Wie fliegt ein Flugzeug?


Grundlegendes Prinzip des Auftriebs:

Damit ein Flugzeug oder Hubschrauber vom Boden abheben kann, muss eine Kraft nach oben wirken, die mindestens so groß ist, wie das Gewicht des Fluggeräts. Diese Kraft erzeugt die Tragfläche oder der Rotor des Luftfahrzeugs, wenn die Luft mit genügend hoher Geschwindigkeit anströmen kann. Die Tragflächen oder Rotorblätter haben im Querschnitt eine bestimmte Form, dieses Profil ist maßgeblich für die Größe des Auftriebs (erwünscht) und den Luftwiderstand (unerwünscht) verantwortlich.. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Profilarten, je nachdem welche Flugeigenschaften erreicht werden sollen.


Bewegt sich nun eine Tragfläche vorwärts, teilt das Profil den Luftstrom in einen unteren und einen oberen Teil. Beim Umströmen des Profils muss die Luft bei einem unsymmetrischen Profil auf der oberen, größeren Wölbung einen längeren Weg als auf der unteren, geringeren Wölbung zurücklegen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit oben stärker als unten erhöht. Nach dem Gesetz der Strömungslehre (Bernoulli-Gleichung) führt jede Geschwindigkeitszunahme der Strömung zu einer Reduktion des Drucks. Es entsteht also auf der Oberfläche und Unterseite des Flügels ein Unterdruck, der eine Sogwirkung auf die Tragfläche ausübt (s. Abbildung links). Da wegen der geringeren Strömungsgeschwindigkeit der Sog unten geringer ist als auf der Oberseite, ergibt sich in der Summe eine Kraft nach oben, im Bild die Differenz von Auftrieb und Abtrieb ("grün minus orange"). Diese Differenz ist der eigentliche Auftrieb, der ein Luftfahrzeug trägt. Der Punkt, an dem man sich die Auftriebskräfte an der Tragfläche vereinigt denken kann, heißt übrigens "Druckpunkt".


Stellt man zusätzlich die Tragfläche um einen gewissen Anströmwinkel gegen den Luftstrom an, so wird die Luft beim Umströmen des Profils immer stärker nach unten abgelenkt. Der Sog an der Oberseite steigt, und auf der Unterseite ergibt sich bei genügend großer Anstellung sogar ein Überdruck, der das Profil nach oben drückt. Auf diese Weise kann sogar ein Flügel mit einem vollsymmetrischen Profil einen kräftigen Auftrieb liefern. Der Sog an der Oberseite liefert grob 60% des Auftriebs, er ist also erstaunlicherweise wichtiger  als der Überdruck auf der Unterseite! Wie die Verhältnisse mit zunehmendem Anströmwinkel liegen, zeigen die drei Skizzen unten.

 

 

Nun könnte man meinen, durch einen immer größeren Anströmwinkel immer mehr Auftrieb zu gewinnen, das ist aber ein Trugschluss! Mit zunehmendem Winkel wächst leider auch der Luftwiderstand des Profils stark an, was natürlich absolut unerwünscht ist. Eine extrem große Gefahr ergibt sich beim sogenannten "Strömungsabriss", er erfolgt bei großem Anströmwinkel, weil sich der Luftstrom auf der Oberseite von der Tragfläche ablöst, wodurch der Auftrieb schlagartig zusammenbricht. Moderne Flugzeuge werden daher so konstruiert, dass die Strömung im Ernstfall immer erst in Rumpfnähe abreißt, und erst ganz zuletzt an den Flügelspitzen. Der Pilot hat so noch eine gewisse Vorwarnzeit, um den gefährlichen Flugzustand ("Strömungsabriss" oder "Stall") durch eine Verringerung des Anströmwinkels zu beenden. Dicke Profile sind normalerweise bezüglich des Strömungsabrisses gutmütiger, dünne Profile hingegen "giftiger".

Eine weitere Vergrößerung des Auftriebs ist dann nur noch durch Erhöhen der Fluggeschwindigkeit möglich, was aber wiederum den schädlichen Luftwiderstand erhöht. Aus diesem Grund verringert man bei sehr schnellen Flugzeugen den Luftwiderstand durch die Verwendung dünner Profile, was dann aber ein langsames Fliegen (z.B. bei Start und Landung) unmöglich macht, weil bei der im Langsamflug erforderlichen Vergrößerung des Anströmwinkels sehr schnell die Strömung abreißt. Mit sich änderndem Anströmwinkel wandert auch der Druckpunkt der Auftriebskräfte an der Tragfläche, was zu einer gefährlichen Instabilität des Luftfahrzeugs führen kann. Gute Profile sollten immer eine möglichst geringe Druckpunktwanderung aufweisen.

