***
Er wordt momenteel nog hard gewerkt om dit hoofdstuk aan te passen aan de Belgische situatie.
***

5.5.BEPERKINGEN

Een zweefvliegtuig is sterk genoeg voor vliegen onder normale omstandigheden maar zijn sterkte is niet onbeperkt. Bochten vliegen van 60 graden met 2g kan prima, maar constante bochten van meer dan 80 graden kan niet. Vliegen met een snelheid van meer dan 200 km/h kan best maar dan mag je niet meer volledige uitslagen met de stuurknuppel geven. Het gaat in dit hoofdstuk over een veilig gebruik van het vliegtuig binnen zijn gebruikslimieten. 

BOCHTEN EN G-KRACHTEN

  • In bochten moet de vleugel meer draagkracht (lift) leveren. Hierdoor lijkt het alsof het gewicht van het vliegtuig toeneemt.
  • Er moet bij het maken van bochten sneller gevlogen worden en de snelheid waarbij het
    vliegtuig overtrekt neemt toe.

Hieronder zie je een zweefvliegtuig zonder dwarshelling, één met 30° dwarshelling en één met 60° dwarshelling. 

 
Bij de onderste afbeelding staat de lift recht tegenover het gewicht. De lift is ongeveer gelijk aan het gewicht: LG. Bij de middelste en de bovenste afbeelding is de lift ontbonden in een horizontale en verticale component. De verticale component L1 is weer ongeveer gelijk aan het gewicht. De horizontale component L2 geeft het vliegtuig een centripetale (middelpuntzoekende) versnelling. Anders gezegd, deze kracht zorgt er voor dat het vliegtuig niet meer rechtuit vliegt, maar een bocht gaat maken. 
 
De massatraagheid van vliegtuig en inzittende(n) verzet zich tegen die kracht. Deze reactie veroorzaakt een middelpuntvliedende kracht, centrifugaal kracht (CK) genoemd. De samenstelling van de centrifugaal- en de zwaartekracht levert de schijnkracht SG, het schijnbaar gewicht. Je ervaart dit alsof je zwaarder bent geworden en extra in je stoel wordt gedrukt.
 
Voor de middelste afbeelding geldt L=1,15 G en voor de bovenste L=2 G. We hebben daar twee keer zoveel lift nodig. De lift is afhankelijk van de snelheid en de invalshoek. De lift neemt toe met het kwadraat van de snelheid.
 
Bocht in graden L toename overtreksnelheid
1 0%
30 ° 1,15 7%
60 ° 2 41%
 
Wil je bochten van 60° dwarshelling met dezelfde invalshoek maken, dan moet je de snelheid met 41% verhogen. Vlieg je normaal 80 km/h dan moet je voor zo'n bocht dus 112 km/h vliegen. Je kunt de lift ook verhogen door de invalshoek te vergroten. In de regel vliegen we steile bochten zowel met een grotere snelheid als ook met een grotere invalshoek.
 
ZUIVERE EN ONZUIVERE BOCHTEN
Bij een zuiver gevlogen bocht gaat het om de juiste hoeveelheid voetenstuur bij een gekozen dwarshelling. De neus van het vliegtuig volgt de cirkel die je aan het vliegen bent. Het piefje staat in het midden van de kap. Je houdt de neus van het vliegtuig precies in de aanstromende luchtstroom. Die situatie is op de afbeelding hieronder rechts weergegeven.
 
 
Schuivend een bocht maken Maak je een bocht met teveel voeten en dan wijst de neus van het vliegtuig naar de binnenkant van de cirkel. Het piefje wijst naar de binnenkant van de bocht. De aanstroming van de binnenvleugel die, door het maken van de bocht, minder snelheid heeft dan de buitenvleugel wordt door de neus enigszins verstoord. Mocht je te langzaam vliegen (te grote invalshoek) dan zal de binnenvleugel overtrekken en is een tolvlucht mogelijk het resultaat, want de binnenvleugel bevindt zich ‘in de schaduw’ van de romp en wordt daardoor minder aangestroomd
 
Slippende bocht Links op de afbeelding hierboven zie je iemand die een slippende bocht maakt. Hij heeft voor deze dwarshelling te weinig voeten. De aanstromende lucht blaast tegen binnenkant van de romp. Het piefje wijst naar buiten. De kans op een tolvlucht is nu kleiner omdat de langzamer vliegende binnenvleugel niet wordt afgeschermd door de romp van het vliegtuig.
Onzuivere bochten veroorzaken meer weerstand. Je herstelt zo'n situatie door voeten 'tegen' te geven of de dwarshelling aan te passen. Met 'tegen' wordt bedoeld, tegen de richting die het piefje aangeeft.
 
