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Fliegt sie ... ... oder fliegt sie nicht?


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aerokurier - epaper ⋅ Ausgabe 12/2022 vom 15.11.2022

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Bildquelle: aerokurier, Ausgabe 12/2022

Der Start einer Cessna 172 H in Kempten-Durach endet mit einer Notlandung in einem nahe gelegenen See. Die Ausgangssituation ist ebenso typisch wie tückisch: Der Pilot der mit vier Personen besetzten Maschine – es ist eine mit 145 PS recht schwach motorisierte Variante des bewährten Viersitzers – tankt im Verlauf eines bis dahin reibungslosen Flugs in Kempten-Durach nach. Bei sommerlichen 24 Grad Celsius startet das Flugzeug mit 51 Litern mehr Sprit an Bord auf Gras wieder in südliche Richtung. Die Abflugmasse liegt jetzt knapp unter den zulässigen 1043 Kilogramm. Die Dichtehöhe in Kempten, Elevation 2323 Fuß, beträgt 4200 Fuß. Der Pilot begeht den Fehler, entgegen den Angaben im Handbuch mit 30 Grad Klappen zu starten, um dem Flugzeug mehr Auftrieb zu verschaffen. Nach dem Verlassen des Bodeneffektes nehmen Höhengewinn und Geschwindigkeit ab, die Stall-Warnung ertönt. Rund 30 Meter ...

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... über Grund lässt sich der Schulterdecker kaum mehr stabil in der Luft halten. Der Pilot trifft die einzig sinnvolle Entscheidung und landet auf der Wasseroberfläche. Das Resultat: Zwei Schwerund zwei Leichtverletzte sowie ein schrottreifes Flugzeug auf dem Grund des Sees. Details analysiert der Unfallbericht auf Seite 42. An dieser Stelle geht es um die Herausforderungen beim Start – unter anderem auch darum, warum das Setzen von Klappen beim Takeoff nicht immer eine gute Idee ist.

Ein oft genutztes Schlagwort ist „Risikostart“ – eigentlich ein sehr unglücklicher Begriff. Solange ein Start auf Basis der Werte im Flughandbuch stattfindet, der Pilot also vorab gewissenhaft rechnet, kann von Risiko keine Rede sein. Startstrecken lassen sich ebenso berechnen wie Weightand-Balance und oft auch die zu erwartenden Steigwerte. Etliche Flughandbücher älterer Maschinen aus den 1960er und 1970er Jahren enthalten zwar keine umfassenden Tabellen und Diagramme zu Startrollstrecke und Steigrate, die wesentlichen Daten sind aber auch darin enthalten. Findet sich ein Wert mal nicht exakt im Handbuch, so ist es als gute Praxis anerkannt, zu interpolieren.

Selten wird in der General Aviation ein Pilot für einen Routinestart eine detaillierte Berechnung ausführen. Wer sein Flugzeug kennt und mit dem Flugplatz vertraut ist, kommt auch ohne eingehende Zahlenspiele sicher in die Luft. Hier greift die eigene Erfahrung, schließlich ist es tatsächlich unnötig, die Startszenarien immer und immer wieder neu zu berechnen, solange ihre Werte dieselben sind.

Ein „Risikostart“ liegt auch dann nicht vor, wenn sich der Pilot am Rand der vom Hersteller erflogenen Bedingungen bewegt. Herrschen wie bei besagtem Unfall in Kempten Hot-and-high-Bedingungen, hat das Handbuch das letzte Wort. Wenn alles passt, kann ohne Bedenken gestartet werden. Die Margen sind geringer als unter Standardbedingungen, aber im Rahmen der Herstellervorgaben ausreichend. Dann aber bitte ehrlich rechnen: Wiegt der Passagier mit Kleidung und Schuhen wirklich nur 80 oder eher 90 Kilogramm?

Ist das Putzset im Gepäckfach eingerechnet? Steht der Wind tatsächlich auf der Bahn? Wie voll ist der Tank? Und wie hoch ist die Baumreihe im Abflug?

