Lowpass – en tvivlsom idé?

Hurtige eller meget hurtige flyvninger i lav højde også til tider kaldet low-pass har altid givet anledning til sikkerheds-diskussioner i svæveflyverkredse. Ved hurtig flyvning meget tæt på jorden er der ikke langt til overskridelse af flyets grænser ved en kombination af rorudslag og gustbelastning.

Tekst Norbert Volker, Oversættelse: Jørgen Korsgaard / Foto: Jens Trabolt, Norbert Volker

Norbert ”Fuzzy” Völker
Alder: 62
Profession: Flyingeniør / Patentingeniør
Antal timer: Fløj sin første soloflyvning i 1976 og blev instruktør i 1983. Totalt 2000 timer fordelt på 4500 starter.
Klub: Medlem af flyveklubben FC Bronkow i det tidligere Østtyskland – halvvejs mellem Berlin og Dresden i et området kaldet for ”Niederlausitz”.

 

I denne artikel er fokus på en anskueliggørelse af de tekniske og fysiske sammenhænge.

Forbudt eller ej: Disse hurtige og meget lave flyvninger, der som regel foregår i flyvepladsens nærhed, forekommer jævnt tit. Men det er nok kun de færreste, som egentlig ved, hvad de gør og hvilke følger, det kan have for svæveflyet og sikkerhedsreserverne. Det er og bare det, der er temaet i denne artikel.

Og lad være med at blive bange for formlerne og diagrammerne. De skal kun anskueliggøre de matematiske sammenhænge for dem, der kan læse og forstå dem.

Men konklusionerne står alle let forståelige i selve teksten. Det bliver forklaret, hvad svæveflyet kan tåle, hvorledes den røde streg på fartmåleren bliver beregnet, og hvad svævefly og bildæk har tilfælles.

Men hvorfor taler vi i det hele taget om OVER den røde streg? Er man nødt til at flyve helt op til den røde streg ved de hurtige og lave overflyvninger? Og det er jo temaet i denne artikel, og svaret er et klart JA!

Fart bliver omsat til højde
En del kan sikkert huske energisætningen fra deres fysikundervisning i skolen. Potentiel energi kan forvandles til kinetisk energi og omvendt (gl. sprog: beliggenhedsenergi bliver til bevægelsesenergi). Og det er faktisk det, der sker, når man trækker op med stor fart: Jeg forvandler kinetisk energi til potentiel energi.

Det ved enhver pilot, spørgsmålet er bare: Hvor hurtigt skal jeg flyve i nærheden af jorden, så jeg med en medvindshøjde på 150 meter og en fornuftig fart (90 km/t) kan lave min landingsrunde?

Hvis vi ser bort fra luftmodstanden, kan det beskrives i denne formel:

Vi får med 3,6 som omregningsfaktor fra m/sek til km/t den ønskede slutfart på 90 km/t, en højdevinding på 150 meter og med en tyngdeacceleration på 9,81 m/sek². Men nu er de 215 km/t ikke særligt spektakulær, og den fart gælder kun uden luftmodstand eller sagt på en anden måde for et svævefly med uendeligt glidetal.

Den rigtige og gode fart er altid højere og jo mere jo ældre og præstationssvagt svæveflyet er. I praksis betyder det, at hurtige low-passes under 250 km/t kun fører til en mere eller mindre sjusket landingsrunde.

Sammenhængen mellem et svæveflys fart og højdevinding uden hensyntagen til luftmodstand kan vises i dette diagram:

 

Højdevinding ved at trække op til en fart på 90 km/t vist som en funktion af begyndelseshastigheden uden hensyntagen til luftmodstand

 

Heraf kan man klart se, hvor uerfarne piloter med for lav fart måske ender: Som ved et simuleret wirebrud på et upassende sted. Og mange havarier er begyndt på den måde!

Kort sagt: Kun med maksimal fart kan jeg i et low-pass gå over i en fornuftig landingsrunde. Fra rapporter ved jeg, at en del piloter hellere går lidt over den røde streg end under.

Men maksimalfart selv uden at gå over den røde streg skal under alle omstændigheder flyves med stor omhyggelighed. Derfor fortsætter jeg nu på indgående måde med at se på de belastninger, som påføres et fly, der flyver med stor hastighed.

 

Design Speed (JAR regler)
Først skal vi se på de belastninger, som man konstruerer et svævefly til at kunne udholde. Der stilles krav til typegodkendelse af svævefly og motorsvævere fra international side – CS-22 eller JAR-22 (Joint Airworthiness Requirements) – uden at vi her skal komme ind på disse.

