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De/Segelflug

From FlightGear wiki
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Bocian being towed by a Piper J3 Cub.

Segelfliegen ist eine Freizeitaktivität und ein wettbewerbsfähiger Luftsport in welchem die Piloten unmotorisierte Flugzeuge fliegen (Segelflugzeuge oder Gleiter), indem sie natürlich vorkommende aufsteigende Luftströmungen nutzen, um in der Luft zu bleiben.

In einem weiteren Sinne beschreibt dieser Artikel, wie man Segelflugzeuge, Motorsegler, Hängegleiter und Gleitschirme fliegt, wie man unmotorisierte Flüge plant, wie man das Wetter angemesen einstellt, wie man Segelflugzeuge startet, und wie man aufsteigende Luftmassen ausnutzt.

BemerkungIn den meisten Fällen werden beim Segelflug metrische Einheiten verwendet: Flughöhe in Metern und Geschwindigkeit in m/s bzw. km/h - In diesem Artikel folgen wir dieser Konvention.

Grundlagen des Segelflugs

Jedes Flugzeug muss bei einem Flug mit konstanter Geschwindigkeit den Luftwiderstand mit Vortrieb und die Schwerkraft mit Auftrieb ausgleichen. Gewöhnlich stellt das Triebwerk die erforderliche Energie zur Verfügung. Ein Segelflugzeug dagegen nutzt seine Flughöhe (bzw. potentielle Energie) um Luftwiderstand und Gravitation zu überwinden. Also kann ein Segelflugzeug aus einer bestimmten Höhe nur eine gewisse Strecke weit gleiten. Das Gleitverhältnis/Gleitzahl gibt an, wie weit ein Segelflugzeug aus einer bestimmten Höhe kommt. Ein Hochleistungsflugzeug z.B. mit einem Gleitverhältnis von 1:50 (Gleitzahl 50) kann aus 1 m Höhe 50 m weit gleiten.

Die Gleitzahl ist keine feste Größe, sondern hängt von der Fluggeschwindigkeit ab. Jedes Segelflugzeug hat eine bestimmte Geschwindigkeit, wo die Gleitzahl maximal ist (gewöhnlich liegt diese Geschwindigkeit zwischen 90 und 120 km/h). Wenn das Flugzeug schneller fliegt, vergrößert sich die Sinkrate. Wenn man langsamer fliegt, verringert sich zwar die Sinkrate, da jedoch die Geschwindigkeit sich auch verringert, liegt die Gleitzahl dennoch unter dem Optimum. In unbewegter Luft muss ein Segelflugzeug mit der Geschwindigkeit für bestes Gleiten geflogen werden, um optimale Flugleistungen zu erzielen.

Der Einfluss des Windes

Wind hat einen entscheidenen Einfluss auf die Gleitzahl, die erreicht werden kann. Normalerweise möchte ein Segelflugpilot wissen, ob er einen bestimmten Punkt am Boden erreichen kann und in welcher Höhe (Flugplatz zum Landen, Gebirgspass zum überqueren, ...). Angenommen wir haben aktuell eine Flughöhe von 1000 m und eine maximale Gleitzahl von 1:40 bei 110 km/h - d.h. wir erreichen bei Windstille einen Flugplatz in 40 km Entfernung. Bei einem Gegenwind von 40 km/h beträgt unsere Geschwindigkeit über Grund nur noch 70 km/h, und daher wird die wirksame Gleitzahl um 70/110 auf ungefähr 1:25 reduziert, obwohl wir mit der Geschwindigkeit für bestes Gleiten fliegen.

Das kann dramatische Einflüsse auf Hängegleiter haben, die mit deutlich geringeren Geschwindigkeiten fliegen: Ein Hängegleiter, der mit 35 km/h gegen 35 km/h Gegenwind fliegt, bleibt stationär über dem Boden und hat eine wirksame Gleitzahl von null - um voran zu kommen, muss er schneller fliegen. Für langsame Segler haben Windrichtung und -Stärke einen bedeutenden Einfluss auf jede Entscheidung, die getroffen wird.

