Das Mysterium „Angle of Attack“

Die Theorie

What’s it keepin‘ us in the air? It’s airspeed, fuel, lots of care. Are we missing one of those, „goes it all into the hose!“

Einige Gedanken sind mir durch den Kopf gezogen betreffend dieses „keeping us in the air“. Wer die teilweise scharf formulierten Artikel des Autors verinnnerlicht hat weiss dass dieser ein starker Verfechter von basic flying ist. Die Unfälle der letzten Jahre haben mich in meiner Meinung bestärkt. Gehen wir Schritt für Schritt voran, was denn dieses basic flying beinhalten soll.

Jeder Pilot, der etwas von sich hält, hat schon mal vom Schlagwort „pitch/power“-Verhältnis gehört. Lustigerweise verhält sich das bei genauerem Nachhaken wie die Meinungen zur richtigen Covid Strategie: Etwas hilflos, rumeiernd und nebulös.

Dabei ist die Physik eindeutig. Klar, erbarmungslos und bei Ignoranz den Ahnungslosen mit seinem eigenen elendiglichen Flugvehikel erschlagend. Damit ein Flugi fliegt, brauchen wir zuerst und vordringlichst: Ja was denn? Yesssss, korrekt, bingo, bullseye: ENERGIE!!!! Woher die kommt, ist komplett wurscht. Ich kenne drei Arten, mit welchen wir Piloten jonglieren können und müssen: Kinetische, potentielle und thermische Energie. Dabei nutzen wir die Möglichkeiten gemäss dem Prinzip des türkischen Basars: Wir können Höhe (potentiell) gegen Speed (kinetisch) tauschen oder umgekehrt. Auch unsere Motorleistung (der Einfachheit halber spreche ich von thrust) können wir einsetzen, um Geschwindigkeit, Höhe oder eine Kombination derselben zu gewinnen. Leider ist die letztere Methode eine Einbahnstrasse. Einmal investierte Energie in Form von thrust, gezogen aus verrotteten Fossilien, kann ich nicht mehr zurückverwandeln. (Wäre ja cool: Aus 10000 Metern fallen mit anfangs leerem Tank welcher unten wieder voll wäre.)

Mit dieser Energie möchte ich eine Masse bewegen (ja leider, das Gewicht hat hier nichts zu suchen. Meine Masse, also mein Popo und der überladene Flieger, bleiben immer gleich, aber mein Gewicht ändert sich durch unterschiedliche Gravitationswerte. Am Pol bin ich etwas schwerer als am Äquator, auf dem Mond ziemlich leichter, bei derselben Masse).

Nur in der Bewegung bin ich in der Lage, dem Flügel ein wohliges Lüftchen zuzufächeln (Die Schlaumeier unter uns werden den Thrust eines Propellers in den Ring werfen, na gut, lassen wir stehen) . Die Yachtensegler kennen den Begriff „scheinbarer Wind“. Nichts anderes umströmt unsere Flügel (bitte den hinteren kleinen Bruder des Hauptflügels nicht vergessen, sonst könnte es seeeehr unangenehm werden, vor allem in Vereisungsbedingungen. Dieser vereist viel schneller als der Hauptflügel, die Stallspeed übersteigt dann schnell die aktuelle Speed und das Resultat zeigt sich mit plötzlichem Nose down. Autopiloten kaschieren diesen Effekt bis zu einem gewissen Moment leider. Also im Eis wenn möglich manuell fliegen oder AP immer wieder ausschalten und die Controls „erfühlen“). Je nachdem wie er umschmeichelt wird, fühlt sich dieser Flügel wohl oder quittiert die Produktion von Auftrieb. In welche Richtung der Flügel tendiert, hängt NUR, ausschliesslich und exklusiv vom Verhältnis der beiden Achsen scheinbarer Wind zu Profilsehne ab. Klingt etwas holperig? Also im Fliegerjargon: Ängel off Ättäck. Der Engel des Angriffs, DAS matchentscheidende Kriterium für den kontrollierten Flug. Falls ich nicht ballistisch fliege oder einen Helikopter mein eigen nenne (wo die Aerodynamik eh ein Alptraum ist) muss ich mich diesem Prinzip beugen.

