Überlegungen zu Design, Tests und Zertifizierung von Rettungsgeräten für UL, LSA und die Allgemeine Luftfahrt

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Sequence taken from the test of rescue system for the American aircraft Cirrus with the parachute BRS.

Tests für Rettungssysteme für UL und LSA

Viele Ultraleichtflugzeuge werden heute mit integrierten Rettungssystemen ausgerüstet, die durch Raketenmotore aktiviert werden. Als solche müssen sie in bestimmter Weise zugelassen werden. Hierbei muss der Nachweis erbracht werden, dass sowohl das komplette System als auch der Fallschirm selbst die geforderten Bedingungen erfüllen. Beim Rettungsschirm müssen Festigkeit, Öffnungsgeschwindigkeit und Sinkrate nachgewiesen werden. Der Hersteller legt die grundlegenden Parameter fest wie: Zuladung, maximale Gebrauchsgeschwindigkeit und die minimale Zeit für Entfaltung und Öffnung. Hieraus ergibt sich die Gebrauchshöhe für die Rettung von Luftfahrzeug und Besatzung.

Für den Konstrukteur ergeben sich die größten Probleme aus den geforderten geringen Öffnungszeiten. Je länger die Zeit bis zur vollständigen Öffnung, desto geringer sind der Entfaltungsstoß und somit die Anforderungen an den Schirm und die Befestigungspunkte des Rumpfes.

Andererseits bedeutet dies auch, dass die benötigte Höhe bis zur sicheren Öffnung zunimmt. Der Konstrukteur muss also einen Kompromiss finden, der nicht nur die vorgegebene Anforderungen (z.B. deutsche DULV-Zulassung: 4,5 Sekunden) erfüllt, sonder auch die vorher beschriebene Problematik berücksichtigt. Dies kann durch eine Reihe technischer Maßnahmen erreicht werden: Kappenform, zentrale Öffnung, Größe, verschiedenen Klappen und Schlitze und vor allem Größe, Form und Material des Sliders (der die Öffnungszeit steuert).

Der Slider kann aus Gewebe oder Netzmaterial sein, an dessen Außenseite Ösen die Fangleinen führen. Er befindet sich beim Packen im Bereich der Basis der Kappe. Nach dem Strecken der Kappe verhindert er, dass sich der Schirm nicht schlagartig sondern nur bis zum Durchmesser des Sliders füllt. In dieser Phase hat der Fallschirm eine Birnenform und die erste dynamische Belastung wird reduziert. In der Folge, durch Überdruck, beginnt der Schirm sich auszubreiten und der Slider wird, entlang der Fallschirmleinen, gegen die Fallrichtung geschoben.

Um die Geschwindigkeit der Öffnung abzustimmen ist es notwendig mit dem Sliderdurchmesser, seiner Größe und anderen oben erwähnten Bauteilen zu experimentieren.

Die gewonnen Erfahrungen aus zahllosen Versuchen gehören zum Betriebskapital eines Herstellers. Aber auch das Wissen um geltende Bauvorschriften ist entscheidend. Gegenwärtig kennen und orientieren wir uns an drei Vorschriften für Rettungssysteme, die wir im folgenden darstellen möchten.

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Picture from the drop test of parachute for the Galaxy rescue system

Die tschechische Vorschrift ZS2-LAA CR

Das Rettungssystem ist nicht obligatorisch. Das maximal erlaubte Sinken beträgt 6.8m/sec. Die Festigkeit wird mit Höchstgewicht und Höchstgeschwindigkeit überprüft, die um den Faktor 1.05 erhöht wird. Die Abwurftests müssen bei Maximalgeschwindigkeit durchgeführt werden. Die Öffnungszeit für 450 - 560 Kilogramm wird nicht festgelegt, der Hersteller misst die minimale Öffnungshöhe bei einer Geschwindigkeit von 65 km/h und deklariert diese mit den technischen Parametern des Rettungssystems. Des weiteren werden Tests zu Entfaltungsstoß und Pendelstabilität durchgeführt. Die Vorschrift ZS 2 verlangt außerdem mindesten drei Abschusstests von einem Anhänger. Davon werden zwei Tests zur Schirmöffnung bei einer Geschwindigkeit von 65 km/h durchgeführt. Mindestens ein Versuch wird über ein simuliertes T-Leitwerk bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h durchgeführt. Der Test soll eine ausreichende Ausschussweite garantieren die das Verfangen am Leitwerk verhindert.

