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Dynamischer Segelflug

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Mit Dynamischer Segelflug im engeren Sinne bezeichnet man eine Segelflugtechnik, bei der unter Ausnutzung von Geschwindigkeitsunterschieden in Windströmungen Energie gewonnen wird. Oft wird der Stil auch als DS oder "Dizzen" bezeichnet. Im Gegensatz zur obigen Formulierung werden diese zwei kaum als 'Segelfliegen mit abwechselnd schneller Gangart, aber mit "traditionellen" Formen des Höhengewinns' verstanden (was dynamisch Segelfliegen im weiteren Sinne auch heißen kann.)

DS illustration.png

Inhaltsverzeichnis

Grundprinzip

Wir haben es alle schon getan: Der Wind bläst kräftig; wir halten den Segler in der Hand und laufen einige Schritte gegen den Wind und lassen uns den Flieger aus der Hand ziehen. Der macht einen Satz und wir stabilisieren ihn ein paar Meter höher mit einem beherzten Griff ins Tiefenruder. Durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem festen Erdboden und dem Wind haben wir Energie (in diesem Fall in Form von Höhe) gewonnen. DS ist genau das, aber immer wieder.

Wie soll das aber zugehen? Wir wissen aus obigem Beispiel: Die Windenergie (jedenfalls des horizontal blasenden Windes) lässt sich nur ausnutzen, solange wir einen Bezug zum festen Erdboden haben. Sei es, wie eben genannt, durch den Starter, der am Boden steht, oder sei es durch ein Hochstartseil, an dem das Flugzeug den Gegenwind fängt und zum Energiegewinn ausnutzt, oder sei es ein Drachen, der an seiner Schnur im Wind steigt. Sobald aber diese Fesselung fehlt, gleicht sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs in wenigen Sekunden an die Windströmung an und danach fliegt es nur noch relativ zur bewegten Luftmasse; Energiegewinn ist dann nicht mehr möglich.

Außer, es gibt Unterschiede in den Geschwindigkeiten dieser bewegten Luftmasse. Dann nämlich können wir durch die Trägheit des Flugzeugs Bewegungsenergie des einen Luftpakets in das andere mit abweichender Geschwindigkeit mitnehmen und dort zum Energiegewinn nutzen. Genau so, wie wir beim Handstart die anfangs überhöhte Relativgeschwindigkeit zum Höhengewinn genutzt haben.

Der Einfachheit halber wollen wir zunächst den Fall betrachten, dass eine Windstömung mit konstanter Geschwindigkeit über ein ruhiges Luftpaket hinströmt. Die Grenzfläche dazwischen nennt man Scherung. Das kann in Realität an einer Geländeform wie oben gezeichnet der Fall sein. (Den oben gezeichneten Rotor mit Rückströmung lassen wir im Gedankenmodell zunächst weg; wenn wir das Prinzip einmal verstanden haben, können wir uns überlegen, wie wir ihn in die ideale Flugbahn einbeziehen.)

In der folgenden Darstellung werden die Begriffe 'Groundspeed' und 'Airspeed' verwendet. Es ist nicht so, dass es die Begriffe nicht auch auf Deutsch gäbe, aber 'Geschwindigkeit über Grund' und 'Relativgeschwindigkeit zur Luft' sind recht unhandlich...

Wir fangen über der Windscherung an, fliegen mit Rückenwind ein. Zur Airspeed V0 des Flugzeugs addiert sich VW des Windes. Groundspeed ist also V0+VW.
DS-Scherung.durchstossen.png
Jetzt fliegen wir durch die Scherung. Unten haben wir Windstille. Das Flugzeug behält durch seine Trägheit seine Groundspeed bei. Airspeed ist jetzt: V0+VW, Groundspeed auch (wir sind ja in Windstille).

In der windstillen Zone fliegen wir nun eine möglichst verlustarme Wende gegen den darüber wehenden Wind. Der Einfachheit halber verlustfrei betrachtet kommen wir immer noch mit V0+VW Groundspeed und Airspeed unter der Scherfläche an.