 
BELASTINGSFACTOR 
Op de afbeelding hierboven zie je dat je bij 60° dwarshelling een g-kracht van twee maal het gewicht optreedt. Bij meer dan 60° lopen de g-krachten snel op.
Bij zo'n 80° dwarshelling vlieg je met 5g. Deze krachten voel je ook duidelijk. Het voetenstuur bedienen lukt nog wel maar een voet of een hand optillen gaat zwaar. Een onbeheerste ruk aan de stuurknuppel zorgt dan voor overbelasting van het vliegtuig. Daarom moet je altijd beheerst het zweefvliegtuig horizontaal leggen en rustig uit een duikvlucht optrekken.
 
Wanneer je uit een duikvlucht optrekt voel je dat de G-krachten snel toenemen. Zodra je horizontaal hebt gelegd is de belasting al veel minder. Je moet dan nog wel rustig de hoge rsnelheid terug brengen, want als je te snel optrekt ga je alsnog overbelasten De heftigheid waarmee je uit een duikvlucht optrekt, kan ook gemeten worden in het aantal g's dat je trekt.
 
De belasting van het vliegtuig wordt aangegeven met de belastingsfactor n.  De belastingfactor is lift gedeeld door de zwaartekracht. Je berekent de belastingfactor n als volgt:
 
 
  • n = de belasting in g;
  • V = vliegsnelheid
  • Vstall= overtreksnelheid

Als de overtreksnelheid 65 km/h is en het zweefvliegtuig wordt overtrokken bij 195 km/h, dan is de belasting:

(195:65)2 = 9 g

Bij de overtreksnelheid is de lift bijna gelijk aan het gewicht. De belastingfactor n is dan 1. Vlieg je met een snelheid van 195 km/h in een zweefvliegtuig (met een maximale manoeuvreersnelheid die lager dan 195 km/h is), en je trekt dan de stuurknuppel snel en volledig naar achteren, dan overbelast je het vliegtuig. Je veroorzaakt dan mogelijk een high speed stall (een overtrokken vliegsituatie waarbij het vliegtuig bij een hoge snelheid door een te grote invalshoekvergroting overtrekt). 
 
Bij een 60 graden-bocht spreken we wel van een 2g-bocht. Je kunt ook zeggen: de belastingsfactor n is 2, want er is twee keer zo veel lift nodig en dit oefent een twee keer zo'n grote belasting uit op het vliegtuig. 
 
MANOEUVREERBELASTING EN REMOUSBELASTING

Als de extra belastingen op het zweefvliegtuig het gevolg zijn van de stuurbewegingen van de vlieger, dan heet dat manoeuvreerbelasting.

Wanneer je met een zweefvliegtuig in onrustige lucht vliegt en het zweefvliegtuig krijgt, door een plotselinge invalshoekvergroting door onrustige lucht (remousstoten) een veel grotere liftkracht dan nodig is om het vliegtuiggewicht te dragen, dan noemen we dat remousbelasting.  Ook deze remousbelasting wordt weergegeven met de belastingfactor n.

Hoge manoeuvreerbelastingen in combinatie met remousbelasting in onrustige lucht kunnen tot te grote belastingen op het vliegtuig leiden.

Een zweefvliegtuig is zo gemaakt dat het licht in gewicht is en tegelijk voldoende sterk om er veilig mee te kunnen vliegen. Het moet voldoende sterk zijn voor het doel waarvoor het gebruikt wordt. Een aerobatic vliegtuig moet sterker zijn dan een LS4 waar geen kunstvluchten mee mogen worden gemaakt.