Bauvorschriften des DULV (Deutscher Ultraleicht Verband)

Alle Ultraleichtflugzeuge in Deutschland müssen mit Rettungssystemen ausgerüstet werden. Die Festigkeit der Kappe wird mit maximalem Abfluggewicht und Höchstgeschwindigkeit überprüft. Die Regelung verlangt mindestens drei Abwurftests mit einer Geschwindigkeit, die nicht niedriger als die VNE des UL sein darf. In diesem Zusammenhang wir der Entfaltungsstoß ermittelt. Ähnlich der tschechischen Vorschrift werden weitere Tests hinsichtlich der Pendelstabilität durchgeführt. Bei der deutschen Regelung spielt der Koeffizient k eine wichtige Rolle. Er ergibt sich aus der Relation von maximal zulässiger Geschwindigkeit zu maximalem Abfluggewicht, also VNE/m.

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The Mi-8 helicopter used for described drop tests
Right picture: Container with the weight of required weight before the drop test

Die deutsche Regelung beinhaltet auch mindestens drei Abschüsse um die Funktion und Öffnungszeit bei einem Koeffizienten k kleiner 0,4.

Der Test zur Ermittlung der minimalen Öffnungszeit wird bei einer Fluggeschwindigkeit von 120km/h und k größer 0,4 durchgeführt .

Die Öffnungszeit mit einem Testgewicht von 472.5 kg muss weniger als 4,5 s ab dem Zeitpunkt der Betätigung der Rakete betragen.

Für Rettungsschirme die für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt sind erhöht sich nun die minimale Rettungshöhe von 60-80 m auf 120-160 m.

Damit wird klar: fliegt man mit einem Rettungsgerät das für hohe Geschwindigkeiten konzipiert ist, macht es keinen Sinn bei einer Auslösung in Bodennähe langsam zu fliegen. Anders gesagt: es ist nicht möglich eine Rettung bei 300 km/h durchzuführen und gleichzeitig damit ein leichtes UL bei niedrigen Geschwindigkeiten und Höhen zu retten.

Die minimale Öffnungshöhe eines solchen Gerätes bleibt >120 km/h.

Die Sinkrate muss kleiner 7,5m/s sein und jeder Befestigungspunkt am Luftfahrzeug muss dem Entfaltungsstoß des Rettungsgeräts standhalten (Sicherheitszahl 1,5). Zusammen mit der geforderten kurzen Öffnungszeit ergibt sich die Notwendigkeit einer stärkeren Zelle. Deshalb sind deutsche ULs in der Regel in diesem Bereich schwerer als die tschechischer oder amerikanische Hersteller. In der Summe sind UL und Rettungsgerät also leichter, wenn sie nach tschechischem oder amerikanischem Standard (die bspw. unterschiedliche Festigkeiten für vordere und hintere Befestigungspunkte vorsehen) gebaut werden.

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Partly open canopy of the rescue system after the drop.Well seen is the slider ring.

Die Tschechische Republik akzeptiert beide Verfahren und umgekehrt erkennen die deutschen Verbände die offiziellen tschechischen Test an.

Light Sport Aircraft (LSA)

Die US Light Sport Aircraft (LSA) Kategorie schließt Luftfahrzeuge bis zu einem Abfluggewicht von 600 kg ein. Rettungsgeräte sind nicht vorgeschrieben. Die folgenden Standards wurden durch die FAA für die LSA-Klasse festgesetzt:

Die maximal erlaubte Geschwindigkeit im Horizontalflug liegt bei 222 km/h.