Jetzt durchfliegen wir die Scherfläche von unten nach oben. Dabei steigt die Airspeed nochmal um den Betrag von VW an. Airspeed ist jetzt V0+2VW. Groundspeed immer noch V0+VW.

Oben folgt eine Wende von Gegenwind nach Mitwind. Airspeed immer noch V0+2VW. Groundspeed jetzt aber bereits V0+3VW (bedingt durch den Rückenwind).

Beim Abtauchen unter die Scherung, in die Windstille, wird obige Groundspeed auch zur neuen Airspeed, also V0+3VW.

Und so weiter. Bei jedem Durchfliegen der Scherung steigt die Airspeed um die Geschwindigkeitsdifferenz der Luftmassen an. Dabei versucht man die Flugrichtung in einer möglichst verlustarmen Wende gegen den relativen Wind in der jeweils anderen Schicht zu richten, bevor man durch die Scherung in die andere Schicht einfliegt. Die dabei erreichbare Energie, bzw. Geschwindigkeit ist enorm.

Die Groundspeed ist jeweils auf dem Mitwind-Teil der Flugbahn am höchsten, die Airspeed unmittelbar nach dem Durchfliegen der Scherung (real ist ja ständiger Energieverlust überlagert; der beginnt sofort nach dem Energiegewinn beim Durchfliegen der Scherung).

Das funktioniert mit einem Rotor noch besser, da dann zusätzlich unten ein Wind entgegen der eigentlichen Windrichtung strömt, der weiter zur Beschleunigung beiträgt. Allerdings wird die Scherfläche dicker und unruhiger (ist der Kern des Rotors). Außerdem muss für optimalen Energiegewinn tief genug ins Lee geflogen werden, um möglichst die volle Gegenwindkomponente der Rückströmung zu nutzen.

Damit DS möglich ist, muss theoretisch nicht unbedingt eine scharfe Trennung zwischen den Luftschichten vorhanden sein, auch wenn das die Technik sehr vereinfacht. Im Prinzip reicht schon die gegenüber dem Boden vorhandene Grenzschicht, wenn sie deutlich ausgebildet ist. Es wird dann die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen viel Wind in der Höhe und wenig Wind am Boden ausgenutzt. Bisher sind erfolgreiche Versuche, in solchen Verhältnissen mit Modellen zu fliegen, nicht bekannt. Der Albatros beherrscht diese Technik perfekt.

Geeignete Geländeformen

Das Gelände muss sicherstellen, dass sich die Windströmung ablöst. Relativ scharfe Kanten begünstigen das. Auch eine Baumreihe am Grat hilft, dass sich die Windströmung vom Boden löst. Ein Luvhang (Fronthang) hilft, muss aber nicht unbedingt sein. Ideal ist natürlich, wenn man an einem Fronthang zunächst im konventionellen Hangflug Höhe tanken und dann ins Lee zum Dizzen abtauchen kann.

Wie beim Hangflug ist eine Geländeform, die den Wind bündelt, von Vorteil ("Düse", Sattel). Schlecht sind gerundete Kuppen, da der Wind die Gelegenheit hat, seitlich auszuweichen. Lange, gerade Kanten sehen zwar zunächst gut aus. Oft weicht der Wind aber entlang der Kante aus. Solche Formen gehen nur gut, wenn das Vorfeld sehr frei ist und der Wind praktisch rechtwinklig auf die Kante steht.

Geeignete Modelle

Geeignet sind generell Segelflugzeuge, also Modelle mit gutem Gleitwinkel und geringem Stirnwiderstand, sofern sie eine hohe Biege- und Torsionsfestigkeit aufweisen (siehe Geschichte). Modelle mit denen in Europa Rekorde geflogen wurden sind in der Bestenliste eingetragen.

Geeignetes Zubehör

Es gibt einige Orte die zwar hervorragen zum Dizzen geeignet sind aber keine Startmöglichkeit bieten. In diesem Fall ist eine Flitsche hilfreich die genug Energie für die erste Runde liefert.