Auf fremden Plätzen sieht es hinsichtlich Bahnbelag und Hindernissen im Abflug manchmal schon schwieriger aus. Gerade wenn die Bedingungen keine klare Einschätzung für oder gegen einen Start zulassen, wenn also eine Grenzsituation vorliegt, neigen viele Piloten dazu, nicht so genau hinzuschauen. Erfolg und Scheitern liegen dann unter Umständen sehr nah beieinander. Sind Startstrecke, Pistenlänge und Hindernissituation nicht in Einklang zu bringen, muss mindestens ein Parameter geändert werden: Beispielsweise bleibt ein Passagier am Boden, oder man wartet auf kühlere Bedingungen in den Abendstunden.

Sauberes Fliegen ist bei Starts am, aber nicht jenseits des Limits oberstes Gebot. In dieser Flugphase gilt es ganz besonders, die Geschwindigkeiten VXfür den besten Steigwinkel und V Yfür die beste Steigrate einzuhalten. Es sollte dem Piloten bewusst sein, dass er jetzt mit der Energie haushalten muss. Jede Richtungsänderung kostet Energie und damit ein kleines Stück der Reserve. Zudem erhöht sich im Kurvenflug die Stall Speed. Auch gelten die ermittelten Werte nur für technisch einwandfreie Flugzeuge. Zu wenig Druck in den Pneus, ein verstopfter Luftfilter oder verrußte Zündkerzen können die Leistung drastisch mindern. Verfahren aus dem Flughandbuch in Eigenregie zu modifizieren, ist tendenziell zum Scheitern verurteilt. Der Pilot aus Kempten-Durach wollte sich mit ausgefahrenen Klappen vermutlich mehr Auftrieb verschaffen, hat damit aber gleichzeitig mehr Widerstand erzeugt, was die Steigrate deutlich ausgebremst haben dürfte. Physik lässt sich nun mal nicht austricksen.

Einzig an einem Punkt kann man von Risiko beim Start sprechen: Nämlich dann, wenn gewisse Werte im Handbuch nicht enthalten oder nicht eindeutig sind. Ist die Graspiste nass oder mit Schnee bedeckt, kommt man mit den verfügbaren Angaben oft nicht weiter. Erfahrungswerte können helfen; ein schwammiges Bauchgefühl oder eine trügerische Pi-mal-Daumen-Rechnung sind aber keine Entscheidungsgrundlage!

Der Bodeneffekt

In Bodennähe werden Luftwirbel an den Flügelspitzen abgelenkt. Dadurch reduziert sich der induzierte Widerstand. Unter dem Flugzeug bildet sich eine Art Luftkissen, das für einen erhöhten Auftrieb sorgt. Durch den geringeren Abstand der Tragflächen zum Boden wirkt der Effekt bei Tiefdeckern oft stärker.

Der Bodeneffekt hilft bei Starts von kurzen oder unbefestigten Pisten. Der Pilot kann das Flugzeug dabei früh von der Piste ziehen und dann in Bodennähe mit erhöhtem Auftrieb Fahrt aufnehmen. Da der Rollwiderstand dadurch wegfällt, nimmt das Flugzeug schneller Fahrt auf. Verlässt das Flugzeug dann den Bodeneffekt, reduzieren sich bei gleich bleibender Motorleistung Fahrt und Auftrieb. Bei der Landung kann der Bodeneffekt umgekehrt zu langem Ausschweben führen.

Problematisch wird es, wenn die Durchführbarkeit des Starts weder bei der Abschätzung am Boden noch beim Startvorgang im Cockpit eindeutig feststeht. Der ein oder andere ist vielleicht schon mal in eine solche Situation geraten: Der Gashebel ist vorn, die Maschine beschleunigt, aber nur gemächlich. Die Faustregel, dass knapp 70 Prozent der Abhebegeschwindigkeit bei der Halbbahnmarkierung anliegen sollen, ist nicht immer hilfreich. Beispiel: Selbst wenn eine Cessna 172 zur Halbbahnmarkierung einer drei Kilometer langen Piste auf 50 Knoten beschleunigt hat, ist es eher unwahrscheinlich, dass sie ihre Abhebegeschwindigkeit bis zum Bahnende noch erreicht. Hebt das Flugzeug also vor dem Pistenende ab? Und wie lang ist die Piste? Wird die Steigrate ausreichen, um Hindernisse auf der Abflugroute zu überfliegen? Fragen, die sich ein Pilot also nicht erst beim Rollen, sondern bei der Flugvorbereitung stellen sollte. Falls es doch ernst wird, muss die Entscheidung zum Startabbruch rechtzeitig und schnell getroffen werden.