Allgemein gilt, um die beste wirksame Gleitzahl zu erreichen, fliegt man gegen den Wind schneller als die Optimalgeschwindigkeit, und mit dem Wind langsamer als die Optimalgeschwindigkeit.

Einfluss von Auf- und Abwinden

Die Vertikalbewegung der Luft hat ebenfalls einen ausgeprägten Einfluss auf die wirksame Gleitzahl. Angenommen wir fliegen in einer mit 0,5 m/s aufsteigenden Luftmasse wieder mit 110 km/h. Das vergrößert die Gleitzahl um 1/0,5 auf 1:80, da wir eigentlich nur mit 0,5 m/s sinken. Es geht sogar noch besser: Wir verringern die Fluggeschwindigkeit auf 70 km/h um eine Sinkrate von 0,7 m/s zu erreichen. In ruhiger Luft würde dies einer Gleitzahl von 1:36 entsprechen, wäre also unklug. Aber in aufsteigender Luft sinken wir nur mit 0,2 m/s was einer Gleitzahl von 1:125 entspricht. In sinkender Luft passiert natürlich genau das Gegenteil.

Die daraus abgeleiteten Regeln sind: Fliege langsamer als die Optimalgeschwindigkeit in aufsteigender Luft, schneller in sinkender Luft. Falls die minimale Sinkrate gleich der Vertikalgeschwindigkeit der aufsteigenden Luft ist, verliert man überhaupt keine Höhe. Generell gilt: In jeder Luftmasse, die aufsteigt, muss das Segelflugzeug mit der Geschwindigkeit für geringstes Sinken geflogen werden (die immer niedriger ist als die Geschwindigkeit für bestes Gleiten), um den Höhengewinn zu maximieren. Dies vereinfacht auch das Fliegen enger Kreise in engen Aufwinden.

In der Praxis sind Wind und Auftrieb der Luft variabel, und man berechnet die Gleitzahl nicht, sondern schätzt sie aufgrund von Erfahrungswerten ab.

Die Ursachen der Aufwinde

Es gibt drei primäre Quellen für Aufwinde, die von Segelflugzeugen genutzt werden können: Thermik, Hangaufwinde, und atmosphärische Wellen. Prinzipiell sind alle drei in FlightGear verfügbar, wenn man das Detaillierte Wettersystem verwendet.

Thermische Aufwinde

Wenn genügend Sonneneinstrahlung herrscht, wird der Boden erwärmt, wodurch eine dünne bodennahe Luftschicht erwärmt wird. Da warme Luft leichter als kalte Luft ist, kann unter gewissen Umständen die Lage instabil werden und ein erwärmtes Luftpaket nach oben steigen, was einen Schlauch mit aufsteigender Luft schafft, eine Thermik (auf die genaueren meteorologischen Vorgänge einzugehen, würde hier zu weit führen). Da das Luftpaket aufsteigt, verliert es mit zunehmender Höhe Energie, es kühlt ab. Sobald es das Kondensationsniveau errreicht, bildet sich eine Cumuluswolke, die die Position der Thermik anzeigt.

Als Segelflugpilot kann man die Thermik nutzen, indem man darin kreist, und so Höhe gewinnt. Ein durchschnittlich guter Thermikschlauch (im Segelfliegerjargon auch Bart genannt) enthält mit etwa 2-4 m/s aufsteigende Luft. Jedoch gilt: Wo Luft aufsteigt, da muss sie auch wieder runter - Gewöhnlich sind thermische Aufwinde von sinkenden Luftmassen umgeben, und konvektive Bewegung der Luft erzeugt auch Turbulenz. Daher ist an thermisch guten Tagen die Luft häufig recht unruhig.