Zu steuernde Flugbahn

Sie ergibt sich aus dem oben erklärten Prinzip: Angestrebt wird, die Windscherung möglichst entgegengesetzt zur Geschwindigkeitsdifferenz in einem möglichst flachen Winkel zu durchfliegen. Damit wird die gewonnene Energie bei jedem Durchflug maximal. Danach soll in möglichst ruhiger Luft möglichst kurz, aber nicht zu kurz, gewendet werden. "Zu kurz" ist, wenn in der Wende durch den hohen Auftrieb viel Energie an induzierten Widerstand verloren wird. "Zu lang" ist, wenn es zu lange dauert, bis die Scherung das nächste Mal durchflogen wird; zu große Verluste an schädlichem Luftwiderstand sind die Folge.

In der Praxis setzen die unruhige Luft im Lee und Kontrollierbarkeit / Sicherheitsüberlegungen Grenzen. Um eine möglichst kontrollierbare Flugbahn mit nicht zu hohen G-Belastungen zu bekommen, fliegt man in der Regel nicht zwei Wenden, sondern einen Kreis, der jeweils möglichst in Richtung des Geschwindigkeitsdifferenzvektors die Scherung durchschneidet. Da es in den Turbulenzen gehörig schüttelt und der Flieger daher nicht immer genau den Absichten des Piloten folgt, ist es weise, einen gewissen Abstand zu Hindernissen zu halten, auch wenn beim dicht an den Boden Heranfliegen vielleicht noch etwas mehr zu holen wäre.

Die Wahl der optimalen Bahn braucht Erfahrung, Gefühl, und ein Stück weit auch Glück, da sich die Strömung im Lee ständig ändert.

Nicht optimal ist eine Flugbahn, die sich bemüht, das Flugzeug möglichst im "Rückenwind" zu halten. DS ist nicht Rückenwindfliegen. Beim DS wie beim üblichen Fliegen gilt: Wind, der plötzlich von hinten kommt, schiebt nicht an, sondern reduziert die Airspeed.

DS in der Natur

Schon lange bevor der Mensch auf die Idee kam, die Windströmung so zu nutzen, beherrschte der Albatros diese Technik. Albatrosse legen über dem Meer hunderte von Kilometern im dynamischen Segelflug ohne einen Flügelschlag zurück. Sie fliegen dabei eine Zick-Zack-Line, Aufsteigend gegen den Wind und absinkend mit dem Wind, in der Grenzschicht über den Wellen. Sind hohe Wellen vorhanden, nutzen sie auch die in den Wellentälern vorhandenen Rotoren zum Energie tanken.

Geschichte

DS war schon lange theoretisch diskutiert worden, und die Flugtechnik des Albatros war bekannt. Joe Wurts (bekannt durch seine Leistungen in verschiedenen Segelflugwettbewerben) war der erste, der es 1995 am Parker Mountain in Kalifornien praktisch ausprobierte und die Resultate veröffentlichte.

In der Anfangsphase wurden konventionelle F3B-Modelle verwendet. Aber schnell wurde klar, dass die Festigkeit selbst dieser speedwendenfesten Segler für DS nicht genügt, weil sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden können. Wenn im DS Flattern auftritt, zerstört es das Modell oft in Zehntelssekunden. Die Festigkeit des Modells muss also in vielerlei Hinsicht den auftretenden Belastungen standhalten. Im Laufe der Jahre gab es bereits große Verbesserungen, mit dem Resultat des Erreichens von sehr hohen Geschwindigkeiten.

Weblinks

http://www.rcsoaringdigest.com/pdfs/RCSD-2007/ (Englisch) Artikelreihe ab Ausgabe 2007/07 mit guten Erklärungen zu den Prinzipien und zur Praxis, ohne viel mathematischen Ballast.

http://www.charlesriverrc.org/articles/flying/dynamicsoaring.htm Kopie von zwei Posts von Joe Wurts zu seinen ersten Versuchen.

http://www.dynamic-soaring.de Deutsche Internetseite und Forum zum Thema Dynamic Soaring, die 2014 eingestellt wurde und deren Tabelle nun in unserem Wiki (DS Speed in Europa) geführt wird.