Als rechnerische Grundlage dient die Geschwindigkeit bei 75% Leistung; was in etwa 201 km/h entspricht. Der geforderte Sicherheitsfaktor ist 1.21 woraus sich die Testgeschwindigkeit von ca. 245 km/h ergibt.

Diese Regelung erlaubt einen kleinen Spielraum, da auch für das Gewicht eine ähnliche Sicherheitszahl angesetzt wird. Das Produkt beider muss 1,5 betragen. Hier eine Beispiel: Für das Gewicht könnten wir 1.22 und für die Geschwindigkeit 1.23 ansetzen (1.22 x 1.23 = 1.5006).

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The Cirrus aircraft under the BRS rescue system tested in USA.

Der Entfaltungsstoß muss ebenfalls bestimmt werden.

Öffnungsgeschwindigkeit und Sinkrate werden bei 90 km/h und maximaler Anhängelast ermittelt.

Der Festigkeitsnachweis wird durch drei Abwürfe erbracht. Berücksichtigt man die Sicherheitszahl (1,25) ergibt dies bei einem Gewicht von 473kg ein Testgewicht von 591 kg bei einer Geschwindigkeit von 245 km/h.

Der US Standard definiert nicht Sinkrate und Öffnungszeit. Die Sinkrate von einer Höhe 5000 ft AGL wird aufgezeichnet.

In den USA überlässt man vieles den Herstellern und den Konsumenten – Hersteller müssen ihre Zahlen nicht veröffentlichen. Wichtig hingegen ist, dass alle potenziell gefährlichen Teile am und im Luftfahrzeug korrekt beschriftet sind. Auch muss sich ein Notfall-Hinweis auf den Webseiten des Herstellers befinden wie man sich nach einem Unfall verhalten soll um evtl. Folgeschäden durch das Rettungsgerät zu vermeiden. Es werden Hinweise gegeben, wie sich Ersthelfer in einem solche Fall verhalten sollen. Diesen Aspekten wird in den USA eine größere Bedeutung beigemessen.

Für Experimentals gibt es in den USA keinerlei Regularien. Da sie nicht für kommerzielle Zwecke genutzt werden überlässt man alles dem Erbauer.

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Rettungssysteme für Cirrus und andere zertifizierte Flugzeuge

Flugzeuge der Cirrus Design Company waren die ersten in der Allgemeinen Luftfahrt, die mit einem ballistischen Rettungsgerät ausgerüstet wurden.

Das MTOW des neu entwickelten Flugzeuges von Cirrus ist mit 1724 kg festgelegt. Rettungsgeräte mit 1-3 Kappen kamen in Betracht.

Die Firma gab eine Ausschreibung heraus an der unter anderem auch die Fa. Galaxy teilnahm.

Die aktuellen Cirrus Modelle SR22-G2 und SR20-G2, mit MTOWs von 1500kg, benutzen einen Kappe mit Öffnungszeiten von 6,5 bis 6,8 s, die die Vorgabe erfüllt, die Besatzung aus Platzrundenhöhe retten zu können. Hier geschehen in etwa 80% aller Unfälle. Diese entstehen in der Regel durch Pilotenfehler, bedingt durch starken Stress und hohe Verkehrsdichte .

Das neue Modell von Cirrus sollte also ein Rettungsgerät haben das wenigstens die Eigenschaften des momentan eingebauten Gerätes besitzt: maximal 6,5 s bei 90 km/h.

Die Testbedingungen ähneln den LSA Vorschriften. Die neue Maschine von Cirrus ist ein schneller 5-Sitzer. Einen Rettungsschirm für solch ein Flugzeug zu entwickeln, stellt eine extreme Herausforderung dar.

Um die Sicherheit zu erhöhen wurde eine Manövergeschwindigkeit von 296 km/h zugrunde gelegt. Multipliziert mit 1,2 ergibt dies 356 km/h und ein Testgewicht von 2068 kg (1724 kg x 1.2).

Der niedrigere Sicherheitsfaktor von 1,44 (1,2x1,2). wurde nach langen Verhandlungen durch die LAA genehmigt (eigentlich 1,5). Auch für die aktuellen Modelle hat noch kein Rettungssystem den Faktor 1,5 erfüllen können.

