Von der Verspannung der Flugzeuge. Von Dr. Fritz Schmidt, Assistent an der Kgl. Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg. SCHMIDT: Von der Verspannung der Flugzeuge Unter Verspannen in der praktischen Flugtechnik versteht man, die Tragflächen eines Flugzeuges untereinander und mit dem Rumpf zusammen zu einem sicheren statischen Aufbau zusammenzufügen, und zwar derart, daß nicht nur die Flugzeugzelle – Rumpf und Tragflächen – ein räumliches, den Gesetzen der Festigkeit genügendes und dabei elastisches Fachwerk bildet, sondern daß vor allem auch die von dem betreffenden Flugzeug gewünschten günstigsten Flugeigenschaften erzielt werden. Die Verspannungsfrage spielt daher nicht nur bei neu erbauten Flugzeugen eine gewichtige Rolle, sondern sie ist auch bei im Betriebe befindlichen Flugzeugen von nicht zu unterschätzender Bedeutung, da die einzelnen Zellen wohl aus einwandfreien und hochwertigen, aber in hohem Grade elastischen Materialien bestehen. Durch namentlich auf stoßweise auftretende Kräfte zurückzuführende ungünstige Beanspruchungen der einzelnen Teile – sei es bei hartem Aufsetzen auf den Boden oder beim Rollen des Flugzeuges auf unebenem Gelände, sei es während des Fluges in böiger Luft, im Höhen-, Kurven- und steilen Gleitflug, sowie beim Abfangen des Flugzeuges aus steilem Gleitfluge – kann ein Flugzeug ohne wesentliche Beeinträchtigung seiner Festigkeit ebenso eine dauernde, seine guten Flugeigenschaften und seine Gleichgewichtslage beeinflussende Formänderung erleiden, wie es unter dem steten Einflüsse der Luftfeuchtigkeit allmählich eintreten kann. Schon allein aus diesen Gründen ist es wichtig, der Verspannungsfrage, die für ein Flugzeug eine Lebensfrage bedeutet, die größte Aufmerksamkeit zu widmen und die einzelnen Flugzeuge periodisch auf die zweckmäßigste Verspannung hin zu prüfen. Bei eingetretenen Verziehungen auch der kleinsten Art, die eine Störung der Gleichgewichtslage zur Folge haben und die Motorenleistung ungünstig beeinflussen, sollte es nicht dem Flieger dauernd überlassen bleiben, durch Betätigen der den schädlichen Widerstand nicht unerheblich vermehrenden Steuereinrichtungen (Höhen- und Seitensteuer, sowie die an den Tragflächen sitzenden Verwindungsklappen) für die Stabilität des Flugzeuges zu sorgen. Es sollten vielmehr alle im Laufe des Betriebes sich einstellenden Fehler, wie Hängen des Flugzeuges nach der einen oder anderen Seite, eine Kopf- bzw. Schwanzlastigkeit sowie ein Drehen oder eine allgemeine unstabile Lage des Flugzeuges im Interesse der Selbststabilisierung und der Erzielung guter Flugeigenschaften durch zweckmäßiges Verspannen – so weit es irgend zu erreichen ist – beseitigt werden; bei Kopf- und Schwanzlastigkeit gegebenenfalls mit gleichzeitigem Verstellen der am Rumpfende sitzenden Höhensteuergleich-gewichtsflachen F (Abb. 1). Die Abb. 1 stellt die Gerippskizze eines Doppeldeckers dar, der in seinen Hauptteilen aus der Zelle – Rumpf und Tragflächen – und der Verbrennungskraftmaschine mit Luftschraube besteht. Der Rumpf hat ein Holz- oder Stahlrohrgerippe mit einer Stoff- oder Furnierholzbekleidung und ist außerdem mit einer inneren Verspannung, einer fachwerkähnlichen Anordnung von dünnen Versteifungsdrähten, versehen. Die auf jeder Seite des Rumpfes vermittels Schraubengelenken und Verspannungsdrähten angeschlossenen flügelartigen Tragflächen sind meist aus zwei zur Rumpfachse senkrecht laufenden Querträgern H, den sogenannten Holmen, und einer größeren Anzahl von zur Längsachse des Flugzeuges parallel liegenden Querverbindungen, den am auslaufenden Ende biegsamen, oft als Gitterträger ausgebildeten Rippen S (Abb. 1 und 2) zusammengesetzt. Wie der Rumpf haben auch sie eine aus Drähten von etwa 3 mm bestehende nachgiebige innere Verspannung und sind ebenfalls, und zwar auf der unteren wie auf der oberen Seite des Gerüstes, mit Stoff bekleidet. Die beiden auf derselben Seite sitzenden Tragflächen sind durch auf Knickung beanspruchte Tragdeckenstiele T und durch diagonal angeordnete Verspannungsdrähte D zu einer sicheren statischen Tragekonstruktion, zu einem Brückenträger von großer