Om veilig met een zweefvliegtuig te vliegen moet je binnen de goedgekeurde grenzen van het zweefvliegtuig blijven. Bij het aanvragen van een type cetrificaat geeft de fabrikant aan of het zweefvliegtuig tot de categorie Utility behoort of tot de categorie Aerobatic. In EASA CS-22 staan de eisen waaraan een zweefvliegtuig moet voldoen. Hieronder zie je aan welke belastingfactoren een zweefvliegtuig bloot gesteld moet kunnen worden zonder dat er schade optreedt. Vheet de manoeuvreersnelheid. Boven deze snelheid mag geen plotselinge volle roeruitslag worden gegeven, omdat de belastingen op het vliegtuig dan te hoog kunnen zijn. 

Utlility Aerobatic
VA +5,3 +7
Vne +4,0 +7
Vne-negatief -1,5 -5,0
VA-negatief -2,65 -5,0

 

BELASTINGDIAGRAM

In een belastingsdiagram wordt de belastingsfactor (n) uitgezet tegen de vliegsnelheid (V). Het wordt ook wel het V-n-diagram genoemd. Hieronder zie je een belastingsdiagram gemaakt voor een LS4. In de afbeelding zie je een groen gebied. Wanneer je in het lichtgroene gebied blijft en je houdt je aan de beperkingen die het handboek voorschrijft, dan veroorzaak je geen schade, breuk of  flutter.

 

Uit het handboek van een LS4 komen de volgende gegevens:

  1. Vne 280 km/h
  2. VA 190 km/h
  3. groene gebied op de snelheidsmeter 100 - 190 km/h
  4. gele gebied op de snelheidsmeter 190 - 280 km/h (roeruitslagen maximaal 1/3)
  5. bij 190 km/h 5.3 g positief en negatief 2,65 g
  6. bij 280 km/h 4 g positief en 1,5 g negatief
  7. geen aerobatics
Met deze gegevens kun je het manoeuvreerdiagram maken. Hieronder wordt dat in vier stappen uitgelegd.
 

Je ziet hier een grafiek met op de horizontale as de snelheid in km/h. Op de verticale as zie je de belastingfactor n. Naar boven staan de positieve krachten, dus krachten die ontstaan door bijvoorbeeld steile bochten of optrekken uit een duikvlucht. Van 0 omlaag zie je de negatieve krachten. Dus krachten die ontstaan als je tijdens het vliegen de stuurknuppel fors naar voren duwt. Bij die krachten kom je los van je stoel en hang je in de riemen.

De rode lijn geeft de grens waarbij het vliegtuig overtrokken raakt. Bij gewoon rechtuit vliegen vlieg je met 1 g. Oftewel met een belastingsfactor van n = 1. Vlieg je horizontaal zo langzaam dat je overtrekt, dan vlieg je met Vs1 (Vs = stall-snelheid).  Tot aan de Va kan een zweefvliegtuig niet worden overbelast omdat deze dan eerder overtrekt. Daarom staat er in de belastingsdiagram: Niet mogelijk. 

De LS4 hoort thuis in de categorie Utility. De belastingsfactor is maximaal 5,3 (n= 5,3). Z'n overtreksnelheid bij vliegen zonder waterballast is 65-70 km/h en met waterballast 80-86 km/h (bij n=1). 

Bij 190 km/h trekken we een lijn naar 5,3. Op de horizontale lijn tekenen we van 100 km/h tot 190 km/h een groene lijn. Deze gegevens komen weer uit het handboek van de LS4. De groene lijn die op de snelheidsmeter staat geeft aan dat onder de 190 km/h nog volledige roeruitslagen gegeven mogen worden (zie ook: 8.2.3 Belastingen op een zweefvliegtuig)

Bij 280 km/h is de Vne getekend. De maximum snelheid. Op de horizontale lijn zetten we net zoals dat op de snelheidsmeter staat een rode streep. Bij 280 km/h mag dit zweefvliegtuig maximaal tot n = 4 belast worden. Naast Vne staat Vd. Vd is de ontwerpduiksnelheid. Het zweefvliegtuig is, om een bewijs van luchtwaardigheid te krijgen, getest op deze snelheid. Vne (de maximum toegelaten snelheid) ligt daar voor. Vne is 0,85 keer Vd. Overschrijden van de Vne is niet toegestaan, het kan leiden tot schade of breuk.

