Modelle zur Entwicklung von Flughandbüchern und Flugerprobungsprogrammen zur Unterstützung des Zulassungsprozesses von Eigenbauflugzeugen (Kitplanes)

Diplomarbeit von Dirk Mattschenz

Einleitung:

Der Traum vom Fliegen fasziniert die Menschheit seit vielen Jahrhunderten. Besonders nach dem Zweiten Weltkrieg ermöglichte die rasante Entwicklung in der modernen Luftfahrt immer mehr Menschen die aktive Teilnahme am Luftverkehr. Neben steigenden Passagierzahlen im kommerziellen Luftverkehr verzeichnete auch die allgemeine Luftfahrt einen starken Zuwachs. In den USA stieg z.B. die Zahl der Flugzeugführer mit einer Lizenz für Privatpiloten im Zeitraum von 1956 bis 1980 von 97000 auf mehr als 350000 an. Mit der stetigen Expansion der Luftfahrt wuchsen aber auch die Anforderungen an die Flugzeuge hinsichtlich Größe, Komfort, Leistung und Flugsicherheit. Die damit verbundene steigende technische Komplexität der Flugzeugneuentwicklungen resultierte für Flugzeughersteller in erheblich längeren und kostenintensiveren Entwicklungszeiten, um eine Luftverkehrszulassung für ihre Flugzeugmuster zu erreichen. Diese Entwicklung und die gleichzeitig stattfindenden Erweiterungen in der Produkthaftung führten Anfang der 1980er Jahre in den USA zu einem drastischen Rückgang im kommerziellen Angebot von Kleinflugzeugen auf dem amerikanischen Markt. Viele etablierte Flugzeughersteller stoppten ihre Neuentwicklungen aus Kostengründen, neue Firmen sahen keine wirtschaftlichen Entwicklungschancen für Kleinflugzeuge mit Musterzulassung.

Um weiterhin die Nachfrage nach Kleinflugzeugen zu decken, entwickelte sich als Alternative zu Herstellerflugzeugen mit Musterzulassung ein neues Marktsegment im Flugzeugbau: Kleinflugzeuge als vorgefertigte Bausätze, die sogenannten ‘Homebuilt Kitplanes’, die direkt an den Nutzer, den Piloten, der ein eigenes Flugzeug besitzen möchte, zur Fertigstellung in Eigenleistung verkauft wurden. (Anmerkung: Jede Person, die genügend technisches und handwerkliches Verständnis nachweist, darf einen Luftfahrzeugbausatz in der eigenen Werkstatt oder Garage selbstständig unter Betreuung eines Gutachters bauen.) Dieser neue Markt wuchs in den USA bis 2006 auf eine Anzahl von ca. 25000 Flugzeugbausätzen, die bei der amerikanischen Luftfahrtbehörde, der Federal Aviation Authority (FAA), registriert sind. Die Experimental Aircraft Association (EAA) spricht als Dachverband der US amerikanischen Amateurflugzeugbauer in ihrem Jahresbericht 2007 sogar von mehr als 30000 registrierten Eigenbauten. Auch außerhalb der USA fand dieser Markt reges Interesse. Die führenden Hersteller dieser Flugzeugbausätze, wie u.a. Glasair Aviation (2500+ verkaufte Bausätze), Lancair International Inc. (1900+ verkaufte Bausätze), Kitfox Aircraft LLC (4000+ verkaufte Bausätze), Van's Aircraft (3800+ verkaufte Bausätze) oder Zentih Aircraft Corporation (2000+ verkaufte Bausätze), exportieren ihre Produkte weltweit.

