15.07.2010
FLUG REVUE

ATPL Theoriewissen aufgefrischt Intro AerodynamikATPL Theoriewissen aufgefrischt: Aerodynamik

Vom Flugsaurier über die Gebrüder Lilienthal und Wright bis hin zum Airbus A380 - bei allen Flugbewegungen ist Aerodynamik seit Millionen Jahren eine unverzichtbare Grundlage.

Aerodynamik von modernen Verkehrsflugzeugen, Business-Jets und Militärjets ist hochkomplexer Treffpunkt von Strömungsmechanik,  Tragflächenkonstruktion sowie computerunterstützter Flugsteuerung.

Die Anforderungen sind immens: In den Anfangszeiten der Luftfahrt lagen Startgeschwindigkeit und Reiseflugtempo in der Regel dicht beieinander.

Heute muss ein Tragflügel im Reiseflug bei 900 bis 1000 Stundenkilometern möglichst effizient sein. Problem für den Konstrukteur: Bei Start und Landung beträgt die Geschwindigkeit rund 250 bis 300 km/h. Gute Langsamflugeigenschaften verkürzen Start- und Landestrecken. Das ermöglicht Einsatz auf kürzeren Pisten. Für den Flugzeughersteller ein wichtiges Verkaufsargument: So erhöht sich die Flexibilität bei den Airline-Kunden.

Den späteren Piloten interessiert im Gegensatz zum entwurfsorientierten Ingenieur oder Physiker von allem die Auswirkung in der Praxis: Welchen Einfluss üben Grenzschichten, Druckpunkte, Lastvielfache und ihre Verwandten auf die Steuerung des Flugzeuges aus? Wie wirkt es sich auf Anfluggeschwindigkeiten aus, wenn einzelne Hochauftriebshilfen defekt sind?

Die "Learning Objectives" der JAA beschäftigen sich bei den "Priciples of Flight" zunächst mit dem kleinen Einmaleins der Mechanik: Newtons Gesetzmäßigkeiten sollten dem angehenden Piloten vertraut sein. Dann geht es um statischen und dynamischen Druck sowie die Grundlagen der Unterschall-Aerodynamik.

Bezeichnungen an der Tragfläche wie Spannweite, Flügeltiefe oder Profilsehne sollten an entsprechend sinnvollen Skizzen vertieft werden. Im nächsten Schritt geht es um die zwei- und dreidimensionale dimensionale Betrachtung des Luftstroms.

Auftrieb hat leider den unangenehmen Begleiter Widerstand. Er tritt in unterschiedlichen Formen auf, als Induzierter Widerstand und parasitärer Widerstand.

Beim Vertiefen des Fachs Aerodynamik gilt es eine sinnvolle Balance zu halten: Zwar nimmt Aerodynamik einen großen Stellenwerk in der ATPL-Schulung ein. Dennoch soll der spätere Pilot ein Flugzeug sicher und mit ensprechendem Hintergrundwissen steuern - er muss es aber nicht entwerfen, bauen oder seine zukünftigen Optimierungspotentiale wissenschaftlich erschließen!

Dabei kommt von Seiten der Forschung ein sehr hilfreiches Tool für das Verständnis der Tragflächen: Die NASA hat auf der Webseite des Glenn Research Centers einen virtuellen Simulator erstellt, mit dem sich die einzelnen Parameter einer Tragfläche verändern lassen. In einem ebenfalls virtuellen Windkanal werden die Auswirkungen deutlich.

Das Polardiagramm ist schließlich der Schlüssel zum Verhalten eines bestimmten Tragflügels mit Blick auf das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand.

Lastvielfache und Steuerflächen sind weiterer Schwerpunkt in der ATPL-Theorie. Es ist naheliegend, dass mit einem Schwergewicht wie Airbus oder Boeing kaum die agilen Flugmanöver eines Aerobatic-Zweisitzers möglich sind. Dennoch hat auch ein normales Verkehrsflugzeug durchaus eindrucksvolle Reserven und Einsatzgebiete: Beispiel hierfür ist der ZERO-G Airbus, mit dem das DLR und weitere europäische Forschungseinrichtungen Parabelflüge absovieren. Hier waren keine großen Modifikationen notwendig.

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"Theoriewissen aufgefrischt..." ist eine gemeinsame Aktion von FLUG REVUE und CAT Europe. Die Beiträge können keine professionelle Testvorbereitung ersetzen. Sie sollen vielmehr einen Überblick geben und vor allem Neueinsteigern die Inhalte beispielhaft darstellen.

ATPL Theoriewissen aufgefrischt Aerodynamik Hochauftriebshilfen

Die Hochauftriebshilfen zählen zu den eindrucksvollsten Beweisen für die Kompromissfähigkeit der Flugzeugkonstruktion: Verkauft wird ein Flugzeug heute in der Regel über seine Leistungsfähigkeit im Reiseflug. Da soll es schnell und sparsam sein, fliegt mit 900 bis 1000 Stundenkilometern in Höhen zwischen FL 240 und 410.