Ein Flügeldesign kann den Angle of Attack (AoA) nur immer bis zu einem bestimmten Winkel mit noch mehr Lift belohnen. Bei den meisten Flugis beträgt dieser Winkel zwischen 15 und 20 Grad.

Falls ich Slats an den Vorderkanten montiere (Morane!!) und ausfahre (verändert auch die Profilsehne) kann ich diesen Winkel noch ein wenig erhöhen durch die Zufuhr von Energie in die Grenzschicht.

Wohlgemerkt, wir sprechen hier von Angle of Attack und NICHT von Attitude. Dies scheint die grösste Fehlinterpretation am Stammtisch beim Thema Pitch/Power darzustellen. Also Fluglage. Die Fluglage allein hat gar nichts mit dem Anströmwinkel zu tun. (Halten sie mal beim Lesen ein und wiederholen sie den Satz. Danach stellen sie sich das Ganze bildlich vor. Hoffentlich wird es ihnen etwas mulmig). Ich kann upside down wunderbar mit einem gesunden AoA fliegen. Nur wirken dann halt Auftrieb gemeinsam mit der Masse in eine (meistens) ungewünschte Richtung. Ist dem Flügel wurscht.
Allerdings können wir wie in einem guten Krimi anhand der Indizienlage beurteilen, ob sich der Flügel umströmt fühlt und Auftrieb und Masse in einem entgegengesetzten Verhältnis stehen. Das Gemeine darin liegt in der fehlenden Aussagekraft der einzelnen Parameter. Erst durch die Kombination verschiedener Anzeigen erschliesst sich dem Piloten seine Flugphase.

Angenommen unsere Flugzeuglängsachse steht am Boden parallel zu diesem und der Angle of Incidence, also das Verhältnis Profilsehne zu Flugzeuglängsachse, beträgt null. Dann bedeutet eine Fluglage mit der Längsachse etwa drei Grad über dem Horizont in Verbindung mit einer Speedanzeige oberhalb der Stallspeed keineswegs, dass wir uns nicht in einem Stall befinden könnten. Dazu muss ich die vertical Speed beachten. Und wenn die massiv negativ zeigt, wissen wir, was es geschlagen hat. Nämlich dass unser Flugweg mehr als einen -12° Gradienten aufweist (bei einem Flügel welcher bei 15° stallt). Unsere Energiebilanz ist gewaltig negativ, obwohl potentielle Energie vernichtet wird, eben Höhe (Wir stehen nämlich dort wo eine gescheite Lift/Drag Kurve am Ende verschwindet, meistens in der rechten oberen Ecke. Praktisch kein Lift, nur Drag). Ein richtiger Deepstall, im Simulator ausprobiert. Impressive, Sir, bitte nicht nachmachen.

Countermeasures? Nase runter, und ich meine richtig runter, so dass sie fast nur noch braune Farbe (oder die schöne Landschaft) auf dem Attitude Indicator sehen. Denn sie MÜSSEN sich aus dieser rechten Ecke der Lift/Drag Kurve wieder hoch/runter, je nach Tabelle, arbeiten. Das geht nur, wenn wir den Widerstand verringern. Erst wenn der Sinkgradient und der AoA sich wieder nähern, können wir laaaaangsam und vorsichtig ziehen. Falls zu früh gezogen wird oder zu rasch gehts gleich in den secondary stall. Eben wegen der Masse, nicht des Gewichts. Das Manöver auf Flight Level 350 begonnen endeten wir am Ende auf 8000 Fuss mit stabilisierten Parametern. Einfach weil ich zu dämlich war, nicht glauben wollte was ich sah und dachte, ich weiss es besser. Und prompt in diesen secondary stall rauschte. Weil…. eben, die MASSE machts (ich weiss, ich wiederhole mich, aus gutem Grund).

Auftretende g-Kräfte multiplizieren diese Masse, also bin ich für den Flügel plötzlich schwerer (ein starker Aufwind tuts auch) wohingegen der maximale Anstellwinkel konstruktionsbedingt immer gleich bleibt. Das weiss ich doch, und dennoch quakts wieder, in reinstem Oxford-Englisch, „Stall!!!!Stalll!!!“ aus dem vermaledeiten Lautsprecher.