In Deutschland allerdings stagniert der Eigenbauanteil der Flugzeugzulassungen. Unter der Betreuung der Oskar-Ursinus-Vereinigung, einem Verein zur Förderung des Amateurflugzeugbaus, wurden bislang ca. 500 Eigenbau-Projekte beim Luftfahrtbundesamt angemeldet, von denen aber erst ungefähr 100 mit einer endgültigen Luftverkehrszulassung abgeschlossen wurden. Allein an diesen Zahlen ist ersichtlich, dass ein Eigenbauprojekt eine große Herausforderung an den Erbauer darstellt. Eigentlich müsste ein Amateurflugzeugbauer Handwerksmeister, Luftfahrtingenieur und Testpilot in einer Person sein: Der Bau eines Kitplanes erfordert neben einem erheblichen Zeitaufwand (2000-5000 Arbeitsstunden) umfangreiche handwerkliche Fähigkeiten zur Fertigstellung des Bausatzes. Unter der Vorraussetzung, dass der Erbauer mindestens 51% des Flugzeuges in Eigenleistung fertig stellt, werden die Kitplanes genau wie Eigenentwicklungen oder Nachbauten anhand vorhandener Baupläne als Einzelstücke zum Luftverkehr zugelassen. Der Zulassungsprozess verlangt nach weitreichenden luftfahrttechnischen und luftrechtlichen Kenntnissen sowie hohen fliegerischen Qualitäten, da ein individuell zu erstellendes Flughandbuch und eine abschließend erforderliche Flugerprobung weitere Meilensteine sind, um die Lufttüchtigkeit des Flugzeuges nachzuweisen.

Ein Flughandbuch (FHB) ist allgemein die technische Beschreibung eines einzelnen Luftfahrzeugs oder Luftfahrzeugmusters. International heißen Flughandbücher Pilot Operating Handbook (POH) oder Aircraft bzw. Aeroplane Flight Manual (AFM). Sie sind während des Fluges im Luftfahrzeug als Betriebsanleitung oder Betriebsanweisung mitzuführen. Im Idealfall enthalten sie vollständige und umfassende Informationen zu Betriebsgrenzen, Standardverfahren, Notverfahren, Flugleistungen, Handhabung von Flugzeugsystemen und zur Gewichts- und Schwerpunktsberechnung des Luftfahrzeuges. Die Daten des FHB repräsentieren die Ergebnisse aus Entwurf, Herstellung und Flugerprobung und dienen dem Piloten als Hauptbezugsquelle für alle notwendigen Informationen zum sicheren Führen des jeweiligen Luftfahrzeugs.

Die Flugerprobung verifiziert den sicheren Betrieb des Luftfahrzeugs und liefert wichtige Daten über Flugverhalten, Flugleistung und Betriebsgrenzen. In einem festzulegenden Erprobungsprogramm werden qualitativ die Flugeigenschaften, wie die Stabilität um die Flugzeugachsen, das Abkippverhalten bei Strömungsabriss, Schwingungen und Vibrationen bewertet. Weiterhin werden quantitativ Daten für Flugleistungen bei Start und Landung, Steig- (VX, VY), Reise- und Sinkflug, die Kalibrierung der Fahrtenanzeiger sowie Geschwindigkeiten und Triebwerkskennzahlen für Betriebsgrenzen ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem Erprobungsprotokoll ausgewertet und im Flughandbuch dokumentiert.

Ungeachtet dieser Bedeutung gibt es jedoch keine einheitlichen Vorgaben für den genauen Aufbau und Inhalt von Flughandbüchern und Flugerprobungsprogrammen, da die Luftverkehrzulassung eines Luftfahrzeuges bisher dem nationalen Luftverkehrsrecht des Staates, in dem das Luftfahrzeug zugelassen werden soll, unterlag. Erst seit Anfang der 1990er Jahre arbeitet die Europäische Union an einer Grundsatzverordnung über einheitliche europäische Luftverkehrszulassungsbestimmungen für Luftfahrzeuge. In bestimmten Bereichen, die näher in Kapitel 3 untersucht werden, ist diese Harmonisierung noch nicht erfolgt. Das betrifft insbesondere die Erbauer von Luftfahrzeugbausätzen bei der Erstellung ihres individuellen Flughandbuchs und Erprobungsprogramms. Oftmals werden daher in der Praxis mangels präziser Vorgaben genehmigte Flughandbücher oder Erprobungsprogramme Muster zugelassener Luftfahrzeuge nachempfunden bzw. kopiert, ohne dass der Aufbau und die Struktur wirklich verstanden wurde.