Dennoch ist es sehr schwer diese Vorgaben zu erfüllen, da das neue Rettungssystem nicht nur eine sehr kurze Öffnungszeit besitzen muss, sondern auch maximal 27 kg wiegen darf.

In ihren Bemühungen um mehr Flugsicherheit haben die Entwickler von Cirrus also sehr harte Vorgaben gemacht. Zum Beweis, dass Rettungsgeräte wirklich Leben retten, kann man bereits auf 10 Fälle verweisen in denen die Besatzung gerettet wurde.

Bei Cirrus werden 2 – 3 Flugzeuge täglich in der neuen Fabrik hergestellt. Die verwendeten Rettungssysteme erfüllen Sinkwerte von weniger als 7 m/s bei 5000 ft AMSL.

Die Sitze sind aus einem speziellen Material gefertigt, dass die Belastung im Falle eines Landecrashs reduziert. Die Rakete ist von der Kabine getrennt, da bei der Verbrennung der US Raketen giftiges Hydrogenchlorid freigesetzt wird.

Tschechische Rettungsgeräte verwenden einen rauchlosen Brennstoff, der in dieser Hinsicht unproblematisch ist.

Bei Galaxy kommt ein moderner Brennstoff von Explosie a.s. (ehem. Synthesia) zum Einsatz.

Neue Tests

Am 27. April 2006 führte Galaxy neue Tests am Flugplatz Hořín bei Mělník unter Aufsicht der LAA ČR durch. Die Test wurden mit einem MI-8 Helikopter durchgeführt.

Das nötige Gewicht bestand aus einem Behälter, der mit Stahlplatten gefüllt war. Ein Kraftmeßgerät wurde zwischen diesem und der Kappe installiert um den dynamischen Stoß aufzuzeichnen.

Die Auslösung erfolgte elektrisch. Die Besatzung fliegt in einer festgelegten Höhe von 200-300 m, je nach Test mit Geschwindigkeiten von 90, 120 und 250 km/h.

In der Abwurfzone werden Schirm und Gewicht ausgeklinkt. Um alle Parameter zu erfüllen arbeiten drei Besatzungsmitglieder zusammen. Der Abwurf wird mit Videokamera vom Boden aus aufgezeichnet. Hierdurch ist es möglich Öffnungszeiten und Öffnungshöhe zu ermitteln. Insgesamt wurden 6 Versuche durchgeführt.

Funktionsweise des Galaxy Rescue Systems

Die Kappe befindet sich in einem Container der bei Auslösung herausgezogen wird. Dieser entfaltet sich erst, wenn die Verbindungsleine und ann die Fangleinen gestreckt wurden. In dieser Phase is das Rettungsgerät als Packet bereits 18m vom UL entfernt. Der Vorteil liegt darin, dass sich der Schirm erst öffnet, wenn er ausreichend weit vom UL entfernt und von herumfliegenden Teilen geschützt ist. Dieses Prinzip ließ sich Galaxy 1994 patentieren.

Beschreibung eines DULV-Tests

Dieser DULV-Test überprüft die minimale Öffnungszeit mit einem Gewicht von 472,5 kg bei 120 km/h. Die Abwurfhöhe betrug 250 m und für die Öffnungszeit wurden 4,45 s gemessen.

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The Mi-8 flight for the drop test and the onboard operator Mr.Fuks before the moment of drop

Es kommt darauf an die vorgeschriebene Zeit von 4,5 s so wei wie möglich auszunutzen, da dies ermöglicht das System bei höheren Geschwindigkeiten einzusetzen. Die getestete Kappe war für Geschwindigkeiten bis 320 km/h konstruiert.

Nach Auswertung des Test ergab sich ein Wert von 20,8 kN für den Entfaltungsstoß. Sowohl Entfaltungsstoß als auch Öffnungszeit lagen also im Limit.

Ein weitere Test des gleichen Schirms

Diesmal wurde wollten wir überprüfen, ob der getestete Schirm auch einen der Test für den US-LSA Standard bestehen würde.

