen durch kühlere Luft.

Das Modell, das in die Abwärtsströmung eindringt, durchquert einen (oder

eine Abfolge mehrerer) Wirbel und ist einem Sinkmoment ausgesetzt.

Erstaunlich ist, dass der beobachtete Sturzflug in der Regel 10–20 s dauert und das Modell dabei stark an Höhe verliert.

Gäbe es kein Wirbelnetz, wäre das Modell nur etwa 0,25 s lang einem Sinkmoment ausgesetzt, nämlich dann, wenn der Flügel und anschließend das Leitwerk in die Abwärtsströmung eintreten. In diesem Fall müsste das Segelflugzeug sofort wieder seinen normalen Gleitwinkel erreichen.

Der Sturzflug ist nichts Besonderes. Jedes Flugzeug ist im Sturzflug stabil, geht aber ins Trudeln, wenn es sich nach oben neigt.

Im normalen Gleitflug sorgt die Geschwindigkeit für den Auftrieb der Tragflächen,

entspricht dem Gewicht des Segelflugzeugs. Der Luftwiderstand „verbraucht“ Höhe. Ein Segelflugzeug mit einem Gleitzahl von 15 verliert 1 m Höhe, um 15 m voranzukommen. In einem Aufwind hebt das Modell die Nase, ohne in eine Pumpbewegung zu geraten, was im Geradeausflug überrascht (Abb. 2). Natürlich zieht ein Modell in der Kurve, das beim Einfliegen in die Pumpbewegung durchgeschüttelt wird, seine Kurve enger.

Die Neigung der Ferngläser der Teilnehmer und Zeitnehmer beträgt mindestens 20° über einen Zeitraum von mehr als 20 Sekunden. Wie kann der Segelflieger bei einem solchen Winkel weiter steigen, ohne abzusacken? Der in Steigflug befindliche Segelflieger fliegt also weiterhin mit ~5 m/s. Würde die Geschwindigkeit des Segelfliegers abnehmen, würde der Auftrieb nachlassen und der Segelflieger würde absacken.

Wir starten von einer Lichtung im Westen. Der Ostwind weht mit einer Geschwindigkeit von ~7 m/s. Wir müssen etwas schneller fliegen, um auf der Ebene landen zu können. Es sind viele Maxi-Modelle (300er) unterwegs.

Für ein Modell, das genau gegen den Wind fliegt, ist alles normal. Mein Modell driftet leicht nach Steuerbord ab. Was jedoch nicht normal ist, ist seine konstante Neigung nach Steuerbord. Es verliert an Thermik, und ich suche zu lange nach ihm, um weitere Flüge zu absolvieren. Anschließend beobachte ich weitere Flüge und stelle fest, dass auch die anderen Modelle, die nach Steuerbord abdriften, eine Neigung aufweisen. Diese Neigung kann bis zu ~20° betragen. Die Modelle sind in dieser Position sehr stabil.

Bei dieser Neigung verringert sich die Tragfläche auf 94 %. Ein auf 8,0 m/s eingestelltes Modell beschleunigt auf ~8,25 m/s. Ist das Seitenruder ausgeschlagen? Warum diese Neigung?

Ich kann mich nicht daran erinnern, dieses Phänomen jemals anderswo beobachtet zu haben als 2020 in Winkartswil am Westhang bei der Schweizer Meisterschaft. Der Wind wehte aus Nordosten. Die Modelle, die

und nach Süden abdrifteten, flogen über einen Wald hinweg. Meistens in einer Höhe von 20–40 m über den Bäumen.

Die Modelle, die genau gegen den Wind flogen, bewegten sich senkrecht zu den Wirbeln, die durch die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den verschiedenen Luftschichten entstanden, und wurden daher nicht beeinflusst. Die Luftschichten weit über dem Wald hatten eine Geschwindigkeit von ~7 m/s.

Unsere Modelle haben eine starke Flügelv-Form, ~10 % der Spannweite. Neigt sich das Modell um 11,3°, vergrößert sich die Projektion der Fläche des tiefer liegenden Flügels um ~6 % und die des höher liegenden Flügels verringert sich um ~7,7 %. Es ist daher ein gewisses Drehmoment erforderlich, um das Modell in dieser Neigung stabil zu halten.