Genügend Leistung ist wesentlich

In der Start- und Steigphase muss von Motor und Propeller genügend Schubleistung zur Verfügung stehen, um die Flugzeugmasse zu beschleunigen, den Luftwiderstand zu überwinden und den nötigen Auftrieb zu erzeugen. Dabei kommt das Gleichgewicht der Kräfte ins Spiel. Geradeaus- und Steigflug benötigen eine bestimmte Schubleistung des Propellers, die dem Luftwiderstand und der Schwerkraft entgegenwirkt. Reicht der Schub nicht aus, schafft es das Flugzeug nicht, sicher in die Luft zu kommen, sich oben zu halten und zudem noch zu beschleunigen. Salopp gesagt: Es kommt nicht über den Berg. Die Bandbreite reicht von gar keinem oder nur kurzem Abheben auf einige Meter über dem Boden mit anschließender Landung bis hin zum Abheben auf 100 bis 200 Fuß und der unvermeidbaren Notlandung. Eine Umkehrkurve hat dann wenig Aussicht auf Erfolg.

Bodeneffekt – wirksam in der Startphase

In der Anfangsphase eines Starts spielt der Bodeneffekt eine entscheidende Rolle. Durch dieses physikalische Phänomen, das bis zur Höhe einer Flügelspannweite seine Wirkung entfaltet, sind der Auftrieb in Bodennähe größer sowie der induzierte Luftwiderstand an den Randbögen und die benötigte Schubleistung geringer (siehe Infokasten). Reicht der verfügbare Schub fürs Abheben und Beschleunigen in Bodennähe gerade noch aus, heißt das noch lange nicht, dass er das auch für das weitere Fliegen außerhalb des Bodeneffekts tut. Dann sind ein stabiler Flug und das Halten der Höhe nicht möglich.

Zu wenig Power für die konkrete Situation

Wie aber kann es zu einer derart dramatischen Entwicklung wie im eingangs erwähnten Unfall in Kempten kommen? Interpretiert man das Unfallgeschehen, so ist folgendes Szenario wahrscheinlich:

Im Bodeneffekt konnte die Cessna aufgrund des geringeren Widerstands von 55 auf 70 Knoten beschleunigen. Nach dem Verlassen des Bodeneffektes ging die Fahrt vermutlich sukzessive in Richtung der Stall Speed von etwa 50 Knoten zurück – eben jene Maximalgeschwindigkeit, die mit der verfügbaren Leistung im Geradeausflug gerade noch gehalten werden konnte. Bis zu diesem Punkt war das Flugzeug auf ungefähr 30 Meter gestiegen, weil ein Großteil der Bewegungsenergie zwischen 50 und 70 Knoten in Höhe umgewandelt wurde (vgl. aerokurier 10/2022 „Performance für alle“).

Befindet man sich erst einmal in solch einer Situation, so sind die Optionen gering: Durch Drücken einen Teil der in Höhe gespeicherten Energie wieder in Geschwindigkeit umzuwandeln, funktioniert nicht. Es braucht ausreichend Luft unter den Flächen und genügend Leistung, damit das Flugzeug wieder in den Bereich geringeren Widerstands und höherer Geschwindigkeit kommt. Zieht der Pilot in solchen Situationen zu eifrig am Höhenruder, verschlimmert er seine Lage weiter und gelangt je nach Muster in einen Bereich, der als „behind the power curve“ bekannt ist. Selbst bei vollem Schub ist das Halten der Höhe mit hohem Anstellwinkel nicht mehr möglich. Eine Rückkehr in einen normalen Flugzustand ist in niedriger Höhe unmöglich.

Durch gute Vorbereitung Risikostarts vermeiden

Folgende fünf Empfehlungen können helfen, das Risiko beim Start zu minimieren:

1. Dichtehöhe, Pistenverhältnisse, Hindernisse und Zuladung prüfen

Eine Ursache für misslungene Starts ist die unzureichende Berücksichtigung leistungsmindernder Faktoren wie Luftdruck, Temperatur und Feuchtigkeit (vgl. aerokurier 12/2021 „Grenzen der Belastung“). Motor und Propeller sind gleichermaßen betroffen. Im Vergleich zur Standardatmosphäre können bei niedrigem QNH und hoher Luftfeuchtigkeit bereits Leistungsminderungen von zwei Prozent und mehr entstehen. Die Elevation der Flugplätze hat durch den Rückgang des Luftdrucks mit zunehmender Platzhöhe ebenfalls einen leistungsmindernden Effekt. Kommt dann noch eine hohe Temperatur dazu, steigt die resultierende Dichtehöhe schnell in Bereiche, die die Startstrecke erheblich verlängern können – im Flughandbuch ist der Performanceverlust detailliert nachzulesen. Der Grund ist klar: Es stehen, vereinfacht gesagt, weniger Luftmoleküle zur Verfügung. Der Propeller schaufelt also weniger Luft, und die Flügel produzieren weniger Auftrieb. Auch der Verbrennungsmotor generiert weniger Leistung, wenn er nicht turboaufgeladen ist.

Besonders bei schwach motorisierten Maschinen kann eine Minderung der von Haus aus knappen Leistung bereits dann spürbar sein, wenn die Abflugmasse deutlich unter der MTOM liegt. Die Standardmuster Cessna 172 und PA-28 sind mit Leistung von 145 bzw. 140 PS bis über 200 PS erhältlich. Es leuchtet ein, dass die schwach motorisierten Versionen schneller ihre Reserven einbüßen als die Topmodelle.

Im Beispiel Kempten kamen mit der hohen Lage des Platzes und der Temperatur mindestens zwei leistungsmindernde Faktoren zusammen. Die Triebwerksleistung war im Vergleich zur Standardatmosphäre um etwa zehn Prozent reduziert. Statt 145 PS standen also nur noch etwa 130 PS zur Verfügung.

2. Die richtige Gemischeinstellung vor dem Start festlegen

Neben der Luftdichte kann auch eine falsche Gemischeinstellung Ursache für eine Leistungsminderung beim Start sein. Um bei langen Rollstrecken oder langen Wartezeiten am Rollhalt kein allzu starkes Verrußen der Zündkerzen zu verursachen, ist die Abmagerung des Gemischs am Boden gängige Praxis. Lässt der Pilot den Runup-Check weg oder führt ihn nicht gründlich durch, kann es leicht passieren, dass der Gemischhebel beim Start nicht auf „Full Rich“ steht. Bei Start und Steigflug mit Vollgas kann es dann je nach Stellung des Gemischhebels dazu kommen, dass der Motor seine Maximalleistung nicht erreicht. Besser ist es, das Gemisch beim Rollen beherzt zu verarmen. Schäden drohen nicht, aber beim Setzen voller Leistung geht das Triebwerk einfach aus. Peinlich, aber besser als ein missglückter Start.

Bei großen Dichtehöhen bzw. hohen Temperaturen kann aufgrund der geringen Luftdichte ein zu fettes Gemisch die maximale Motorleistung ebenfalls reduzieren. Es ist also auch keine Option, den roten Hebel immer auf „Reich“ zu stellen. Dementsprechend stellt zum Beispiel Lycoming für seine nicht-turboaufgeladenen Motoren fest: „Bei einer Dichtehöhe von 5000 Fuß und darüber oder bei hohen Umgebungstemperaturen kann es bei vollfettem Gemisch zu Rauheit oder Leistungsabfall kommen. Das Gemisch sollte angepasst werden, um einen reibungslosen Motorbetrieb zu erhalten.“ Bei Festpropellern empfiehlt der Hersteller daher, auf Plätzen mit einer Dichtehöhe von 5000 Fuß oder höher vor dem Start bei Vollgas das Gemisch so weit abzumagern, dass sich die Maximaldrehzahl einstellt. Wird nicht geleant, kann daraus eine Leistungsminderung resultieren.

3. Vergaservorwärmung vor dem Start abschalten

Auch die Vergaservorwärmung reduziert die Startleistung des Motors deutlich: Sie muss vor dem Starten auf „kalt“ stehen. Stellt der Pilot die Vergaservorwärmung beim Run-up-Check auf „warm“ und vergisst, sie wieder abzuschalten, kann beim Startlauf ein Leistungsverlust eintreten. Je nach Triebwerk kann eine eingeschaltete Vergaservorwärmung die Motorleistung um bis zu 15 Prozent mindern. Wird die Vorwärmung bei großer Dichtehöhe im eingeschalteten Zustand vergessen, ist die Leistungsreduzierung der beiden Effekte zusammen umso größer. Darum: Vor dem „Ready for departure“ sicherstellen, dass die Vergaservorwärmung ausgeschaltet ist.