Disse krav er i tidens løb blevet mere og mere detaljeret, men faktisk også mindre strenge. Og det er ikke nogen modsætning, da konstruktører og ingeniører har fået bedre og bedre indsigt i og kendskab til de materialer, som anvendes i moderne fly.

Herved har man kunnet nedsætte nogle krav til sikkerhedsreserverne og mere præcist konstruere flyene til deres anvendelsesområde. Men for os piloter betyder det, at moderne fly for det meste i mindre grad end velholdte oldtimerfly tilgiver overskridelser af diverse grænser mht. til fart og g-påvirkninger.

En vigtig rolle ved konstruktionen af et svævefly spiller den såkaldte design speed, forkortet VD. For almindelige svævefly i kategori “Utility” findes denne i nedenstående formel:

 

 

I formlen indgår nogle erfaringsværdier, f.eks. den maksimale planbelastning W/S (flyets “vægt”) og den mindste modstandskooefficient Cdmin (den aerodynamiske kvalitet). Tallene siger dog ikke andet end, at et svævefly kan flyve hurtigere jo tungere og jo større præstationer, det har. Design speed siger på en vis måde, hvilken hastighed et fly kan opnå ved dyk. Og denne hastighed er grundlaget for beregningerne ved flyets konstruktion.

Og hermed er vi ved den første sammenhæng mellem svævefly og bildæk: Hastighedsgrænserne for svævefly er naturligvis ikke vilkårligt valgt, men teknisk betinget.

Men hvorfor er høje hastigheder – også i rolig luft – overhovedet problematiske. Når alt kommer til alt har svævefly selv ved store hastigheder en ganske vist tydeligt højere, men stadig ringe luftmodstand og i stationær ligeud flyvning er opdriften omtrent lig med vægten af flyet. Hvor kommer så den større belastning fra?

Det hænger sammen med, at opdriften på flyet er summen af de samlede kræfter på over- og undersiden af vingerne ganske vist næsten er ens, men de enkelte kræfter foroven og forneden forøges kraftigt. Således er situationen ved langsom flyvning cirka den, vi nogle gange hører om i teoriundervisningen: To tredjedele undertryk på oversiden og en tredjedel overtryk på undersiden. Ved hurtig flyvning ser det normalt ganske anderledes ud: Her hersker der på begge side undertryk, blot således at undertrykket på oversiden er så meget højere, at den normale opdrift bliver til overs. Denne illustration viser det:

 

Figur: Opdriften/løftkraft ved langsom og hurtig flyvning

 

Og nu kan vi se, hvor problemet ligger: Ved hurtig flyvning vil luften på en måde næsten trække over- og underside fra hinanden. Man kan få en fornemmelse for, hvor store kræfterne er, hvis man (FORSIGTIGT!) kører luftbremserne ud ved stor hastighed. Bremserne bliver nærmest suget ud pga. af undertrykket. Derfor er svæveflys hastighed selv i stabil luft begrænset.

 

Fra design speed til den røde streg.
Under prøveflyvning af et nyt svævefly skal man teste, om det kan holde til den såkaldte design speed. For at give testpiloten en vis reserve nøjes man med at flyve op til 90 % af design speed. Denne hastighed kaldes VDF. Og den størst tilladte hastighed VNE, altså hastigheden markeret af den røde streg på fartmåleren, må ikke overskride 90 % af design speed, VDF. Som eksempel kan vi f.eks. sige, at den røde streg er ved 250 km/t, og så får vi følgende oversigt.

 

Figur: Sammenhængen mellem højeste tilladte hastighed VNE, testfart VDF, design speed VD og den “fiktive” brudhastighed

 

Idet vi går ud fra de tilladte 250 km/t, skal svæveflyet under testflyvningerne have fløjet mindst 278 km/t. Det er således konstrueret til i værste fald at kunne holde til en hastighed på mellem 278 og 307 km/t. Flyets styrke er beregnet med en sikkerhedsmargen på 50 %, hvilket er en faktor på 1,5.

Da luftkræfterne stiger med kvadratet på hastighedsforøgelsen, betyder det en sikkerhedsreserve på √1,5, altså ca. 20 %. Det giver så en hastighed på 340 km/t, hvor flyet begynder at bryde sammen.