Diese Arbeit befasst sich aus diesen Gründen mit Modellen zur Entwicklung von Flughandbüchern und Flugerprobungsprogrammen, um den Amateurbauer von Bausatzflugzeugen in diesem Teilbereich des Zulassungsprozesses seines Projektes zu unterstützen. Hierzu wurden im Vorfeld intensive Recherchen internationaler und nationaler luftrechtlicher Verordnungen, Gesetze und Bauvorschriften durchgeführt, umfangreiche Gespräche mit den zuständigen Sachbearbeitern des Luftfahrt-Bundesamts, dem Vorsitzenden des Projektausschusses der OUV, luftfahrttechnischen Betrieben und Amateurbauern in unterschiedlichen Projektphasen geführt sowie Kontakte zu den Herstellerfirmen der Bausätze hergestellt. Als Bestandteil der Arbeit sollen Analysen des Zulassungsprozesses, relevanter Verordnungen und bestehender Standards für Flughandbücher und Flugerprobungen aufzeigen, auf welche Modelle der Amateurbauer bei der Konzipierung seines eigenen Flughandbuchs und Erprobungsprogramms zurückgreifen kann, welche Vorschriften dabei zu beachten sind und welche Unterstützung im Zulassungsprozess in Anspruch genommen werden kann. Die aus den Analysen gewonnen Ergebnisse werden abschließend bezüglich möglicher Defizite und Entwicklungsperspektiven diskutiert. In der Arbeit werden englischsprachige Gesetzes- und Verordnungstexte im Original übernommen, da in vielen Fällen keine oder nur fehlerhafte Übersetzungen zur Verfügung stehen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5.2.1, Vorbereitung und Bodenerprobung:

In diesem Kapitel werden die Vorbereitungsmaßnahmen und die Inhalte der Bodenerprobung beschrieben. Als Vorbereitung zur Flugerprobung wird empfohlen:

- vor dem Erstflug einen individuell auf das Flugzeug abgestimmten Flugerprobungsplan aufzustellen, der die Lufttüchtigkeit im gesamten Betriebsbereich nachweist und alle notwendigen Daten für das Flughandbuch liefert; - einen Erprobungsflugplatz festzulegen, der bestimmte Kriterien bzgl. Infrastruktur und Sicherheit erfüllt; - einen Notfallplan für Notlagen am Boden und in der Luft zu entwickeln; - einen qualifizierten Piloten als Erprobungspiloten auszuwählen, der Flugerfahrung auf gleichartigen Flugzeugen vorweisen kann; - sich über medizinische Anforderungen zu informieren; - den Transport des Flugzeugs zum Flugplatz zu planen.

Mit der Ankunft des Flugzeuges am Flugplatz beginnt die Bodenerprobung, für die vorgeschlagen wird:

- für den Zusammenbau (Aufrüsten) des Flugzeuges am Flugplatz eine Checkliste und eine Vorflugkontrolle zu entwickeln, die die Kontrolle aller Baugruppen und einen Dichtigkeitstest der Pitot-statischen Anlage , des Tank- und Hydrauliksystems enthält; - akkurate Wägeverfahren und Masse- und Schwerpunktberechnungen durchzuführen; - eine ordnungsgemäße Dokumentation anzulegen, die Masse- und Schwerpunktberechnungen, Lufttüchtigkeitsnachweise, Betriebsgrenzen, Checklisten, das Flug- und Wartungshandbuch umfasst; - ausreichende Triebwerksstandläufe (Kompressionstests und Einlaufverfahren) durchzuführen und Testausrüstung anzuschaffen; - in weiteren Standläufen alle Triebwerkskomponenten zu überprüfen, wie z.B. die ausreichende Treibstoffzufuhr, die Magneten, die Triebwerkseinstellung (Mixture), die Vergaservorwärmung und den Verbrauch; - einen geeigneten Propeller auszuwählen und zu testen.

Wenn diese Punkte zur Zufriedenheit erledigt sind, kann der Erbauer mit der Rollerprobung des Flugzeugs beginnen.

Rollerprobung:

Das Handbuch führt als Ziele der Rollerprobung an:

- die Spurtreue und genügende Richtungskontrolle für Startvorgänge zu überprüfen und sicherzustellen; - eine ausreichende Motorkühlung und Bremsleistung des Bremsensystems festzustellen; - Vorhersagen über das Trimmsystem und das Verhalten des Flugzeuges beim Start treffen zu können; - dem Piloten die Möglichkeit zu geben, sich mit den Bedienungseigenschaften und dem Verhalten des Flugzeugs vertraut zu machen.

