Lastvielfache

Als Lastvielfaches bezeichnet man das Verhältnis der vektoriellen Summe aus dem am Flugkörper angreifenden Luftkräften (FL=FA+FW+Fz,a) und dem Schub FS zum Betrag des Fluggewichts.
Das Lastvielfache n als räumlicher Vektor besteht aus 3 Komponenten: dem Längslastvielfachen, dem normalen Lastvielfachen und dem seitlichen Lastvielfachen. Diese Komponenten werden in der Regel auf die geschwindigkeitsfesten Koordinatenachsen bezogen.
Das Längslastvielfache nx:
das Längslastvielfache nx ist die in Richtung der geschwindigkeitsfesten Längsachse liegende Komponente des Lastvielfachen, wirkt also in Richtung der Beschleunigung durch das Triebwerk (positives nx) oder bremst das Flugzeug ab (negatives nx ). Es hängt ab von
  • der Flughöhe,
  • der Fluggeschwindigkeit,
  • dem Fluggewicht,
  • dem normalen Lastvielfachen ny (über den Widerstand) und
  • der Leistungsstufe des Triebwerkes.
Die Veränderung des verfügbaren Längslastvielfachen nx,verf für den Horizontalflug in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Höhe wird durch den Verlauf der Schubkurven (blau) bestimmt. Je ein sich schneidendes Kurvenpaar gehört zu einer bestimmten Flughöhe. Die obere Kurve zeigt den Verfügbaren Schub des Triebwerkes an, die untere den erforderlichen Schub. Nebenstehendes Bild erläutert das Zustandekommen der unterschiedlichen Werte für nx. Im Bereich des größten Schubüberschusses (größter Abstand der blauen Kurven in den beiden oberen Bildern), lassen sich die größten Werte für nx erreichen. Die Kenntnis der Geschwindigkeiten mit dem höchsten Schubüberschuss ist für die erfolgreiche Durchführung eines Manöverluftkampfes unerlässlich.

aus den Schubkurven lassen sich z.B. Kurven für die Längsbeschleunigung ableiten. (Bild rechts).
Diese Kurven gelten immer für ein festgelegtes Fluggewicht und eine bestimmte Höhe.
An den Kurven der Lastvielfachen kann man das Beschleunigungsvermögen des Flugzeuges ablesen.
Z.B. erreicht das Flugzeug bei dem Lastvielfachen (ny) 1 (also im Horizontalflug) bei ca. Mach = 0,5 den höchsten Wert für die Längsbeschleunigung.
Bei einem ny von 5 ist eine positive Längsbeschleunigung nur noch im Bereich von M=0,9 möglich, bei Geschwindigkeiten darüber oder darunter kommt es zu einem Geschwindigkeitsverlust.
Für die MiG-21 bedeutet dies, dass bei Geschwindigkeiten von ca. 800 km/h in geringen Höhen bei Nachbrennerkurven mindestens ein Lastvielfaches von 5 geschaffen werden musste, sonst holt das Flugzeug Überschall auf. Das entspricht nach der Formel für das Kurvenlastvielfache ny = 1/cosSchräglage einer Schräglage von rund 80° !!

 Das normale Lastvielfache ny:

das normale Lastvielfache ny ist das Verhältnis des Auftriebs zum Fluggewicht.
Es ist das Lastvielfache, welches wir in einem Gefühl „des in den Sitz gepresst zu werden“ oder dem Gefühl der Schwerelosigkeit erleben.
Es wirkt immer in Richtung Kopf – Beine und wird landläufig auch mit der „G-Belastung“ bezeichnet.
„4 g“ würde also bedeuten, dass eine Kraft auf den Körper wirkt, die vier mal so groß ist wie sein Eigengewicht. Im täglichen Leben wirkt auf den menschlichen Körper die einfache Erdbeschleunigung, das ist „1 g„. Während des Kunstfluges (oder auch einer Achterbahnfahrt) können schonmal bis zu „5 g“ wirken.
Bei höheren Belastungen sackt dann das Blut aus dem Kopf in die unteren Körperregionen und es kommt zum sog. „Blackout“, dem Verlust der Sehfähigkeit bis hin zur Bewusstlosigkeit. Durch Training, besondere Atemtechniken und Hilfsmittel (z.B. Anti-G-Hosen, bei denen mit zunehmender Belastung durch Aufpumpen der Hose mit Druckluft das Absacken des Blutes verhindert wird) sind im Manöverluftkampf Lastvielfache bis „9 g“ verträglich.
Das ny ist eine der charakteristischen Kenngrößen des Flugzeuges, wenn es um die Beurteilung der Manövrierfähigkeit geht.

