Angle-Of-Attack Indicator im Cockpit

Gleich zwei große Avionik-Hersteller zeigten auf der AERO in Friedrichshafen Instrumente, die in der Groß- und Militärluftfahrt seit langem bekannt sind, aber erst jetzt ihren Weg in die Allgemeine Luftfahrt finden: Angle-of-Attack Indicator, also Anzeigegeräte für den Anstellwinkel, gibt es jetzt von BendixKing und Garmin. Und die FAA hat zugesagt, solche Anzeiger in kleinen Flugzeugen bevorzugt und erleichtert zuzulassen.

Der Trend hat handfeste Gründe: Strömungsabriss, auf Englisch Stall, ist eine der Hauptunfallursachen für den Absturz von Kleinflugzeugen. Häufig ist etwa ein Stall in der Kurve zum Endanflug, auch das Hochziehen nach tiefen Überflügen oder die berühmte Verwandtenbesuchskurve enden immer wieder mit Strömungsabriss.

Hauptursache für Abstürze von Kleinflugzeugen ist Strömungsabriss

Der führt bei gutmütigen Flugzeugen im Geradeausflug nur zu einem Absenken der Nase, wodurch sich das Flugzeug von selbst die nötige Mindestfahrt zurückerobert. Das ist bei ausreichender Höhe eher harmlos, in Bodennähe jedoch brandgefährlich und oft tödlich.

Hochleistungsmaschinen mit hoher Flächenbelastung und schmalen Profilen reagieren giftiger und können unvermittelt in ein Trudeln abkippen, bei dem schon mit wenigen Umdrehungen tausend Fuß und mehr an Höhe verloren gehen können. Gleiches gilt auch bei sanftmütigen Maschinen, wenn sie in der Kurve oder im unkoordinierten Flug in den Stall geraten.

Das Ausleiten aus dem Spin gehört zu den Notverfahren

Und welcher Pilot ohne Kunstflugberechtigung beherrscht schon das Ausleiten aus dem Spin? Es steht in jedem Handbuch unter den „Notverfahren“, ist aber nicht Ausbildungsbestandteil und in Bodennähe ohnehin zu langwierig. Der bessere Weg: Vermeiden einer gefährlichen Flugsituation durch Einhalten einer sicheren Geschwindigkeit und rechtzeitige Korrektur bei deren Unterschreitung.

Dass ein Flugzeug eine sauber an den Tragflächen anliegende Strömung braucht, um seiner Funktion gerecht zu werden, erfährt jeder Flugschüler in den Grundlagen der Aerodynamik. Ebenso lernt er dort, dass Auftrieb dann entsteht, wenn die Tragfläche um einige Grad schräg von unten angeblasen wird. Der Anstellwinkel ist genau dieser Winkel zwischen der Profilsehne des Flügels und der Anströmrichtung der Luftmoleküle.

Der Angle of Attack ist der Winkel zwischen Profilsehne des Flügels und Anströmrichtung der Luft

Auf Englisch heißt er angle of attack, kurz AoA. Er wird vom Piloten durch Ausschlag des Höhenruders nach oben oder unten variiert. Je größer der Winkel zwischen Luftstrom und Tragfläche, umso größer ist auch der Widerstand, den die Tragfläche der Luft entgegensetzt. Im Lee der Fläche liegt die Strömung irgendwann nicht mehr an, sie verwirbelt. Bricht dadurch schließlich die Auftriebserzeugung zusammen, kommt es zum Strömungsabriss und die Maschine stallt.

Jeder Pilot kennt die zwei wichtigsten Stall Speeds seiner Maschine, also die Geschwindigkeiten, bei denen die Strömung abreißt. VS ist die Überziehgeschwindigkeit für eingefahrene Klappen und Fahrwerk, auf dem Fahrtmesser als unteres Ende des grünen Bogens markiert. Und VS0 ist die Stall Speed für das Flugzeug in Landekonfiguration, erkennbar im unteren Ende des weißen Bogens.

Aber es gibt einen großen Haken. Diese Geschwindigkeiten gelten nur für den unbeschleunigten Geradeausflug und das maximal zulässige Abfluggewicht der Maschine! Denn die aerodynamische Wahrheit ist. Eine Tragfläche stallt beileibe nicht immer bei der gleichen Geschwindigkeit – wohl aber immer beim gleichen Anstellwinkel! Der nennt sich kritischer Anstellwinkel und liegt für unsere Flugzeuge bei etwa 16 Grad.

Der Stall ist unerheblich von Geschwindigkeit, aber nicht vom Anstellwinkel

Genau diesen kritischen Winkel misst die allseits bekannte Einrichtung zur Warnung vor dem Strömungsabriss: die akustische Überziehwarnung. Bei Cessna-Hochdeckern ist in der Vorderkante der Tragfläche eine Art Pfeife installiert. Sie erzeugt einen Ton, wenn der Anstellwinkel so groß wird, dass sie von unten angeblasen wird.

Bei den meisten Flugzeugen findet man eine bewegliche Metallfahne an der Flächenvorderkante. Bei Annäherung an den kritischen Anstellwinkel wird diese von unten vom Luftstrom angehoben. Sie schließt dann einen elektrischen Kontakt und löst dadurch ein akustisches Signal aus.