 

Formålet med en sikkerhedsfaktor.
Det lyder i første omgang af rigtig meget, men er det i virkeligheden ikke. Sikkerhedsfaktoren “J” indgår nemlig i andre ting end hastighedsreserven. Det er f.eks. en beskyttelse mod:
– Konstruktionsfejl i forbindelse med design af et nyt fly
– Fejl under forarbejdningen
– Materialefejl
– Forældelse af diverse materialer – epoxy må maks. være et år gammelt
– Indbygningsfejl m.m. på fartmåleren

Desuden kan sikkerhedsreserven være fin at have, hvis, man uden at ville det, kommer til at overskride flyets begrænsninger. Dette kan jo ske på grund af uopmærksomhed eller f.eks. under udretning af et spind.

Man skal ikke glemme, at svævefly endnu fabrikeres i håndarbejde, hvilket betyder, at nøjagtigheden i fabrikationen ikke kommer på højde med f.eks. den i bilindustrien. I praksis kan man gå ud fra, at denne sikkerhedsfaktor og dermed hastighedsreserverne aldrig står til rådighed i fuldt omfang og i visse tilfælde faktisk slet ikke!

Foreløbig lyder facit sådan: Den røde streg er og bliver den røde streg, for på den anden side af den lurer risikoen. I den forbindelse skal vi tænke over, at i stor højde er den tilladte maksimalhastighed mindre. Tallene kan ses i flyets håndbog. At flutter i stor højde er en stor risiko er et andet tema, som ikke skal behandles her.

 

VN diagrammet
Nu er det jo som bekendt ikke nok at respektere den røde streg på fartmåleren. Vi kender jo alle de steder i håndbogen, hvor der står, at man kun må flyve hurtigt i rolig luft og med begrænsede rorudslag – den gule linje. Og for ikke at gøre tingene i det følgende mere kompliceret end nødvendigt, vil jeg begrænse mig til flyvning lige ud, og kigger derfor kun på højderoret.

Begrundelsen for begrænsningen af rorudslag i det øverste hastighedsområde (for det meste 1/3 ved højeste fart) ligger ikke alene i belastningen af selve roret, men i den samlede belastning, som hele flyet bliver udsat for ved bevægelse af rorene.

Denne belastning, som vi også kender under betegnelsen “g”, eller g-påvirkning, fortæller hvor meget “tungere” flyet bliver ved forskellige manøvrer. 2g betyder, at flyets udsættes for den dobbelte belastning i forhold til den normale belastning (1 g!). G-påvirkninger betegnes med “n” i teorien og formler. “n=3 betyder tre gange den normale belastning, altså 3g.

Belastningerne, som forårsages af rorudslag, kaldes også manøvrebelastninger. En tredjedel rorudslag, når man trækker i pinden ved design speed (VD) 278-307 km/t i eksemplet fra før, betyder en belastning på +4 g. Hvis man trykker pinden frem, er det -1,5 g. I det grønne område på fartmåleren må man bruge maksimale rorudslag, men ikke overskride g-belastninger på +5,3 eller -2,65. (Utility class fly). UL-fly og nogle andre typer har andre begrænsninger.

Foruden de såkaldte manøvrebelastninger forekommer de såkaldte “gust”-belastninger (vindstødsbelastninger) eller turbulens, som i det gule område ikke må overskride plus/minus 7,5 m/sek og i det grønne plus/minus 15 m/sek. Det er meget vigtig her at sige, at disse tal i virkeligheden skal halveres. En gust/vindstød på +7,5 m/sek betyder, at man f.eks. flyver fra 3,5 m/sek synk ind i 3,5 m/sek stig. -7,5 m/sek betyder det modsatte. Og sådanne gustværdier er man ofte udsat for i den praktiske, daglige flyvning.

Det er vigtigt her at forstå, at de angivne maksimale belastninger kun må optræde enkeltvis. Er der stærk turbulens, må man faktisk ikke give rorudslag. Og maksimale rorudslag må kun anvendes i rolig luft.

For begge typer af belastning findes der i bestemmelserne et diagram, som nogle måske kender fra teoriundervisningen. De tilladte belastninger (n) og deres afhængighed af hastigheden (v) afbildes her:

 

Figur: Forenklet kombineret VN diagram
Kommentar til oversættelsen: bruch = brud, sicher= sikker
volle ruder= fuldt rorudslag, bruchversuch=forsøg på brud

 

Om det grønne område kan man sige, at de belastninger, man her kan udsætte flyet for, ikke ved disse hastigheder kan overbelaste flyet. Et pænt vedligeholdt og fejlfrit fly kan man simpelthen ikke flyve vingerne af i det grønne område!