Aus der Formel rechts ist ersichtlich, dass das ny von der Luftdichte, der Flugeschwindigkeit, vom Auftriebsbeiwert, der Flügelfläche (alles zusammen bildet den Auftrieb) und dem aktuellen Fluggewicht abhängt. Einflussreichste Größe ist dabei der Auftriebsbeiwert ca, der über den Anstellwinkel verändert werden kann (Siehe Polare).

Beim Erreichen von akrit (a kritisch), dem kritischen Anstellwinkel, erreicht auch der Auftriebsbeiwert ca sein Maximum. Dabei ist das Verhältnis von Auftrieb und Fluggewicht am größten. Daraus folgt: je größer der nutzbare Anstellwinkel – desto größer das erreichbare ny.Das bei maximalen Auftriebsbeiwert erreichbare ny nennt man Lastvielfaches bei maximalen Auftriebsbeiwert ny,ca,max, – kurz ny,max .
Größere ny als ny,max sind nicht erreichbar. Der maximale Auftriebsbeiwert ist abhängig von der Machzahl und wird nahezu im gesamten Unterschallgeschwindigkeitsbereich beim Anstellwinkel akrit erreicht.
Im Überschallbreich ist selbst bei vollem Höhenruder- bzw. Flossenruderausschlag der kritische Anstellwinkel nicht mehr schaffbar und der maximale Auftriebsbeiwert (und damit das ny) ist durch den Flossenruderausschlag begrenzt.
Die Belastung des Flugzeuges nimmt im Bereich der positiven Lastvielfachen irgendwann Werte an, die die Konstruktion schädigen bzw. sogar zerstören (sog. Bruchlastvielfache – MiG-21 bei ca. „12 g“).
Aus diesem Grund werden für jedes Flugzeug bestimmte zulässige Betriebslastvielfache ny,zul Betr in Abhängigkeit von Geschwindigkeiten und Konfigurationen festgelegt. Für solche Flughöhen und Geschwindigkeiten, bei denen ny durch akrit (a kritisch) begrenzt ist, muss das beim Fliegen erlaubte normale Lastvielfache ny auf zulässige Werte begrenzt werden. Durch diese Begrenzung wird eine genügend gute Stabilität und Steuerbarkeit und eine genügend große Anstellwinkelreserve bis zum Abkippanstellwinkel gewährleistet.
Das durch Anstellwinkelbegrenzung als Höchstwert nutzbare Lastvielfache ny nennt man zulässiges normales Lastvielfaches, begrenzt durch den Anstellwinkel ny, zul .

 
Stellt man die Kennkurven für die Lastvielfache nicht in Abhängigkeit von der Machzahl sondern von der Gerätegeschwindigkeit VG dar, so sind diese im Bereich kleiner und mittlerer Geschwindigkeiten nur wenig von der Flughöhe abhängig.
In diesem Geschwindigkeitsbereich kann man die Kurve für ny,zul als Funktion von VG durch eine Gerade annähern. Die Gleichung für diese Gerade lautet:

Das mit dieser Gleichung erhaltene sichere Lastvielfache sagt aus, bis zu welchen Lastvielfachen bei welcher Geschwindigkeit geflogen werden kann, ohne in den Bereich des Abkippens zu gelangen.
Für die MiG-21 bedeutet dies, dass z.B. bei einer Geschwindigkeit von 600 km/h ein sicheres Lastvielfaches von 4 geschaffen werden kann.
Bei 900 km/h wäre dies ein Lastvielfaches von 7.
Gleichzeitig resultiert daraus aber auch, dass man selbst bei hohen Unterschallgeschwindigkeiten das Flugzeug in den Abkippzustand (Überschreiten akrit (a kritisch)) bringen kann. Dann war besonders bei Kurven mit großen Schräglagen ein besonderes Augenmerk auf die Geschwindigkeit zu richten.
Ab der Version „MF“ verfügten alle Flugzeuge über einen Anstellwinkelanzeiger, mit dem sich der Bereich bis akrit (a kritisch) gut einhalten ließ.
Bis dahin wurde nach obiger Formel das sichere Lastvielfache eingehalten (das ny wird in der Kabine angezeigt). Gleichzeitig „meldete“ sich das Flugzeug mit Schütteln und Schaukeln, wenn es sich dem Bereich akrit (a kritisch) näherte. Der Pilot kann somit auch am Verhalten des Flugzeuges erkennen, ob er das sichere Lastvielfache überschreitet (er spürt es sozusagen im Hintern ;-)))).