Steifigkeit verbunden. Bei einem Flugzeuge sind also zwei Arten von Verspannungsdrähten zu unterscheiden: die im Rumpf- und im Tragflächeninnern als feste Konstruktionsteile angeordneten Spanndrähte, die erst nach Entfernung der Rumpf- oder Tragflächenbekleidung verstellt werden können, und jene, die den Rumpf mit den Tragflächen und die Tragflächen untereinander verbinden und durch Betätigen von Spannschlössern jederzeit leicht verlängert und verkürzt werden können. Man spricht daher von einer inneren und äußeren Verspannung eines Flugzeuges und versteht in der praktischen Flugtechnik unter „Verspannen eines Flugzeuges“ im allgemeinen hauptsächlich das Einstellen und Befestigen der Tragflächen mit Hilfe der äußeren Verspannungsdrähte. Für dieses richtige, dem Zwecke des Flugzeuges entsprechende Einstellen der Tragflächen am Rumpf ist die Berücksichtigung folgender Konstruktionseigenheiten eines Flugzeuges von allergrößter Wichtigkeit. Textabbildung Bd. 332, S. 220 Abb. 1. Textabbildung Bd. 332, S. 220 Abb. 2. Die meisten Tragflächen haben aus aerodynamischen Gründen eine mehr oder weniger starke, nach oben konvex gewölbte Form mit nach unten geneigter, vorderer abgerundeter Eintrittskante (Abb. 2). Durch diese Wölbung entsteht erfahrungsgemäß beim Fluge über den Flächen eine Druckverminderung, die die Wirkung der Tragflächen auf ihrer unteren Seite durch entsprechende Vergrößerung der Luftwiderstandskomponente, der sogenannten Hebe- oder Auftriebskomponente, erhöht. Die Größe der Auftriebskraft auf der unteren Tragflächenseite ergibt sich also als Druckdifferenz der Luftströmungen über- und unterhalb der Tragflächen. Flugzeuge, die dazu bestimmt sind, eine verhältnismäßig große Last zu tragen, haben daher eine stärker gewölbte Tragfläche als Flugzeuge, bei denen es vor allem auf eine große Geschwindigkeit ankommt. Der hintere Tragflächenstreifen der Bespannung ist, wie bereits oben angedeutet, infolge Anordnung elastischer Rippenenden nachgiebig – ähnlich wie es bei den Flügeln der Vögel der Fall ist -, damit er sich beim Fluge bei jeder Stellung der Tragflächen dem Luftstromgefüge anschmiegen kann, um so ein möglichst günstiges, d.h. wirbelfreies Abfließen der Luftteilchen zustande kommen zu lassen. Bei Doppeldeckern werden diese gewölbten Tragflächen mit einem gewissen Neigungswinkel, den die Sehnenebene der Flächen mit der Bewegungsrichtung des Luftstromes bzw. der Richtung der Motorenwelle bildet, an den Rumpf angebaut (Abb. 1). Die Größe dieses Anstellwinkels, der sich in der praktischen Flugtechnik in sehr engen Grenzen bewegt, – es kommen nur sehr kleine Winkel im allgemeinen bis zu 6 bis 7° in Frage, und zwar ist der Anstellwinkel der Tragflächen dicht am Rumpf fast stets am größten, um nach den Enden zu aus Gründen der besseren Stabilisierung allmählich abzunehmen -, ist vom flugtechnischen Standpunkte aus äußerst wichtig. Bei dem sich vorwärts bewegenden Flugzeuge wird nämlich die Größe der Luftwiderstandskomponenten, der Auftriebskomponente, die das Eigengewicht des Flugzeuges und seine Nutzlast hebt, und die Größe der durch die Zugkraft der Luftschraube zu überwindenden Rücktriebskomponente, von der die Fluggeschwindigkeit abhängt, durch den veränderlichen Neigungswinkel beeinflußt. So hat man bei kleinen Fluggeschwindigkeiten und guter Steigfähigkeit des Flugzeuges verhältnismäßig große Anstellwinkel, bei größeren Geschwindigkeiten und minder guter Steigfähigkeit kleine Neigungswinkel notwendig. Von der Größe des Anstellwinkels ist auch die Lage des sogenannten Druckmittelpunktes, d.h. des Angriffspunktes des resultierenden Luftwiderstandes, abhängig. Die in Abb. 2 dargestellte Kurve zeigt die Art der Wanderung des Druckmittelpunktes bei den verschiedenen Größen des Neigungswinkels eines bestimmten Tragflächenprofils. Von einem gewissen, am weitesten nach der Vorderkante zu gelegenen Grenzlage, die zum Beispiel in der Abbildung bei etwa 6 ° liegt, wandert der Druckmittelpunkt bei abnehmendem Neigungswinkel außerordentlich stark nach der Austrittskante hin, so daß in diesem Gebiete eine Wanderung des Druckmittelpunktes schon