Nach all diesen schwurbligen Ausführungen werden sie sich denken, „geht mich nichts an. Weder fliege ich auf Flight Level 350, noch hab ich einen Oxford Schwätzer im Lautsprecher hocken.“ Oh doch, und wie es sie angeht!! Hiergeblieben, aufgepasst, was jetzt kommt verhindert Blut, Schweiss, Tränen und Schlimmeres!

Aus obigen Worten schlussfolgern sie richtig, dass es NUR um den Angle of Attack geht und die für genügend Auftrieb sorgende Vorwärtsbewegung. Danach ist es ihre Aufgabe, dafür zu sorgen, dass dieser „Victor give me a: VEKTOR“ namens Auftrieb in die richtige Gegend zeigt.

À propos Vorwärtsbewegung und damit es auch mal gesagt ist: Die Stallspeeds, welche wir auswendig lernen oder welche auf dem Speed Indicator netterweise am Anfang des weissen oder grünen Bogens markiert sind, bedeuten a) Stallspeed in der entsprechenden Konfiguration bei MAX TAKEOFF WEIGHT!! ….und viel wichtiger b) Stallspeed in mucksmäuschenstiller Luft mit einem unbeschleunigten, linear sich bewegenden Flugzeug, Masse gleich Gewicht mit einem g (Diese Beschleunigung soll ja am Pol 9,8m/sec2 betragen).

Wie oft treffen wir exakt diesen Zustand an? Richtig, nie. Diese Speeds, übersetzt als Anströmbewegung, um je nach AoA benötigten Auftrieb zu generieren, sind nur ANHALTSPUNKTE, FYI’s, RICHT- UND VERGLEICHSWERTE!!! Denn die Stallspeed während ihrer Flugmission kann sich von null bis Strukturbruch bewegen. Fragen sie mal einen versierten Kunstflugpiloten nach einem Renversement. Auf dem Scheitel- oder Umkehrpunkt dieser Figur betragen die Beschleunigungskräfte und damit auch die Stallspeed null. Denn Null multipliziert mit ihrer Masse, äh der Flugzeugmasse natürlich, bleibt null.

Oder sie zahlen ein nettes Sümmchen und dürfen dann bei Airbus eine nette Schwerelosigkeitserfahrung buchen, Spucktüte ist gratis. Natürlich gucken sie dabei den beiden Busfahrern vorne über die Schultern. Achten sie mal auf deren primary flight display. Auf der linken Seite präsentiert sich ihre Geschwindigkeit in Form eines Vertikalbandes. Auf diesem sogenannten Speed Tape erhalten die Piloten ständig ihre aktuelle Stallspeed. Der rote, die Stallspeed repräsentierende Balken, zieht sich bei ihrem ballistischen Manöver so massiv zurück gegen die Nullstellung wie ein ….. beim Eintauchen in einen Gletscherbach (anatomisches Merkmal bitte je nach Geschlecht eintragen).

Warum können diese Kerls und Mädels diese Geschwindigkeit ständig aktualisiert ablesen und wir nirgendwo? Vielleicht weil sie etwas doofer sind? Ihr Glück liegt im AoA Sensor, davon hats in der Regel sogar zwei oder noch mehr. Das Bewusstsein für diese Problematik wird durch die ständige Präsenz dieses roten Balkens am unteren Ende des Speed-Tapes unheimlich geschärft, wenn man in jeder Kurve sieht wie er nach oben wandert, die Stallwerte ständig wechselnd. Ausser einem spezifischen AoA Indicator, der als Backup präsentiert werden kann, das einzige Ding welches uns sagt, wie sich die Auftriebsverhältnisse theoretisch präsentieren. (Wir sehen mal von verfälschenden äusseren Einflüssen wie kontaminierter Flügel oder technische Aussetzer ab. Denn die Messgeräte sind geeicht auf einen berechneten Wert, ausgehend von einem sauberen Flügel. Eisansatz oder ein netter Vogelschissregen eines dicken Schwarms touristengefütterter Möwen auf das am Boden stehende Fluggerät helfen da der Genauigkeit nicht unbedingt.)

Wie können wir uns die Gefühlslage des Auftriebs als Resultat der Anströmung erschliessen? Dazu haben wir ganz einfache Hilfsmittel in Form verschiedener Anzeigen. Nur die Kombination dieser Anzeigen gibt uns Aufschluss darüber. Wer sich in seiner Panik nur auf einen (evt. fehlerhaften) dieser Parameter stürzt und danach handelt, der endet….. gucken sie in die Unfallberichte.

