Luftbremser – et overset aktiv?

Schempp-Hirth-type luftbremse på en 2022 Arcus M. Bemærk at luftbremsens topcover er vinklet, så den får let negativ indfaldsvinkel. Dette er for at reducere tendensen til at luftbremserne suges op.

Link to automatic translation

Velkommen til “Tech Corner” – en nye artikelserie i NG som tager et panorama over udvikling og certificering af flyets delelementer- som fx vingers konstruktion og aerodynamik, hjul, ror, instrumenter.

Der findes tusinder af videnskabelige artikler, som handler om hvordan man øger performance på svævefly. Et langt mindre antal fokuserer på hvordan man reducerer performance, men det er altså dette som er emnet i denne artikel.

Luftbremser har ikke altid været standard-udrustning på svævefly – i de helt gamle dage var performance så dårlig, at man ikke behøvede noget som helst ekstern bremsevirkning – alle som har fløjet fx 2G eller SG-38 er helt klar over, hvad vi snakker om her.

Men efterhånden at man udviklede mere ”hotte” fly, blev det nødvendigt at kunne at regulere performance – altså at kunne øge flyets samlede modstand, så piloten kan dykke kraftigere på finalen uden at hastigheden går op.

Uden luftbremser ville landinger (uden sideglidning) ved selv standardklasse-fly i dag være en intens og halvfarlig affære, hvor der skulle stilles meget høje krav til både lav fart og lav højde på finalen. Med glidetal 30 ville bare 50 meters højde med frigang af hindringer på finalen let kunne ”spise” 1500 m flyveplads – her er der ikke indregnet ground-effekt! Med de nyeste åbenklasse-fly uden luftbremser ville man nok skulle behøve områder som større internationale lufthavne med 3-4 km asfalt.

Udviklingen af luftbremserne tog fart i 1930’erne, en periode hvor man ofte fløj termik i store CU/CB, og det var ikke sjældent, at der var alvorlige havarier, når man overspeedede flyene. Derfor behøvede man effektive luftbremser. Den legendariske konstruktør Hans Jacobs designede et effektivt og enkelt luftbremsesystem kendt som DFS-luftbremserne, og fra 1938 var der ingen nye svævefly uden en eller anden virksom luftbremse. Der var på denne tid i øvrigt også krav om, at luftbremserne – ud over at fungere som et ”lift destroying-device” også skulle virke som ”speed limiter” – altså skulle flyet med luftbremse ikke kunne overskride visse hastigheder.

Schempp-Hirth-type luftbremser som i dag er standard på de fleste fly.

Kort tid senere blev DFS-bremserne modificeret af Hütter hos Schempp-Hirth, og den nye SH-type bremse var mere effektiv, og er i eftertiden blevet standarden på alle nye svævefly. Den historie kan man læse mere i detaljer om i Robert Danewids fine historie om udviklingen af cockpits.
https://nordicgliding.com/cockpit-genom-tiderna/

Bremsefaldskærm

Andre typer af luftbremser

Gennem tiden har man også set andre typer af luftbremser, fx bremsefaldskærme, som jo ikke krævede store modifikationer af vingerne, men til gengæld krævede at man dedikerede sig fuldstændigt til landingen og i øvrigt ikke kunne justere virkning undervejs.

”Problemet med bremsefaldskærme var, at ofte åbnede de sig ikke, fordi de var pakket forkert, eller også tabte man dem. Flere af datidens fly med bremsefaldskærme, fx Kestrel har 2 håndtag – en til at aktivere faldskærmen og en til at frigøre den”, siger ingeniøren Werner ”micro” Scholz.

NG har fået Werner “micro” Scholz til at læse teknisk korrektur på denne artikel om luftbremser. Han har stor viden om konstruktion af svævefly, bl.a. som konstruktør på flere LS-fly og som certificeringsingeniør hos Binder. Her er han fotograferet i sin Piccolo. (Foto: Jens Trabolt)

Ud over æren af at være ”teknisk konsulent” for NORDIC GLIDING på denne artikel har han har været konstruktør for Rolladen-Schneider på de kendte LS-fly og arbejder nu for SFL i Stuttgart, et lille ingeniør-bureau i flyindustrien. Han er bl.a. involveret i certificering og optimeringen af Binder EB 29-flyene i den åbne klasse og i øvrigt ivrig LS8- samt Piccolo-pilot – det kan man læse mere om her

Med mere end 5000 timer på over 100 forskellige flytyper har Werner Scholz prøvet lidt af hvert, heriblandt også en del testflyvning med bremsefaldskærme.