Obwohl der Thermikschlauch bis weit in die Wolke hineinreicht, steigt ein Segelflugzeug normalerweise nur bis zur Wolkenuntergrenze (Basis). In die Wolke hinein zu fliegen ist sehr gefährlich, denn die Sichtweite geht schlagartig auf null zurück, und man kann vollständig die Orientierung verlieren.

Cumulonimbuswolken sind in gewisser Weise Weiterentwicklungen von Cumuluswolken und sind charakteristisch für Gewitterstürme. Obwohl sie starke Aufwinde besitzen, sollten sie aus verschiedenen Gründen (starke Turbulenz, durch die das Flugzeug zerbrechen kann, Gefahr durch Hagel und Vereisung, Blitzschlag, ...) nicht für Segelflug genutzt werden.

Soaring thermals01.jpg Soaring thermals02.jpg

Hangaufwind

Trifft ein ausreichend starker Wind unter geeignetem Winkel auf ansteigendes Gelände, wird der Luftstrom nach oben hin abgelenkt und es wird ein aufsteigender Luftstrom an der windwärts gerichteten Seite des Hanges generiert. Jedoch zeigt der Luftstrom hinter dem Kamm nach unten ins Tal, wodurch auf der Leeseite des Hanges starkes Sinken auftritt. Für gute Hangflugbedingungen muss der Wind stärker als 10 kt sein und im Idealfall senkrecht zum Hang wehen. Stärkerer Wind erzeugt auch stärkeren Aufwind, macht aber die Flugplanung schwieriger (siehe oben).

Das Gebiet des Aufwindes ist häufig sehr nah am Boden, wodurch man gefährlich nahe an vielleicht unzugänglichem Gelände fliegen muss, um gute Aufwinde zu erhalten. Ridge lift01.jpg Ridge lift02.jpg

Atmosphärische Wellen

Bei starkem Wind, wenn die Luft hinter einer Bergkette absinkt, kann sie vom Boden "abprallen" und im Lee der Gebirgskette ein Muster von aufsteigenden und fallenden Wellen bilden (siehe dieses Bild). Diese Wellen bieten laminare Aufwinde fast ohne Turbulenz, welche sehr hoch reichen können - In Wellen wurde schon über 10 km Flughöhe errreicht.

Typischerweise bilden sich Wellen deutlich hinter einer ausgeprägten Gebirgskette bei Windstärken von 30 kt und mehr und wenn der Wind ungefähr senkrecht zur Bergkette steht. An der Untergrenze befindet sich ein sehr turbulenter "Rotor", und linsenförmige Lenticulariswolken zeigen häufig die Obergrenze der Welle an (Maximaler Aufwind herrscht vor der Lenticulariswolke).

Wellenaufwinde sind schwer zu finden, aber einfach zu fliegen: Das Aufwindgebiet ist sehr groß, es gibt keine Turbulenz, und man kann den Segler gegen den Wind fast stationär über Grund halten, während man entfernt von Boden und Wolken aufsteigt.

Einrichten eines Segelflugs

Mit einem Segelflugzeug ist es wichtig, einen festen Plan zu haben, was man vorhat, bevor man FlightGear startet, da einige wichtige Einstellungen in der Kommandozeile gemacht werden. Außerdem sollte man sich für einen Typ Aufwind entscheiden - Hangaufwind gibt es nur in bergigem Gelände, man muss es von der Startposition aus erreichen können; Thermik ist nachmittags am stärksten und nicht über offenem Wasser vorhanden.

Ein Segelflugzeug wählen

FlightGear hat einige Segelflugzeuge:

und dazu mit dem Scheibe "Falke" 25b und der Grob G 109 auch zwei Motorsegler.

Die Flugzeuge können von dieser Seite heruntergeladen werden.