4. Richtige Klappenstellung beim Start kontrollieren

Ein Bedienfehler, der Auftrieb und Beschleunigung betrifft, ist die falsche Einstellung der Klappen beim Start. In den Flughandbüchern der meisten Standardmuster wird das Starten entweder ganz ohne Klappen oder in der kleinsten Stellung empfohlen. Wie schon die Bezeichnung deutlich macht, handelt es sich um Lande- und nicht um Startklappen. Sie dienen vor allem im Anflug zur Auftriebs- und Widerstandserhöhung. Der Luftwiderstand reduziert bei den meisten Mustern durch die bremsende Wirkung die Steigleistung, sodass beispielsweise auf 20 Grad gerastete Klappen in der Regel eine schlechtere Steigleistung zur Folge haben. Bildhaft ausgedrückt kommt ein Start mit vollen Klappen einem Start mit angezogener Handbremse gleich. Wie so oft bestätigen Ausnahmen die Regel: Bei der PA-28 erwähnt Piper auch den (Kurz-)Start mit 25 Grad Klappen. Bei der Cessna 172 aus unserem Beispiel kann es leicht passieren, dass die ohnehin geringen Leistungsreserven schnell in einen gefährlichen Bereich sinken. Das Motto „Viel hilft viel“ ist also nicht nur falsch, sondern sogar lebensgefährlich.

5. Faktor Mensch: Handwerkliche Fehler im Cockpit vermeiden

Auch handwerkliche Ungenauigkeiten des Piloten können für böse Überraschungen bei einem eigentlich problemlosen Start sorgen. Natürlich sollte man das Gas nicht abrupt nach vorne stoßen, doch setzt man die Leistung zu zögerlich, wird die Maschine nur langsam beschleunigen. Bremsen halten, Leistung setzen und erst dann losrollen, ist deshalb Bestandteil üblicher Kurzstartverfahren. Wer dann nicht rechtzeitig rotiert, wird mit einer längeren Rollstrecke bestraft. Die richtige Geschwindigkeit einzuhalten ist auch nach dem Abheben geboten: Nur mit V Xwerden Hindernisse im Abflug mit größtmöglichem Abstand überflogen. Die Geschwindigkeit für den besten Steigwinkel sorgt für den größten Höhengewinn auf der kürzesten horizontalen Strecke. Tipp: Die meisten Flughandbücher geben nicht nur die Startrollstrecke an, sondern auch die Startstrecke über ein 15 Meter hohes Hindernis. So kann ermittelt werden, ob der Start über die Baumreihe im Abflugbereich möglich ist. Erst wenn alle Hindernisse überflogen sind, geht es mit V Y,der Geschwindigkeit für den größten Höhengewinn in der kürzesten Zeit, weiter.

Geschwindigkeiten bei Start und Steigflug

Mit der Geschwindigkeit des besten Steigwinkels (VX) gewinnt das Flugzeug über die kürzestmögliche horizontale Distanz bestmöglich an Höhe. Jenseits eines Hindernisses kann der Steigflug mit der V Yfortgesetzt werden. Jetzt ist nicht mehr die Strecke entscheidend, sondern das Steigen pro Zeiteinheit.

Fazit

Risikostarts zu vermeiden, ist Sache des Piloten. Hält er sich an die Angaben von Handbuch und Checkliste und arbeitet diese vor jedem Start konsequent ab, kann es weder zu falsch gesetzten Klappen noch zu eingeschalteter Vergaservorwärmung oder zu einer falschen Einstellung des Gemischs kommen. Führt der Pilot außerdem die Flugvorbereitung akribisch durch und akzeptiert deren Ergebnisse, sind er und die Passagiere auf der sicheren Seite – auch wenn das in der Konsequenz bedeutet: am Boden bleiben, die Beladung ändern oder bessere Bedingungen abwarten. Ein hohes Risiko ist selbst während des Startlaufs oft nicht eindeutig erkennbar. Umso wichtiger sind eine gute Vorbereitung sowie eine klare und schnelle Entscheidungsfindung, wenn sich Probleme abzeichnen. ae

Günther Schöffner / CB / pat