Ich sehe keine andere Erklärung als die asymmetrische Einwirkung von Wirbeln auf das Modell.

Nehmen wir ein Modell mit Steuerbord-Versatz. Seine programmierte Flugbahn bildet einen bestimmten Winkel zur Windrichtung. Die Wirbel stehen praktisch senkrecht zur Windrichtung. Jeder Wirbel „greift“ zunächst die Unterseite des Backbordflügels an (vor allem die Flügelkante bei einem Modell mit mehreren Flügelwinkel) und dann ~0,07 s später die Oberseite des Steuerbordflügels (bei einer Abweichung der Flugbahn von der momentanen Windrichtung). Die starken Turbulenzen und die Energie des Wirbels erhöhen den Auftrieb des Backbordflügelansatzes und verringern den des Steuerbordflügelansatzes (bzw. zuerst den des Backbordflügels und dann den des Steuerbordflügels bei einem einfachen V-Flügel) und halten die Neigung des Segelflugzeugs nahezu konstant. Es könnte jedoch eine einfachere Erklärung geben. Der Hang, der den dynamischen Auftrieb verursacht, ist keine schräge Fläche, auf die der Wind in Richtung ihrer stärksten Neigung trifft. Abb. 4 zeigt das Segelflugzeug, das entsprechend der Form des Hügels geneigt ist.

Zwischen zwei Luftströmen bilden sich Wirbel

in entgegengesetzte Richtungen oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Je größer der Geschwindigkeitsunterschied ist, desto stärker sind die Wirbel. Der Wirbel ist ein rotierender Zylinder, dessen Radius umso größer ist, je höher der Geschwindigkeitsunterschied ist. Die Achse der Wirbel verläuft senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Drehrichtung der Wirbel wird durch die Richtung der beiden Strömungen bestimmt.

Zunächst nehmen wir an, dass beide Strömungen vertikal sind, was bei schwachem Wind der Fall ist. Aufwind und Abwind sind also vertikale Strömungen.

Es gibt jedoch auch horizontale oder schräge Strömungen, wenn „Ersatzluft“ angesaugt wird.

„Es ist die Asymmetrie, die dieses Phänomen hervorruft1.“

Nehmen wir eine horizontale Fläche mit einem Durchmesser von 20 m an, die gleichmäßig bestrahlt wird. Es weht kein Wind. Die thermische Blase wird eine „Wurst“ mit einem Durchmesser von 20 m sein, die sich unter Beibehaltung ihrer Form nach oben erhebt. Die Wirbel werden horizontale Ringe mit einem Durchmesser von 20 m sein.

In Wirklichkeit gibt es Wind, der unregelmäßig ist, da die thermischen Bewegungen diskontinuierlich sind.

Die Sonneneinstrahlung hängt von der Beschaffenheit des Bodens ab. Daher sind die Wirbel diskontinuierlich und nicht

unbedingt horizontal sein. Kommen wir nun zu den dynamischen Wirbeln bei relativ gleichmäßigem Wind. Um horizontale Wirbel zu erhalten, bräuchte man einen flachen Hang, der in einem gut abgerundeten, horizontalen Gipfel endet, wobei der Hang genau in Windrichtung ausgerichtet sein müsste. Außerdem müsste die Bodenbeschaffenheit homogen sein.

Tatsächlich haben wir hier einen Hügel, dessen Oberfläche zum Teil aus Weideland und zum Rest aus Wald besteht.

Die Wirbel sind diskontinuierlich und können eine gewisse Neigung aufweisen.

Diese Beobachtungen betreffen grundsätzlich nur Modellflugzeuge, die relativ nah am Boden fliegen, und zwar in unebenem Gelände, bei starkem Wind oder bei thermischer Aktivität. Gelände mit geringem Gefälle dürfte solchen Einflüssen nicht ausgesetzt sein. Andere Kategorien von Modellflugzeugen oder Luftfahrzeugen sind davon nicht betroffen.

Sollten diese Zeilen jedoch zufällig von einem Aerologen oder einem anderen Aerodynamiker gelesen werden, also von jemandem, der sich mit atmosphärischen Luftströmungen auskennt, wären seine Kommentare willkommen.

Maurice Bodmer