Das Gewicht wurde auf 580 kg erhöht, ein Anstieg von 22.7% zum vorherigen Test. Die Geschwindigkeit war 250 km/h - eine Erhöhung von 23%. Dadurch wurde der geforderte Sicherheitsfaktor von 1,5 erfüllt.

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Looks from the MI-8 helicopter during the drop test.
Right pictures: Sequence from the drop test of the Galaxy rescue system

Der gemessene Öffnungsstoß betrug 34 kN; die Öffnungszeit 3,75 s. Die Kappe überstand den Test ohne Deformation.

Kommentar

Ing. Milan Bábovka fügt hinzu: es ist nicht empfehlenswert diese Versuche weiter zu führen, da alle Schirme ihre Festigkeitsgrenzen haben und mit immer weiter wachsender kinetischer Energie die entstehenden „G“-Belastungen sehr hoch werden. Die daraus resultierenden Verstärkungen im Bereich der Zelle würden zu unverhältnismäßigen Gewichtszunahmen führen.

Aus unseren über viele Jahre durchgeführten Versuchen sind wir zu der Einsicht gekommen, dass es nicht sinnvoll ist, eine Kappe bei einer Geschwindigkeit von 300 – 320 km/h mit dem geforderten Gewicht abzuwerfen, um dann die Ergebnisse für LSA zu verwenden. Wir haben herausgefunden, dass es nötig ist einen Korrekturfaktor für den Abwurf einzubeziehen. Bei einer Geschwindigkeit von321 km/h müsste der Abwurf also bei 350 km/h erfolgen. Der Gründe dafür sind der Widerstand des Gewichts bis zur Öffnung und Anzeigefehler des Fahrtmessers.

Die 22 – 25%ige Erhöhung des Testgewichts belegt die Festigkeit der Kappe im Moment der Öffnung. Es ist nicht nötig dies bei maximaler Testgeschwindigkeit durchzuführen. Der Test ist entscheiden für alle Abfluggewichte die die LSA-Klasse zulässt.

Die Öffnungszeit auf 4,5 s festzulegen, wie in Deutschland gefordert, ist hier weder praktikabel noch realistisch. Die Öffnungszeit wird unweigerlich länger und damit die benötigte Höhe für die Öffnung. In der Allgemeinen Luftfahrt ist jedoch ein Sicherheitsfaktor von 1,5 festgeschrieben. Aus diesem Grund sind die meisten Hersteller von rettungsgeräten nicht in der Lage eine befriedigende Lösung für das Problem einer Rettung aus niedriger Höhe also bspw. im Endanflug zu finden.

Weitere LSA Tests

Am Flugplatz Mělník wurde das neue GRS 6/600 SD LSA bei MTOW mit einem 25%igen Aufschlag getestet.

  1. Die gemessene Öffnungszeit bei 90 km/h und 600 kg war 5,8 s einschließlich der Fallzeit von 1,5 s. Die daraus errechnet Öffnungshöhe betrug 130 - 140 m AGL. Der Entfaltungsstoß betrug 22,5 kN.
  2. Die getestete Öffnungszeit bei 250km/h und einem Gewicht von 750 kg war 5,0 s einschließlich Fallzeit. Der gemessene Entfaltungsstoß betrug 32,5 kN, was die Festigkeit der Kappe dokumentiert.
  3. Die getestete Öffnungszeit bei 250 km/h und 600 kg betrug 5,34 s, bemerkenswerterweise betrug der Entfaltungsstoß aber nur 22,5 kN. Dieser Wert ist für den Flugzeugkonstrukteur als maximaler Entfaltungsstoß anzunehmen.
Die Kappe öffnet sich also besser, wenn aus höheren Geschwindigkeiten abgebremst wird und die regelnden Funktion des Sliders zum Tragen kommt. Wenn sie richtig konstruiert ist bleibt auch der Entfaltungstoß der gleiche.