Startposition

Nicht jedes Segelflugzeug kann von einer Startbahn aus gestartet werden, also braucht man eventuell einige Extra-Optionen in der Komandozeile. Eine Möglichkeit besteht darin, den Segler in der Luft zu starten, in dem man so etwas wie
--altitude=3000 --vc=70 --heading=180
hinzufügt. Das startet den Flieger auf 3000 ft MSL mit einer Geschwindigkeit von 70 kt und einem Kurs von 180 Grad.

Um dies in FGRun einzustellen, gehe zur letzten Seite, gehe zu Advanced -> Initial Position und gib in die Felder "Altitude", "Heading" und "Airspeed" die Werte 3000, 180 und 70 ein.

Hängegleiter und Paragleiter starten von Bergen, indem man einen Hang hinunter rennt, bis genug Auftrieb vorhanden ist. D.h. mann sollte das Gelände ein wenig kennen lernen um eine gute Startposition finden zu können. Eine typische Startposition könnte z.B.
--lon=-122.4942234 --lat=37.6980674 --heading=270 –on-ground
sein (Dies ist Half Moon Bay in der Standard-Szenerie bei San Francisco).


Startmethoden

Die meisten verfügbaren Segelflugzeuge müssen nicht in der Luft gestartet werden, sondern können wie inder Realität durch Winden- oder Flugzeugschlepp gestartet werden.

Windenstart

Windenstart ist möglich mit dem Bocian, der ASK21, der ASK-13 und der DG-101. Bei dem Bocian kan man mit einem Klick auf das Gelände die winde an einem beliebigen Punkt platzieren; bei den anderen wird die Winde mit Ctrl+W direkt vor dem Segelflugzeug platziert. Durch Drücken von w wird die Winde gestartet(bei der ASK13 gedrückt halten) und, oben angekommen kann das Seil mit W ausgeklinkt werden. Siehe auch das Menü Hilfe -> Flugzeug Hilfe für Details

Flugzeugschlepp

Für F-Schlepp gibt es zwei Methoden: KI oder Multiplayer-Pilot. Um F-Schlepp mit der KI durchzuführen, wähle entweder die ASK13, den Bocian oder die DG-101G, starte in KRHV und wähle das Szenario "KRHV_towing_demo" in der Liste in FGRun. Du solltest eine Piper J3 Cub sehen, die auf einem Taxiway in deine Richtung rollt und in der Nähe deines Segler anhält. Mit Ctrl+o klinkst du das Seil ein, und mit O klinkst du aus.

Für F-Schlepp im Multiplayer benötigst du natürlich einen anderen Piloten, der das Schleppflugzeug steuert - detaillierte Anweisungen gibt es in diesem Artikel (englisch).

Die DG-101G hat eine dritte Vaiante des F-Schlepps implementiert: einen Schlepp-Roboter, welcher mit D platziert und mit den gleichen Tasten wie der KI-Flugzeugschlepp eingeklinkt wird. Mit d startest du den Schlepp-Roboter.

Vom Boden aus

Die JSBSim version des airwaveXtreme wird gestartet, indem man einen steilen Hang hinunter läuft. Siehe auch die Dokumentation des Gleiters für Details.

In der Luft

Segelflugzeuge, die UIUC als FDM verwenden, können (noch) nicht via Winde oder F-Schlepp gestartet werden. Solche Segler müssen wie oben beschrieben in der Luft gestartet werden.

Das Wetter einstellen

Der nächste Schritt besteht darin, das Wetter entsprechend zu konfigurieren. In der Realität würde man sich das Wetter anschauen und basierend darauf entscheiden, was man heute mit dem Segelflugzeug unternimmt. In FlightGear kann man verschiedene Wetterlagen auswählen basierend darauf, was man mit dem Segler vorhat. Je nachdem, welches Wettermodell verwendet wird, sind die Schritte unterschiedlich.