Vielen Piloten ist schon aufgefallen, dass die Überziehwarnung etwa in steilen Kurven oder beim plötzlichen Hochziehen bei viel höheren Geschwindigkeiten ertönt als die Markierungen auf dem Fahrtmesser vermuten lassen. Jeder Pilot muss wissen, warum das so ist.

Wann stallt ein Kleinflugzeug?

Entscheidend ist, dass jede Beschleunigung des Flugzeugs in Richtung auf dessen Boden durch mehr Auftrieb ausgeglichen werden muss. Wenn etwa in einer Steilkurve mit 60 Grad zwei g auf die Maschine wirken, muss die erhöhte Flächenbelastung durch mehr Auftrieb ausgeglichen werden. Folglich ist auch die Geschwindigkeit, bei der der immer gleiche kritische Anstellwinkel erreicht wird, größer – und zwar um die Wurzel aus dem g-Faktor.

Ein Gerät, was den Anstellwinkel misst?

In der 60-Grad-Kurve stallt also etwa eine Tobago nicht mehr mit 60 Knoten wie im Geradeausflug, sondern schon beim 1,41-fachen, also 85 Knoten! Entsprechend früher ertönt die Überziehwarnung. Andersherum verhält es sich, wenn man mit einer Masse unterhalb der maximal zulässigen fliegt. Dann ist die Flächenbelastung geringer, entsprechend sinkt die Stall Speed. Auch das kann allerdings zum Sicherheitsrisiko werden. Wer wie gewohnt zur Landung anfliegt, wird über der Bahn lange schweben, weil die Maschine nicht aufhört zu fliegen – bis die Piste womöglich zu kurz wird.

Der große Nachteil der Überziehwarnung: Sie ertönt erst, wenn es eigentlich zu spät ist und der Stall bereits kurz bevorsteht. Und auf die Markierungen am Fahrtmesser ist, wie beschrieben, ebenfalls kein Verlass. Wie schön wäre es also, ein Instrument zu haben, das den Anstellwinkel misst und kontinuierlich anzeigt, wie weit man noch vom Überziehen entfernt ist. Genau das leistet ein Angle-of-Attack Indicator. BendixKing nennt sein Gerät sogar noch konkreter Lift Reserve Indicator, also Anzeige für die Auftriebsreserve.



Kleinflugzeuge haben Drucksensoren, die den Angle of Attack messen

Bei Großflugzeugen besteht der AoA-Sensor aus einer drehbaren Fahne, die sich mit dem Luftstrom dreht. BendixKing und Garmin haben sich bei ihren Angeboten für Kleinflugzeuge dagegen für Drucksensoren entschieden. Sie sehen wie Pitotrohre aus und die Druckdifferenz an ihrem oberen und unteren Ende messen, woraus sich auf den Anstellwinkel schließen lässt.

Eine Anzeige im Blickfeld des Piloten auf dem Panel oder in einem Glascockpit-Display zeigt dazu den Anstellwinkel in einer einfachen, in der Großluftfahrt üblichen Weise an. Nähert man sich dem kritischen Anstellwinkel, zeigen die Geräte eine wachsende Anzahl roter Pfeile nach unten. Sie geben dazu akustische Ansagen, etwa „caution, too slow!“.

So sollte sich auch in steilen Kurven, wenn die Aufmerksamkeit des Piloten eigentlich ganz woanders liegt, eine gefährliche Annäherung an den Stall früher erkennen lassen als mit der einfachen Überziehwarnung.

Sehr hilfreich ist eine weitere Anzeige, nämlich ein blauer (BendixKing) oder grüner (Garmin) Kreis. Er entspricht dem Anstellwinkel für die optimale Anfluggeschwindigkeit, also dem, was im Handbuch meist als das 1,3-fache der VS0 angegeben ist. Der AoA-Indicator zeigt diesen Anstellwinkel anders als der Fahrtmesser immer richtig an. Egal, ob die Maschine voll beladen ist oder mit einem Piloten und fast leeren Tanks anfliegt. Wer die Speed im Anflug so steuert, dass der Kreis angezeigt wird, kommt genau richtig über den Flugplatzzaun.

Wer die Geschwindigkeit so steuert, dass der Kreis angezeigt wird, fliegt hoch genug

Damit das funktioniert, müssen die Systeme allerdings nicht nur auf das Flugzeug kalibriert werden. Sie müssen auch wissen, in welcher Stellung die Klappen ausgefahren sind. Schließlich hat deren Stellung Einfluss auf die Profilsehne der Tragfläche, und damit auf einen Schenkel des Anstellwinkels.

Damit die Anzeigen zuverlässig ausgewertet werden können, ist vor allem für Flüge in IMC ein beheizbarer Sensor nötig. 
Beide Systeme liegen mit 1499 US-Dollar (Garmin) und 1600 US-Dollar (BendixKing) ohne Einbau auf ähnlichem Preisniveau. Das von BendixKing ist bereits verfügbar, die Garmin-Variante kommt in diesem Sommer auf den Markt.

Text: Helmuth Lage, fliegermagazin 05/2014