Ing. Milan Bábovka fügt hinzu: mit den Versuchen im Mai 2006 hat Galaxy GRS s.r.o. einen zweijährigen Testzyklus für Rettungsgeräte im Bereich der Allgemeinen Luftfahrt und der LSA Kategorie beendet. Insgesamt wurden 130 Raketen von Testfahrzeugen abgefeuert um bspw. Öffnungszeiten zu vergleichen. 65 Schirme wurden von L-410 Turbolet Flugzeugen und MI-8 Hubschraubern abgeworfen.

Darüber hinaus wurden Patente für die neue GRS 6 Modellreihe (360,473,600 & 650kg) beantragt, alle mit einem 1,5 fachen Sicherheitsfaktor. Die Bezeichnungen der neuen Geräte lauten dem entsprechend: GRS 6/360, 6/473, 6/600, 6/650 SD LSA.

Speziell für die deutschen Bauforderungen entwickelten wir das GRS 6/473 SD, das seit kurzem die Zulassung des DULV für Ultraleichtflugzeuge besitzt deren Geschwindigkeits-Massen Parameter (Vne/m) > 0,4 ist (d.h. Vne bei 472,5 kg größer 190 km/h)besitzt.

Hier einige Eckdaten der DULV-Zulassung:

Höchstzulässige Gebrauchsgeschwindigkeit: 310 km/h
Höchstzulässige Anhängelast: 473 kg
Minimale Anhängelast: 250 kg
Mindestgebrauchshöhe über Grund: >80 m
Zeit bis zur vollständigen Öffnung: 3,99 s bei 120 km/h
Sinkgeschw. bei max. Anhängelast in
1000 m MSL: 7,1 m/sec
Entfaltungsstoß bei maximaler Geschwindigkeit und maximaler Anhängelast: 23,65 kN

Auch im Falle einer Überladung bietet dieses Gerät weitaus größere Reserven als bisherige Systeme.

Abschließend kann man sagen, dass das GRS 6/600 SD LSA mit einem Gesamtgewicht von nur 12,3 kg und einer Sinkrate von nur 6,9 m/s wohl die besten Werte seiner Klasse liefert.

New parachute testing methodology

With increasing demands for higher MTOW aircraft mass and higher VNE speeds (mainly due to new design capabilities and technologies), there was a need to change the testing methodology beyond the earlier limits (325 km/h and 700 kg respectively for the helicopter for 250km/h and higher weights). So, we have newly developed a unique technique for testing higher speeds up to 500 km/h and for weights up to 4.000 kg, in cooperation with the Institute of Aerospace Engineering of Brno University of technology. The new method uses the helicopter's full load capacity and free fall acceleration. The methodology is protected as our intellectual property and has been used by our company since 2015 to accurately test our products. We do the measurements using our own measurement base with sensors used in each test object and transmitted to the base wirelessly (this guarantees the retention of data in the ground base even in case of a "hard impact"). The test object in the tests is an aerodynamic body (specially designed shape with a guarantee of stable behavior) with a pitot tube, measuring base and other electronics.

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Note:
Described tests were conducted at the time the regulation ASTM 2316-08. For this reason, it was necessary to test the weight increase by a factor of 1.25 and 1.21 speed koficientem that the resulting safety parachute had reached safety factor of 1.5 for the intended weight and speed.

With the new regulation issued by the ASTM 2316-12 test was modified for testing parachutes to test parachutes carried out on the aircraft or with concentrated loads (Dead load).

Since our company has performed and conducted all tests with concentrated loads is the strength factor of 1.5 has been directly included in the test values (weight-speed) .It is therefore necessary to test these values continue to rise.
Conversely, thus tested parachutes are under an amendment to 2316-12 strength and higher safety factor to 2.25 (1.5 x 1.5).

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Testing involves as well the opening shock check - the magnitude of shock is measured by the size of deformation of the copper cone .( On the palm you can see the cone before and after the test)

Die Tests wurden überwacht durch den Beauftragten der LAA ČR Ing. Václav Chvála.
Der Text wurde mit seiner Zustimmung erstellt.

Die Kommentare stammen von Ing. Milan Bábovka von Galaxy.
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