durch eine kleine Veränderung des Anstellwinkels leicht erreicht werden kann. Die Lage des Druckmittelpunktes ist im übrigen auch abhängig von der konstruktiven Anordnung der Tragflächen am Rumpf. Je mehr die Flächenpaare die Form eines Pfeiles haben (Abb. 1), d.h. die Holme von oben gesehen mit der Rumpfachse einen hinteren Winkel kleiner als 90° bilden, um so mehr liegt der Druckmittelpunkt in der Gesamtkonstruktion des Flugzeuges nach hinten. Diese durch die Pfeilform des Flugzeuges bedingte Lage des Druckmittelpunktes liegt jedoch von vornherein durch Befestigung der Tragflächen mittels Drahtzügen, sogenannter Stirnkabel K (Abb. 1), unverrückbar fest. Die durch die Größe des Anstellwinkels bestimmte Druckmittelpunktlage ist jedoch durch Verkleinern oder Vergrößern dieses Winkels, d.h. durch Verkürzen bzw. Verlängern der entsprechenden Verspannungsdrähte leicht veränderlich. Der Neigungswinkel ist auf beiden Tragflächenseiten meist verschieden groß einzustellen, weil das durch den Luftschraubenzug hervorgerufene Drehvermögen des Flugzeuges durch eine entsprechende Vergrößerung des Anstellwinkels um den Bruchteil eines Grades und damit eine Vergrößerung der Rücktriebskraft auf der einen, in Betracht kommenden Tragflächenseite – bei rechts drehenden Propellern ist es die linke Tragfläche – aufgehoben werden muß. Die auf ein Flugzeug wirkenden Kräfte sind neben dem im Druckmittelpunkt angreifenden resultierenden Luftwiderstand A und R (Abb. 1) noch das im Schwerpunkt angreifend gedachte und auf die Tragflächen verteilte Gesamtgewicht G (Abb. 1) und die durch die Verbrennungskraftmaschine und die Luftschraube hervorgerufene und zur Ueberwindung des Bewegungswiderstandes erforderliche Vortriebskraft N (Abb. 1), deren Angriffspunkt der Achsenmittelpunkt der Luftschraube ist. Diese Kräfte müssen sich bei normalem Fluge, bei dem sich der Schwerpunkt des Flugzeuges in der wagerechten Ebene bewegt, im Gleichgewicht befinden. Erfährt beispielsweise die Lage des Druckmittelpunktes durch Verziehen einer Tragfläche eine kleine Veränderung oder wird die Schwerpunktslage durch eine andere Verteilung des angreifenden Gesamtgewichts oder durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Nutzlast verschoben, liegen also der Druckmittelpunkt und der Schwerpunkt nicht mehr auf derselben Senkrechten, dann werden auch die Kräfteverhältnisse und damit der Gleichgewichtszustand beeinflußt. Der Führer ist dann gezwungen, zum Ausgleich, d.h. zur Erzielung entgegengesetzter Momente, die Steuerorgane dauernd zu betätigen, und zwar mit einem um so größeren Ausschlag, je größer der Abstand zwischen Schwerpunkt und Druckmittelpunkt ist. Die richtige Lage des Druckmittelpunktes und damit die Größe des Anstellwinkels bzw. das richtige Einstellen der Tragflächen ist also für ein gegebenes Flugzeug von bestimmten Flugeigenschaften bei kleinster erforderlicher Motorenleistung von außerordentlicher Bedeutung. Um bei einer Störung der Gleichgewichtslage des Flugzeuges um seine Längsachse (beim Kurvenfluge usw.). eine von der Aufmerksamkeit und dem Willen des Fliegers unabhängige natürliche Stabilisierung zu erhalten, ordnet man nicht selten die Trägflächen in V-Form an (Abb. 1); indem die Tragflächen – von vorn auf das Flugzeug gesehen – mit einem kleinen, einige Grad (bis etwa 4 °) betragenen Winkel gegeneinander nach oben gerichtet werden. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Kippsicherheit dadurch erreicht, daß bei einer Gleichgewichtsstörung des Flugzeuges um seine Längsachse eine selbsttätige Stabilisierung, ein Ausgleich des gestörten Gleichgewichts eintritt. Für die Wirkung des Luftwiderstandes kommt nämlich als tragende Fläche nur die Projektion der Tragfläche auf die wagerechte Ebene in Betracht. Da die nach unten geneigte Tragfläche eine größere Projektion und daher eine größere Tragfähigkeit als die oben gelegene hat, so entsteht durch die ungleichmäßige Tragfähigkeit der beiden Flächen ein rückdrehendes Moment, durch welches das Flugzeug selbsttätig in die normale Lage zurückgebracht wird. Auf die Größe dieses kleinen Winkels kommt es hierbei nicht so genau an wie vor allem darauf, daß die Gleichmäßigkeit der V-Form für beide Flächen beim Verspannen gewahrt bleibt. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß der Keilwinkel nicht zu klein gewählt werden darf; die Tragflächen dürfen also keine zu starke V-Form haben, weil sie bei normalem Fluge sonst weniger gut ausgenutzt werden, da ja nur die Projektion auf die wagerechte Ebene als tragende Fläche in Betracht kommt. Der Vorgang des eigentlichen Verspannens, des Einsteilens der Tragflächen und Befestigen durch die äußeren Spanndrähte, ist kurz folgender: Nachdem die Tragflächen an dem Rumpf lose angefügt worden sind, wird das Flugzeug mit Hilfe der Wasserwage genau in die wagerechte Lage, wie sie beim normalen Fluge sein soll, gebracht. Nach einem meist vorliegenden Verspannungsschema, in dem die oben angeführten Gesichtspunkte im allgemeinen bereits Berücksichtigung gefunden haben, werden dann die Tragflächen untereinander und mit dem Rumpfe zusammen durch die in ihrer Länge im Schema festgelegten Drahtzüge verbunden. Hierbei ist zu beachten, daß die Kabel mit ihren Spannschlössern weder zu locker noch zu stark angespannt v/erden dürfen, weil ein zu starkes Anziehen die Festigkeit der Drähte gefährdet, ein zu lockeres dagegen ein Schwingen der Drähte und damit einen größeren Luftwiderstand während des Fluges, also eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Flugzeuges, zur Folge haben. Textabbildung Bd. 332, S. 221 Abb. 3. Bei der Art des Verspannens nach einem vorhandenen, von der Lieferungsfirma angegebenen Schema wird jedoch vorausgesetzt, daß die fraglichen Flugzeugteile stets die vom Erbauer festgelegte Form behalten. Eine allmählich eintretende Formänderung der Tragflächen und anderer Teile und gegebenenfalls eine erforderliche Abweichung von der normalen Verspannung wird also bei diesem Verfahren nicht berücksichtigt. Deshalb ist es von Wichtigkeit, die Größe der Anstellwinkel und gegebenenfalls den Winkel für die V- und Pfeilform des Flugzeuges mittels eines einfachen Winkelmessers nach Abb. 3 oder 4 stets nachzumessen bzw. einzustellen. Beide Winkelmesser beruhen auf der Anwendung des Lotes. Abb. 3 zeigt einen hölzernen Winkel mit einem im Scheitel des Winkels angehängten Lote; nach Abb. 4 besteht der Winkelmesser aus einem etwa 2 m langen Richtscheit und einem an dem einen Ende des Richtscheites angebrachten Lote und einer in Winkelgraden eingeteilten Kreissegmentskala. Textabbildung Bd. 332, S. 222 Abb. 4 Die einfache Handhabung beider Winkelmesser ergibt sich leicht aus den Abbildungen. Neuerdings hat die Firma Gebr. Wichmann, Berlin, einen Winkelmesser in den Handel gebracht, mit dessen Hilfe ein Flugzeug nicht nur schnell und leicht, sondern auch genau eingestellt und verspannt werden kann. Außerdem gestattet er jederzeit ein Nachmessen der verschiedenen Winkel, ohne daß das Flugzeug erst in die Wage gebracht werden braucht. Textabbildung Bd. 332, S. 222 Abb. 5. Der Apparat selbst ist höchst einfach und beruht auf der Anwendung des Pendelprinzips. Wie aus der Abb. 5 zu ersehen ist, besteht er in der Hauptsache aus einer Richtstange R (Abb. 4) von etwa 2 m Länge, aus einem mit einem Zeiger Z verbundenen Zahnrad T, einem Zahnradsegment S und einem mit ihm in Verbindung stehenden Pendel P, sowie einer Einstellschraube E. In welcher Lage die Richtstange auch gehalten wird, ob wagerecht oder etwas nach oben oder unten geneigt, man kann durch Betätigung der Einstellschraube E den Zeiger Z stets auf 0 einstellen und so die Schräglage von vornherein ausschalten. Es ist also nicht mehr erforderlich, die mühsame und zeitraubende Arbeit des genauen Ausrichtens des Flugzeuges in der Wage vorzunehmen, wenn man die Schräglage sowohl in Richtung der Längsachse des Rumpfes wie in Richtung der Tragflächen am Winkelmesser von vornherein berücksichtigt. Man hat dann nur notwendig, den Apparat an verschiedenen Stellen der Flächen parallel zu den Holmen, in Richtung der Längsrippen usw. anzulegen, die Flächen auf die gewünschten Winkel hin einzustellen, und die Drahtzüge mit ihren Spannschlössern entsprechend zu verspannen.