Die Rollerprobung unterteilt sich in eine Erprobung bei langsamem Rollen und einer mit hoher Rollgeschwindigkeit. Bei den langsamen Rolltests soll bei Schrittgeschwindigkeit das Verhalten des Flugzeuges im Geradeauslauf und in Kurven, die Motorkühlung (Öl- und Zylinderkopftemperatur innerhalb der Betriebsgrenzen), die Funktion der Fluginstrumente (Kompassanlage, künstlicher Horizont, VVI etc.) überprüft und zusätzlich die Bremsanlage eingebremst werden. Nach zufriedenstellendem Abschluss dieser Tests wird die Rollgeschwindigkeit in weiteren Schritten (+ 5 KIAS) bis zu 80% der vorausgesagten Überziehgeschwindigkeit gesteigert, um Aussagen über die Richtungskontrolle mit dem Seitenruder, Torqueeffekte und das Bremsverhalten zu gewinnen. Diese Tests sollten in Start- und Landekonfiguration durchgeführt werden, damit ein Vergleich des Flugzeugsverhaltens bei Start und Landung ermöglicht wird. Es sollte weiterhin der ungefähre Abhebepunkt beim Start ermittelt werden, sowie die Distanz, die zum Startabbruch benötigt wird (Accelerate-Stop-Distance ASD). Alle Parameter und Verhaltenseigenschaften sollten für das Flughandbuch dokumentiert werden. Nach jedem Rolllauf muss das Flugzeug sorgfältig auf Schäden inspiziert werden. Bei auftretenden Problemen sind notwendige Reparaturen oder Änderungen durchzuführen, bevor das Rollprogramm weitergeführt wird.

Erstflug:

Nach Abschluss der Rollerprobung beschreibt das Handbuch bedenkenswerte Faktoren zur extensiven Vorbereitung auf den Erstflug. Es werden Maßnahmen wie Sicherheitsvorkehrungen, Vorflugkontrolle, Vorbereitungen am Flugzeug oder die Dokumentation des Fluges (Kamera, Cockpit Voice Recorder) angesprochen. Nachfolgend werden die Nutzung eines Begleitflugzeugs und verschiedene Notfallverfahren während des Fluges diskutiert. Da der Erstflug Erkenntnisse über die Zuverlässigkeit des Triebwerks und das Steuerverhalten des Flugzeugs liefern soll, werden detaillierte Verfahrensanweisungen und Tipps zur Durchführung des gesamten Erstflugprofils gegeben.

Die ersten 10 Flugstunden:

Während der ersten 10 Flüge sollte der zweite Flug inhaltlich eine exakte Wiederholung des Erstflugs sein, um die gewonnenen Daten zu verifizieren. Im dritten Flug liegt der Schwerpunkt auf der Überprüfung des Triebwerksverhaltens in unterschiedlichen Betriebsbereichen. In den Flügen 4 bis 10 werden die Kalibrierung der Fahrtenmesseranlage durchgeführt und schrittweise die Flugparameter erweitert, um Erkenntnisse über das Ein- und Ausfahrverhalten des Fahrwerks, das Triebwerksverhalten bei Steig- und Sinkflug und zu gewinnen.

Erweiterung der Flugbereiche:

Nach den ersten 10 Flugstunden empfiehlt das Handbuch eine ausgiebige Inspektion im Umfang einer Jahresinspektion, die Auswirkungen der Flüge auf die Flugzeugzelle und Systeme zu ermitteln.

In der Erweiterung der Flugbereiche werden einige Flugleistungsparameter und Betriebsgrenzen erflogen. Die Flugstunden 11 bis 20 sollen zur Ermittlung der Überziehgeschwindigkeit, der besten Steigrate, des besten Steigwinkels und der Langsamflugeigenschaften genutzt werden. Das Handbuch gibt hierzu detaillierte Verfahrenshinweise, wie diese Parameter erflogen und berechnet werden. Das nachfolgende Diagramm zeigt beispielhaft die grafische Ermittlung des besten Steigwinkels (VX) durch Anlegen einer Ursprungstangente an die erlogene Steigleistungskurve mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die beste Steigrate (VY) liegt im Höhepunkt der Leistungskurve.