We kunnen nu ook het gele stuk tekenen. Dit is het gele stuk dat ook op de snelheidsmeter staat. Aan het begin van de gele stuk staat VA en dat geeft aan dat je bij snelheden boven VA geen volledige roeruitslagen meer mag geven. Bij Vne moeten de uitslagen kleiner zijn dan 1/3 van een volledige uitslag om overbelasting te voorkomen. Bij het maken van een zoemer of bij een wedstrijdfinish met hoge snelheid aan komen vliegen en na de finish steil optrekken (met daarbij ook nog de kans om door turbulentie of thermiek een remousstoot te krijgen) kan leiden tot te grote belastingen op het zweefvliegtuig. 

Op deze afbeelding zie je dat op dezelfde manier ook de belastingsfactor voor negatieve krachten getekend is. Onthoud dat de maximale negatieve belasting altijd lager is dan de maximale positieve belasting. Bij rustig weer mag je binnen het groene gebied dat op de snelheidsmeter getekend staat vliegen. Bij onrustige lucht mag je tot aan 190 km/h vliegen. Va is daar dan VRA (velocity rough air) maximum snelheid bij onrustige lucht. Bij turbulentie of thermiekstoten kan het vliegtuig met een snelheid die lager is dan Vne toch schade oplopen. Vandaar dat bij onrustige lucht de maximum snelheid een stuk lager ligt dan Vne.

Vlieg je buiten het groene gebied dan is er een kans op schade aan het vliegtuig en belast je het vliegtuig nog meer dan kan er breuk of flutter ontstaan.

Veiligheidsfactor Het is niet zo dat een vliegtuig buiten het groene gebied direct knapt. De fabrikant moet d.m.v. breuktesten bewijzen dat het vliegtuig nog minstens een factor 1,5 sterker is. Dit is de veiligheidsfactor. 

 

FLUTTER

Flutter is een onstabiele trilling die in korte tijd tot breuk kan leiden. Een zweefvliegtuig kan alleen een bewijs van luchtwaardigheid krijgen als de fabrikant d.m.v. testen heeft aangetoond dat de vleugel de vereiste sterkte heeft en dat een vleugel stijf genoeg is om d.m.v. demping een trilling in de vleugel weer ongedaan te maken. 

Bij de kritische fluttersnelheid blijft de trillingsbeweging gehandhaafd, de demping is hier gelijk aan nul. Bij snelheden net boven de kritische fluttersnelheid kan door een kleine verstoring zoals bijvoorbeeld turbulentie, een trillingsbeweging beginnen met steeds toenemende grootte en sterkte van de trilling. Dit wordt flutter genoemd.

Flutter mag pas optreden als de maximum snelheid met 20% wordt overschreden. De sterkte en de demping gelden alleen binnen de aangegeven snelheidsgrenzen. Zorg er dus voor dat je nooit meer dan de toegestane G-krachten overschrijdt waarvoor het toestel is toegelaten en nooit sneller vliegt dan de maximum snelheid. De maximum snelheid noemen we Vne (V-never exceed).

Tijdens het vliegen kan de vleugel door een roeruitslag of remousstoot in trilling worden gebracht. Dit kan een buigingstrilling of een torsietrilling (draaiingstrilling om dwarsas) zijn. 

De buigingstrillingen en de torsietrillingen zullen bij de toegestane snelheden door de stijfheid van de vleugel snel uitdempen. Bij sneller gaan vliegen neemt meestal de buigingsfrequentie toe en neemt de torsiefrequentie af. Vlieg je buiten het toegestane snelheidsgebied dan kan het zijn dat de buigingstrilling en de torsietrilling elkaar naderen en elkaar versterken. In enkele seconden kan de vleugel dan breken.

Wanneer het vliegtuig een rolroer heeft met teveel speling, dan kan het rolroer de vleugel steeds een extra duw geven die de trilling vergroot. Bij een goed onderhouden vliegtuig dat binnen de toegestane begrenzingen gebruikt wordt, zal geen flutter ontstaan. Mocht je bij hoge snelheid toch trillingen voelen in de stuurvlakken, verminder dan de snelheid.