I alle andre områder kan en ugunstig kombination af manøvre- og gustbelastninger føre til en overbelastning af flyet. Et eksempel: Vi tænker os den røde streg (VNE) i det ovenstående diagram ved 250 km/t og flyver igennem et gust på +7,5 m/sek med 200 km/t. Det placerer os i det gule område. Giver vi nu en tredjedel rorudslag med pinden tilbage er vi i reserveområdet. Halvt rorudslag i denne situation kan betyde, at vi ligger i brudzonen uden for det røde område. Og sådanne situationer møder man ikke sjældent i praksis. Tænk blot på low-pass lavere end skovkanten i læ af vinden.
Facit er altså: Flyvninger meget tæt på jorden kan faktisk kun lade sig gøre i stabil luft uden at risikere at overbelaste flyet.

Hvordan og hvornår fejler en flykonstruktion?
Nu kan jeg ikke komme i tanke en situation, hvor et fly efter en meget hurtig low-pass er brudt sammen.

Der forekommer godt nok tilfælde med jævne mellemrum, hvor defekte steder i strukturen opdages ved rutinekontrol. Sådanne steder kan ofte føres tilbage til fabrikationen af flyet. F.eks. var en dårlig svejsning i forbindelsen til den ene luftbremse i en SH Arcus pludselig gået op, og den ene bremse blev suget ud, da flyet fløj med over 200 km/t i lav højde.

Piloterne reagerede meget resolut og fik den anden bremse ud og kunne heldigvis lande sikkert på en mark i nærheden. Men der kan også være opstået en svækkelse af strukturen på et tidligere tidspunkt, og som først bliver opdaget ved en omhyggelig kontrol i anden anledning.

Og så er vi ved den anden lighed mellem svævefly og bildæk. Begge har en “hukommelse” (minne ,red) . Et svævefly behøver ikke nødvendigvis at bryde sammen efter en belastning. Skader ved overbelastninger starter ofte som:
– Dårlige limsteder, som først bliver bemærket, når hele limningen som sådan løsner sig.
– Løse lejeholdere, som på et eller andet tidspunkt river sig løs.
– Beskadigede beslag og beslagmonteringer, hvor man ikke kan se defekter umiddelbart.
– Overbelastede styreelementer, som muligvis først langt senere går i stykker pga. spændingsrevner forårsaget af f.eks. korrosion.
– Delamineringer og hvide steder i glasfiberstrukturen, der kan være svære at opdage, og som først i løbet af måneder bliver bløde og blødere, og derved bliver konstateret.

Ofte går der altså tid mellem en eventuel overbelastning og dens konsekvens for strukturen eller dele i flyet. Og skaden kan formentlig ikke længere henregnes til en bestemt hændelse, da der er gået lang tid siden overbelastningen – og ingen har sagt noget!

Alligevel bryder et fly for det meste ikke pludselig sammen i luften, selvom det ikke kan udelukkes.

Facit
Ved hurtig flyvning meget tæt på jorden kommer det ofte til overskridelse af flyets grænser ved en kombination af rorudslag og gustbelastning.

Skader, som er opstået ved overskridelse af driftsgrænserne, ytrer sig ofte med en tidsforsinkelse. Det giver en risiko for, at den beskadigede del af flyet først på et senere tidspunkt går i stykker. En sådan skade kan ofte ikke forklares og bliver derfor rubriceret som fabrikationsfejl. Flyets konstruktion kan svigte, når man flyver uden for de grænser, som står listet i håndbogen!

Sikkerhedsfaktorerne er ikke designet med henblik på, at man overskrider disse grænser med fuldt overlæg.
Overskrider man grænserne har det den konsekvens, at en pilot i et dårligt eksekveret low-pass ikke umiddelbart bliver straffet herfor, men måske får det konsekvenser for en anden pilot.

Vær meget klar over, hvad du gør!

Oversætterens bemærkning:
Kommer man til at overbelaste et svævefly på en flyvning, skal man straks rapportere det til en materielkontrollant, så eventuelle skader kan konstateres og repareres. Det samme gælder, hvis man er usikker på, om man har været meget tæt på flyets grænser. Vær i øvrigt også opmærksom på indrapportering over evt. incident til forbund og havarimyndigheder.