„Soweit die trockne Theorie, die sagt warum, und ’s läuft doch nie. Und die Praxis? Frag` nicht so dumm, wenns läuft und keiner weiss warum“

Die praktische Seite, oder Input/output

Wir haben zwei Möglichkeiten zum Input: Flight controls und Power controls. Ob der nun in der Hand eines Autopiloten oder der unsrigen liegt ist egal, wir müssen nur den output verifizieren.

Ich kann mit meinem Besen rühren und den Chnebel für laut/leise bedienen. Was dies auslöst kontrolliere ich dann entsprechend anhand der, auf fliegerisch: Control Instruments.

Attitude Indicator: Natürlicher oder künstlicher Horizont
Power Indicator: RPM, Manifold Pressure/RPM, Percentage Anzeige, EPR, N1
Salopp formuliert Pitch/Power Anzeigen. Wie oben schon erwähnt wäre es wichtig zu wissen, in welche Richtung wir den Auftrieb richten wollen. Damit wird die Bank Information wichtig. Es müsste also, dann weniger knackig klingend, Attitude/Power heissen. Jajaja, Korinthenkackerdenken. Stick und Throttle stellen den Input. Damit wünschen wir einen bestimmten Flugzustand herzustellen. Ob das gelungen ist wie erwünscht, zeigen uns die:

Performance instruments

Speed Indicator
Vertical Speed Indicator (nur dieser zeigt, ob unsere Gesamtenergiebilanz, unsere Performance, positiv oder negativ ist. Damit einher geht der Altimeter)

Das Schöne an unseren konventionell konstruierten Flugzeugen liegt darin, dass sie in ungestalltem (und nur diesen Zustand „besprechen wir“ gerade) Zustand IMMER einen bestimmten AoA und eine korrespondierende Speed einnehmen und halten WOLLEN. Egal wie sie getrimmt wurden. Wir wollen den Praxisbeweis antreten:

Let go, your controls, und sehen wir zu was der Flieger macht. In einer zarten wiegenden Bewegung wird er um eine Speed rumeiern. Damit teilt uns der Flieger gleichzeitig etwa den AoA mit (eben NICHT zu verwechseln mit der attitude). Der erwünschte Range bewegt sich in diesem Zusammenhang zwischen drei Grad bei Cruisespeed und 14 Grad, kurz vor der aktuellen Stallspeed. Und dies hat nichts und nada mit unserem Powersetting zu tun. Wir merken uns nun anhand der Performance Instruments die Werte: Attitude, vor allem den Pitch als Referenz sowie, als Vertreter des Angle of Attack (weil wir den ja nirgends ersehen), die Speed.

Vermittels des entsprechenden Control Instruments memorisieren wir auch noch das Powersetting.
Nun stecken wir Energie in das System in thermischer Form, schieben das Gas etwas vor. He, hallo, immer noch Hände weg von den Controls, hier wird nicht beschissen! Also was macht das Flugzeug? Es reagiert. Erst mit einer kurzen Geschwindigkeitsänderung, welche sich aber bald auf die vorherige einpendelt. Nur die Vertical Speed hat sich positiv verändert. Dies als Ausdruck der Zufuhr von Energie ins System. Diese Energie könnte auch von aussen kommen in Form von Aufwind. Das Resultat wäre dasselbe. Die Speed wird sich nicht ändern längerfristig. Einfach weil das Flugzeug in einen Zustand des Gleichgewichts fallen WILL. Es sei denn sie fliegen ein Fly-by-Wire Dings. Die machen das nicht. Ganz anderer Ansatz. Das heisst wenn die Elektronik versagt, ists wieder eine gewöhnlich Cessna 172.
Sie erinnern sich, die vier Vektoren Thust/Drag/Lift/Mass. Wenn sich die vertragen, sprich sich kombiniert vertikal und horizontal aufheben, bewegen wir uns in einem linearen Flugzustand.