Med bremsefaldskærmens indbyggede begrænsninger er ikke så underligt, at det ikke blev populært. Men en bremsefaldskærm er ikke uden en vis cool-faktor; En af datidens ”super-orkideer”, ASW 12 havde tilmed 2 bremsefaldskærme!

Gennem tiden har man også set andre metoder for at reducere glidetallet på svævefly: På Robert Kronfelds Austria kunne man tværstille siderorene og på Akaflieg Stuttgarts F1 Fledermaus var det winglets som man tværstillede.

På de fleste moderne fly er luftbremserne kraftigt virkende, og de fleste piloter er godt vant. Men bytter man en ASK 21 ud med en gammel Duo Discus forstår man, at det ikke er alle fly som har kraftige luftbremser. Omvendt er det en oplevelse at stå på næsen med en polsk Puchacz som har ekstremt kraftige bremser.

Dobbelte luftbremser, her under finale med spændvidde-monsteret eta. (Foto; Jens Trabolt)

Krav til luftbremserne

Men man kan fundere over følgende: Hvad kan luftbremserne, og hvad SKAL de kunne? Som vanligt er dette indskrevet i certificeringsbestemmelserne (ofte i blod fra tidligere havarier….).

I cockpittet skal luftbremserne være “pull to extend” samt farvet med blåt, og der findes faktisk også krav til aktueringskræfterne: Her siger reglerne, at der gælder maksimalt 20 daN (decanewton) i bremsehåndtaget (ca. 20 kg). Vedvarende stickforces i rorpinden er i øvrigt max 2 kg.

Luftbremserne skal også være venstrehåndsbetjente – i side-by-side-cockpits skal luftbremserne være placeret i midten af hensyn til piloten i højre sæde.
Videre angiver certificeringsbestemmelserne også, at luftbremserne skal være designet sådan, at de ikke kan aktiveres ved et tilfælde.

Der er krav om, at luftbremse-håndtag er farvet blåt. (Foto: Jens Trabolt)

Der gælder også krav til virkningen af bremserne: Med fulde luftbremser, maksimal flyvevægt og 130% af stallhastigheden må glidetallet ikke være højere end 7. Stallfarten med fulde luftbremser må i øvrigt ikke overskride 95 km/t ved max vægt.

Figuren viser den principielle deformerede løftekraftsfordeling med udfældede luftbremser. Bemærk den negative effekt på vingen hvor bremserne er placerede.
Den stiplede bue viser løftekraftsfordelen med indfældede luftbremser. (Ill. SHK, Statens Havarikommission)

”Og så er det i øvrigt sjovt at fundere over, hvordan luftbremserne egentlig virker – altså den aerodynamiske forklaring”, supplerer Werner Scholz.

Et lille ”fun fact” er, at ved normale landingshastigheder så kommer halvdelen af den genererede modstand fra den eksponerede front af panelerne på Schempp-Hirth-type-bremserne og cirka en anden halvdel fra den meget deformerede fordeling af løft, som øger den inducerede modstand på vingerne væsentligt.”, forklarer han.

Hastigheder og luftbremser

En temmelig vigtig faktor er også i hvilket fartregime luftbremserne kan anvendes. Flyet skal kunne tåle, at man åbner bremserne ved 1,05 x Vne – det er ikke en oplevelse man skal gå efter! Men er der brand i flyet eller bliver man fanget i et föhn-gap ved fjeldflyvning er det godt at vide, at flyet kan tolerere disse hastigheder.

Men der er grund til at være yderst forsigtig, for det er ikke ufarligt at kombinere ekstreme hastigheder og luftbremser, advarer Werner Scholz.

”For det første er kræfterne store i luftbremse-håndtaget, og ved høj fart er der også risiko for, at luftbremserne suges ud. Det kan resultere i pludselig G-belastninger som ledsages af fare for sekundært ukontrollerede styre-input som kan forværre situationen yderligere”, forklarer han.

Med andre ord: Det kan være, at flyet isoleret set kan tåle, at man aktiverer fulde bremser med høj fart, men der er ikke meget margin til yderligere fejlmanøvrering. Dertil kommer, at visse typer har tendens til pitch-up (= mere belastning), når man aktivere luftbremser.