Einfaches Wetter

Im Einfachen Wetter ("Basic Weather") kann man Thermik nutzen, aber diese muss individuell in einem Szenario definiert werden. Wie das gemacht wird, kann man am besten in der Datei $FG ROOT/AI/thermal_demo.xml sehen, welche 11 Thermiken und 6 Abwinde rund um die Bucht von San Francisco platziert. Der Artikel AI Systems behandelt Details über AI Szenarien im Allgemeinen. Beachte, dass Thermik und Abwinde, die durch Szenarien generiert werden, unabhängig vom Einfachen Wetter System existieren. Es kann also sein, dass Wolken nicht zur Thermik passen, oder dass sich die Thermik nicht mit dem Wind verlagert. Um dies zu vermeiden, kannst du die Wolken passend zur Thermik und den Wind in Übereinstimmung mit dem Wind im AI Szenario einstellen. Außerdem sehen Thermikwolken anders aus, als die Standard-Wolken. Für ein AI Szenario mit Thermik in den Österreichischen Alpen, siehe Pinzgauer Spaziergang.

Hangaufwind funktioniert gut im Einfachen Wetter. Typischerweise sollte der Wind für gute Habgflugbedingungen so eingestellt werden, dass er mit 10 - 20 kt senkrecht zum Hang weht. Wenn man das Interface im Dialogfenster verwendet, ist es wichtig, nicht nur die "Aloft winds" entsprechend einzustellen, sondern auch den "Boundary layer". Das sorgt für eine schwierige Landung, da der Wind dann auch in Bodennhähe im Tal mit voller Stärke weht, aber da Hangaufwind ein Bodennähe am stärksten ist, fliegt ein Segler im Hangaufwind fast ständig in der Zone des Boundary layer. Falls man also die Windstärke dort reduziert, um leicht im Tal landen zu können, gibt es auch keinen Hangaufwind mehr.

Detailliertes Wetter

Das Detaillierte Wetter (seit FlightGear 2.6) kann automatisch Thermik generieren, zusammen mit passenden Quellwolken. Dafür muss die Option "Generate Thermals" aktiviert sein. Der Schieberegler "Thermal properties" stellt das Verhalten der Thermik ein: "low convection" gneriert wenig Turbulenz, Thermiken mit großem Radius, und recht schwachem Aufwind, "rough day" generiert starke Aufwinde und Turbulenz in enger Thermik

Das Detaillierte Wetter liefert ziemlich realistische Ergebnisse:

  • Die Anzahl der Thermiken ist mittags am größten, und die Stärke ist am frühen Nachmittag am größten.
  • Die Wahrscheinlichkeit Thermik zu finden, hängt vom Terrain ab - höher gelegene Punkte und Oberflächen, die sich gut aufheizen bilden bessere Thermik als Eis oder offene Wasserflächen
  • Nicht jede Wilke führt Thermik mit sich, nicht jede Thermik ist nutzbar
  • Manchmal wird sog. Blauthermik generiert - d.h. ohne Entwicklung von Cumuluswolken.

Infolgedessen findet man so gut wie nie gute Segelflugbedingungen am frühen Morgen oder starke Thermik über dem Meer. Jede Hochdruck Situation wird zumindest einige Quellwolken generieren, Tiefdruckgebiete fürgewöhnlich nicht.

Um Hangaufwind zu erzeugen, wähle als Windmodell "constant", und stelle den Wind so ein, dass er mit 10 - 20 kt senkrecht zum Hang weht. Das Wettersystem berechnet den Boundary layer automatisch in Bezug zum Gelände, also gibt es eine realistische Verringerung der Windgeschwindigkeit im Tal, jedoch nicht am Berghang.

Detailliertes Wetter hat ein funktionierendes Modell für atmosphärische Wellen, aber bisher keine Möglichkeit festzustellen, unter welchen Umständen Leewellen entstehen, daher ist etwas Nasal-coding erforderlich, wenn man es verwenden will.

Die Theorie lernen

Für diejenigen, die gerne mehr über Segelflug im Allgemeinen erfahren wollen, ist das FAA glider handbook (engl.) und die Segelflug-Betriebs-Ordnung (pdf) zu empfehlen.

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