Konkret:
Wenn ich eine Speed eintrimme und diese sich bei einem Pitchwert von minus zwei Grad und 100 Knoten stabilisiert, dabei das Powersetting bei 50% stehend, resultierend in eine Vertical speed von -500 Fuss, dann kann ich das bewusst anwenden, immer! Das ist ein repetierbares Ereignis, wann immer ich will. Wünsche ich nun eine Vertical Speed von null mit derselben Speed, muss ich NUR Energie zuführen, auf keinen Fall einfach mal am Besen ziehen! Denn ich will ja die Speed nicht zweimal ändern müssen, hochziehen, Speed fällt ab, Gasgeben, vordrücken, Speed wieder aufnehmen, wie deppert ist das denn! Wir wollen nur den potentiellen Energieverlust des Sinkfluges auf null kompensieren. Etwas vor der gewünschten Höhe angelangt schiebe ich nicht einfach Gas rein irgendwie! Der Gentleman der Lüfte, welcher sich mit der Fluglady unterm Allerwertesten noch nicht bekannt gemacht hat, setzt, bewusst, mal einen Wert von 60%. Ein Moment der Geduld, na, die Vertical Speed zeigt immer noch ein Sinken von 100 Fuss/min. Okay, dann setzt er 65%. Und, Bingo!! Die Lady brummelt zufrieden auf der Höhe mit der gewünschten Speed entlang.

Ohne jegliche Bewegung am Steuerhorn habe ich ein Manöver abgeschlossen. Warum? Weil ich MIT dem Flugzeug gearbeitet habe. Na da haben wir schon die ersten Erfahrungswerte im Descent und Cruise, welche der fliegende Kavalier auch noch verinnerlicht.

Welche Vorteile ziehen wir aus der bewussten Anwendung von Zielwerten?

  • Die kombinierten Werte Pitch, Speed, Vertical Speed und Powersetting repräsentieren unsere Energiebilanz. Solange sie wissen, in welcher Art Flugzeug sie sitzen, sollten sie dessen Performance kennen. Denn:
  • Zeigt eines der Performance oder Control Instruments einen erratischen Wert, kann ich es anhand meiner Erfahrungswerte als faulty erkennen. Beispiel: Wenn ihr Flugzeug im Steigflug Erfahrungswerte von ca. 10 Grad pitch nose up zeigt, 100% Power und einer resultierend Climb Speed von 90 Knoten, können sie bei gefrorenem Pitot sehr schnell reagieren bzw. ruhig Blut bewahren und gar nichts machen. Die Speed wird davongaloppieren, im Steigflug notabene. Interessiert sie nicht. Sie wissen, dass es vom Leistungsbereich ihres Flugvehikels her nicht möglich ist, dass da die Speed auf 110,130 und bis ins Rote wandert. Sie bleiben eisern und cool bei ihrem Pitch von 10 Grad. Auf gewünschter Höhe angekommen, nehmen sie dann den Pitchwert für Vertical Speed null bei neunzig Knoten ein. Aus dem Fundus ihrer Erfahrungswerte. Die Climb Power lassen sie stehen und senken den Pitchwert langsam auf Cruisewerte. VS immer noch auf null stehen lassen. Erst dann setzen sie Cruise Power. Alles ohne Speed Indicator. Braucht kein Mensch.
    Die ungeschminkte Realität im Simulator mit verschiedenen Kandidaten zeigte mir die ganze Bandbreite an Reaktionen auf dieses Szenario: Das reichte von Nase-immer-höher-ziehen bis Power reduzieren, einfrieren und ohohhohhhh stammeln (was zufälligerweise die beste Lösung darstellt) bis zur erwünschten Reaktion des Erkennens eines fehlerhaften Instrumentes in einer bewusst definierten Flugphase. Die verstärkten, da real Life und nicht im Sim, Folgen des unerwünschten Verhaltens dürfen wir dann den Unfallberichten entnehmen. Für mich ein klares Indiz für mangelnde Basics im Pilotenkorps. Was wiederum den Instruktoren ein schlechtes Zeugnis ausstellt.
  • Last but not least: Ein seidenweiches Handling. Die Visitenkarte des Piloten.
  • Wer seine Pitch-Power-Speed-VS Werte kennt und bewusst anwendet, wird ökonomischer, mit massiv gesteigerter Situational Awareness, weniger Stress und viiiiiel mehr Genuss fliegen, garantiert!

In der nächsten Folge der Miniserie AoA: Das Spiel mit Attitude-power in climb-cruise-descent.

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