Et generelt tip for alle typer er dog at åbne luftbremserne så tidligt som muligt og så accelerere op i fart, hvis man har behov for at reducere højde dramatisk.

En klubklassiker som ASK 21 har eksempelvis ingen fartgrænser (bortset fra Vne!) med fulde bremser, men dog skal man tænke på, at flyet med åbne luftbremser tåler mindre belastning (0 – + 3,5 g – hvor flyet med med manøvrefart, max 180 km/t, uden luftbremser tåler temmelig voldsomme -4 – + 6,5 g) – bemærk at disse ret høje G-grænser specifikt er for ASK 21; Fly certificeret efter utility-kategorien kan belastes med -2.65 til +5.3 g uden luftbremser.

Der er i øvrigt også krav til dykvinkel med fulde luftbremser. Ved maksimal vægt skal man kunne dykke med 30 grader eller mere samtidig med at man har en descent-rate på minimum 30 m/s (det er en vertikal hastighed på 100 km/t!).

Denne skribent har logget ca. 50 m/s i en ASK 21 med fulde bremser – og det var ikke i nærheden af Vne. Det er en psykedelisk oplevelse at bevæge sig så hurtigt ned – og minder mere om rumfart end flyvning.
For fly som er certificeret til kunstflyvning skal man kunne dykke med minimum 45 grader uden at overskrider Vne.

En ASG 29 18m lander med fulde luftbremser under Kvinde-VM 2023 i Spanien (Foto: Jens Trabolt)

Et paradoks i en nødsituation

Men skal man åbne luftbremserne, hvis man utilsigtet er havnet i IMC-forhold. Når man åbner bremserne reducerer det så risiko for overspeed eller i det mindste hindrer det en fri acceleration?

Det gælder i det mindste i teorien, for dette er også kontroversielt blandt designerne – for med åbne luftbremser, reducerer man også vingens g-tolerance ret dramatisk. Så er spørgsmålet om man helst vil satse på, at fulde luftbremser under IMC-forhold vil kontrollere flyets fart med lavere g-tolerancer eller risikere en Vne-eskursion med eventuel flutter-problematik uden luftbremser? Under alle omstændigheder er man testpilot på en ny og ukendt rejse.

I samme sætning; Luftbremser og IMC var et vigtigt tema efter Twin Astir-havariet under fjeldflyvningslejren på Kebnekaise i Sverige 6. april 2015. Her blev luftbremserne åbnet ved langt over Vne, cirka 350 km/t efter et IMC-induceret loss-of-control. Vingerne brød sammen, og passageren omkom.
NG skrev om dette, da havarirapporten blev offentliggjort https://nordicgliding.com/havarirapport-imc-foerte-til-totalhavari/

Kombinationen af spiraldyk og luftbremser er også – historisk set – en virksom metode til at blive af med vingerne – specielt med tunge, high-performance-fly. I stedet for at aktivere luftbremser under høj fart er det bedre at vælge neutral- eller let negative flaps og så være forsigtig med ikke at overloade flyet under opretningen, lyder rådet fra Werner Scholz.

Denne skribent har været i spin under simuleret termikflyvning i plus-flaps med en Arcus M, som må siges at være tilhøre ovennævnte kategori af fly. Da rotationen først var stoppet med modsat sideror, byggede farten sig hurtigt op på det glatte fly med næsen ned. Her gjorde man klogt i at vælge minusflaps øjeblikkeligt og så starte en recovery op mod horisonten. Luftbremser ville være farlige her.

Werner Scholz påpeger også en iboende risiko for hårde landinger med fly monteret med kraftigt virkende luftbremser – ganske enkelt fordi synkehastigheden er høj med fulde luftbremser. Desuden kan fly hvor hjulbremsen er integreret i luftbremse-håndtaget risikere, at man med fulde luftbremser også lander med bremset hovedhjul, og flyet eventuelt går på næsen.

Bortset fra det og i de andre 999 ud af 1000 tilfælde er luftbremserne en stor hjælp, når de anvendes som tænkt!
Så næste gang du er trygt placeret på finale og stressfrit kan regulere din anflyvning med luftbremser, så send en venlig tanke til dem som er gået før dig, til producenternes ingeniører og testpiloter samt regelværket. Der er mening i galskaben, men det er nyttigt at kende luftbremsernes designmæssige og operative begrænsninger.

Video: Salto bremsefaldskærm 

Video JS3 luftbremse certificerings-test