Um ein Luftfahrzeug zu Fliegen zu bringen benötigt man nun eigentlich nur noch einen Antrieb, der das Profil gegenüber der umgebenden Luft so stark beschleunigt, dass der Auftrieb das Gewicht des Flugzeugs tragen kann. Der Vortrieb des Motors muss dann im Fluge nur noch den Luftwiderstand des Fluggeräts überwinden (s. Abbildung links). Damit ist auch eindeutig klar, dass nur ein Profil mit einem geringe Widerstand einen geringen Treibstoffverbrauch des Motors ermöglicht. Geeignete Antriebe sind Kolbenmotore und Strahltriebwerke. Baut man also an eine Tragfläche einen Motor der den Luftwiderstand überwindet, so wird sich die Tragfläche alsbald in den Himmel erheben, und das LFZ fliegt! Das es nicht immer ein Motor sein muss, zeigt übrigens das Segelflugzeug. Auch nach oben gerichtete Thermik führt bei gleichzeitig horizontal bewegtem Flugzeug zu einer Anströmung der Tragfläche von schräg unten, bei der sowohl genügend Auftrieb erzeugt wird, als auch der allfällige Luftwiderstand kompensiert wird. Bleibt die Thermik aus, so verwandelt das Segelflugzeug seine Lageenergie in Vortrieb, was allerdings beim Erreichen der Höhe Null ein hoffentlich nicht zu abruptes Ende findet!

Nun ist es sicher einsichtig, dass es da noch einige kleinere Probleme zu Überwinden gibt, denn ein Motor alleine reicht nicht zum Fliegen. Damit die Freude von Dauer ist, muss man die Kiste natürlich auch noch Steuern können, aber darüber reden wir später!

 

 

Rekapitulieren wir:

 

Das wichtigste ist der Auftrieb der Tragflächen. Durch das Profil der Flügel legt die Luft oben einen größeren Weg zurück als unten, das führt zu einem Überdruck unter dem Flügel und zu einem Unterdruck über dem Flügel. Insgesamt entsteht so eine Auftriebskraft. Diese Kraft ist abhängig von

 

 

Unsymmetrisch gewölbte Profile (teilweise sogar unten konkav), hohe Geschwindigkeit und großer Anströmwinkel erhöhen den Auftrieb. Stark gewölbte Profile sind jedoch für schnelles Fliegen nicht geeignet, und eine zu starke Erhöhung des Anströmwinkels führt bei allen Profilen früher oder später zu einem Abriss der Strömung, und damit zum unkontrollierten Flugzustand. Eine Tragfläche ist immer ein Kompromiss für die jeweilige Anwendung. Es gibt einige Probleme:

 

 

Segelflugzeuge haben oft dünne, auch auf der Unterseite nach oben(!) gewölbte Profile (das ergibt besonders geringen Widerstand und hohen Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit). Militärjets haben einen fast nicht gewölbten, dünnen Flügel (das ergibt sehr geringen Widerstand, der geringe Auftrieb wird durch hohe Geschwindigkeit ausgeglichen). Alle für höhere Geschwindigkeit gebauten Flügel können nicht langsam fliegen, weil bei dem dann größer werdendem Anstellwinkel die Strömung abreißt. Für solche Flügel benötigt man Landeklappen, die bei niedriger Geschwindigkeit den Auftrieb erhöhen. Beim Strömungsabriss verhalten sich dicke Profile unkritischer als dünne Profile. Im Sinkflug muss das Flugzeug oft gebremst werden (Ein Airbus gleitet aus 10km Höhe weit über hundert Kilometer), dafür gibt es Spoiler oder Bremsklappen. Gefahren:

 

 

Die größte Gefahr ergibt sich für einen Piloten bei Unterschreitung einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit durch Strömungsabriss.

 

Kräfte am Flugzeug: Das Gewicht wird durch den Auftrieb ausgeglichen, der Luftwiderstand wird durch die Kraft des Triebwerks ausgeglichen. Der Schwerpunkt des Flugzeugs muss knapp vor dem Druckpunkt der Tragflächen liegen, das langsamer werdende Flugzeug nimmt dann die „Nase“ nach unten, und gewinnt selbstständig an Fahrt. Liegt der Schwerpunkt hinter dem Druckpunkt, so ist das Flugzeug instabil und stürzt (zumindest ohne Computersteuerung) ab.

 

Der Schwerpunkt muss unbedingt vor dem Druckpunkt der Flügel liegen. (Bei Beladung des Flugzeugs unbedingt beachten).

 

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