Das statische Windfester-Modell, Pilot fix

Als Windfenster wird in der Fachsprache der Bereich bezeichnet in dem ein Kite bzgl. einer Anströmgeschwindigkeit v geflogen werden kann.
Das ist natürlich nicht Neues und kann auf vielen Webseiten und z.B. Schulungsunterlagen nachgelesen werden. Daher hier nur ganz kompakt das Wichtigste, und danach dann das, was in Schulungsunterlagen i.d.R. nicht zu finden ist.

Von oben gesehen hat das Windfenster folgende Form:

Steht der Pilot an einem festen Punkt z.B. an Land ist die Anströmgeschwindigkeit v gleich der Windgeschwindigkeit.
Das Gebiet in dem der Kite dabei aus der Sicht des Piloten fliegen kann ist in etwa eine geviertelte Kugeloberfläche. Von oben betrachtet, wie im Bild, hat das Windfenster eine Halbkreisform, abzüglich der äußersten Randbereiche, die aufgrund des Widerstandes des Kites nicht erreicht werden können.
Hätte der Kite keinen Widerstand wäre das Windfenster exakt ein Halbkreis.

Betrachtet man das Windfenster von der Seite kann der Kite die Position exakt über dem Piloten (Zenith) nicht erreichen, ebenfalls aufgrund des Luftwiderstandes des Kites.

Stationäre Flugzustände kann der Kite nur am dem Wind zugewandten Windfensterrand einnehmen. Die Geschwindigkeit des Kites ist dabei relativ zum Boden, wie den Kite ein Betrachter sieht, null. Gegenüber der Luft (Wind bzw. Anströmung v) hat der Kite dabei die Geschwindigkeit v. Diese Relativgeschwindigkeit zur Luft ist entscheidend für die entstehenden Kräfte am Kite.

In der eingezeichneten “Powerzone” erreicht der Kite keinen stationären Flugzustand sondern fliegt mit Vorwärtsgeschwindigkeit bis zum Windfensterrand. Diese Vorwärtsgeschwindigkeit ist auch der Grund warum der Kite in der Powerzone die größten Kräfte erzeugt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Kite ist deutlich größer, und die Luftkräfte, Auftrieb und Widerstand erhöhen sich quadratisch zur Geschwindigkeit.

Geschwindigkeits-Vektoren an verschiedenen Positionen im Windfenster


Diese Vektoren wurden für folgende Parameter berechnet:

Kite Fläche [m^2] 10
Auftriebsbeiwert cA [] 1
Gleitzahl Kite [] 6

Man kann also sagen ein typischer 0815-Kite.

Die Vektorlängen sind maßstäblich.
D.h. es ist wirklich so, dass z.B. der Fahrtwind vF in der Powerzone 6-mal so lang ist wie der Wind vW.
Zufall?
Nein, das ist tatsächlich allgemein gültig:

Der Fahrtwind vF ist in der Powerzone um den Faktor der Gleitzahl größer als die Windgeschwindigkeit vW.

Was ist der wirkliche Grund warum der Kite in der Powerzone stärker zieht?
Oft wird gedacht, ein erhöhter Anstellwinkel zur Anströmung wäre, die Ursache, das stimmt jedoch nicht. Wie an den Vektoren im letzten Bild zu erkennen, beeinflusst der Fahrtwindvektor dien Anströmvektor v entscheidend.
Er bewirkt, dass der Anstellwinkel in der Powerzone genau gleich ist wie am Windfensterrand!
(das gilt so lange man die Masse des Kites während Bescheunigungsphasen vernachlässigt. Dieser Einfluss ist aber zumeist gering, da Kite ultraleicht gebaut sind im Verhältnis zu den Zugkräften, die sie erzeugen.)

Der wahre Grund für die stärkere Zugkraft in der Powerzone, ist die höhere Anströmgeschwindigkeit v, aufgrund des Fahrtwinds, also der Eigenbewegung des Kites.
Die Zugkräfte (= Auftrieb und Widerstand vektoriell addiert) steigen quadratisch zur AnNstömgeschwindigkeit v, daher also die hohen Kräfte in der Powerzone.

Zugkraft des Kite am Windfensterrand
Die Zugkraft besteht aus Auftrieb + Widerstand, die sich vektoriell addieren.

Bei hohen Gleitzahlen besteht die Zugkraft fast nur aus Auftrieb, nur bei kleinen Gleitzahlen z.B. bei Nasawings mit Gleitzahl 3 trägt der Widerstand auch erheblich zur Zugkraft bei.

Am anderen Ende der Skala ist ein Rundkappen Fallschirm: Gleitzahl 0, d.h. die Zugkraft besteht nur aus Widerstand.