Die dafür ideale Tragflächenkonstruktion passt leider nur bedingt zu Start- und Landung. Außerdem folgt selbst an den größten Flughäfen der Welt nach 3000 bis 4000 Metern Bahn der Zaun. Nur ganz wenige Plätze wie zum Beispiel der Airport von Denver haben eine längere Piste im Angebot.

Auf diesen 3000 bis 4000 Metern muss ein Dickschiff wie Airbus A380 oder Boeing 747 in die Luft kommen - innerhalb der entsprechenden Sicherheitsmargen. Bei Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen oder Businessjets ist die Spanne noch kürzer: Hier soll auf 1000 bis 2000 Metern Bahn in der Regel abgehoben werden.

Noch schlimmer für den Konstrukteur: Beim Start ist das Flugzeug in der Regel am schwersten, voll beladen mit Nutzlast und Kraftstoff. Der maximale Auftrieb muss also im Moment des Abhebens zur Verfügung stehen, und das vielleicht noch an einem heißen Tag irgendwo in den Bergen mit den entsprechenden atmosphärischen Unannehmlichkeiten.

Die Zusammenhänge werden auch an der Definition des Auftriebs deutlich: Er ergibt sich aus Luftdichte, Flügelfläche, Geschwindigkeit und Auftriebsbeiwert. An der Luftdichte lässt sich während des Fluges für den Piloten nichts ändern, also bleiben noch die übrigen Faktoren:

Dummerweise fließt die Geschwindigkeit in die ganze Berechnung zum Quadrat ein und nicht linear. Dies bedeutet bei niedrigen Geschwindigkeiten umso weniger Auftrieb.

Lösung dieses Problems sind die Hochauftriebshilfen wie Klappen an den Flügenvorder- und Hinterkanten sowie ausfahrbare Vorflügel. Sie verändern das Profil der Tragfläche und schaffen so mehr Auftrieb. Einerseits vergrößert sich die Fläche S, andererseits auch der Auftriebsbeiwert CA.

Im Laufe der Luftfahrtgeschichte haben sich mehrere Konstruktionsweisen für die Klappensysteme entwickelt, von der Einfachspaltklappe bis zur aufwändigen Fowler-Klappe. Bei den komplexen Konstruktionen fließt auch noch die Beeinflussung der Grenzschicht mit ein. An der Vorderkante der Tragflächen sind Vorflügel oder Krügerklappen das Hilfsmittel für den Hochauftrieb. 

Nasenklappen und Hinterkanten-Klappen müssen stets koordiniert gefahren werden. Dies wird bei der Flugzeugkonstruktion schon festgelegt und in der Erprobung fixiert. Die Besatzung rastet später einzelne Stufen. Dann fahren entweder nur Nasenklappen aus oder bei größeren Stufen beide Systeme.

Beim Start sind die Hochauftriebshilfen nur wenig ausgefahren. Hier hebt das Flugzeug zwar früher ab, die Steigrate ist dann aber etwas schlechter. Deshalb ist die Berechnung jedes Starts ein Einzelstück, abhängig auch von der Bahnlänge und Hindernissituation.

Im Landeanflug werden die Hochauftriebshilfen etappenweise ausgefahren. Zwar wächst auch der Widerstand. Das ist aber auf dem Weg abwärts in der Regel nicht so problematisch. Schließlich möchte man in der Regel mit der entsprechenden Minimalgeschwindigkeit über der Schwelle ankommen und aufsetzen.

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ATPL Theoriewissen aufgefrischt Aerodynamik Tragflächenformen

Während der Vogelflug noch den Vorteil hat, wesentliche Parameter des Flügels aktiv beeinflussen zu können, sind den Konstrukteuren durchschnittlicher Verkehrs- und Reiseflugzeuge recht enge Grenzen gesteckt. Bewegliche Tragflächen haben sich vor allem bei Militärflugzeugen durchgesetzt, so zum Beispiel beim Tornado.

Welche Tragflächenform gewählt wird, hängt vor allem vom Geschwindigkeitsbereich ab, in dem das Flugzeug unterwegs sein soll. So haben Segelflugzeuge meist eine große Flugelstreckung, also lange Tragflächen mit einer geringen Profiltiefe.

Bei vielen Kolbenmotor-Flugzeugen und Turboprops ist die Tragfläche nahezu rechteckig oder elliptisch geformt. Je schneller das Flugzeug unterwegs ist, umso stärker ist meist die Tragfläche nach hinten gepfeilt. Das hängt mit der so genannten "kritischen Machzahl" zusammen.

Nähert sich ein Flugzeug in seinem Betriebsbereich der Schallgeschwindigkeit an, bringt dieses zahlreiche aerodynamische Überraschungen mit sich. Eine konstruktive Antwort darauf ist unter anderem die Pfeilung der Flächen. Bei Verkehrsflugzeugen hat sie sich seit den 1950er Jahren durchgesetzt. Erstes Beispiel ist unter anderem die Boeing 707. Das Thema Tragflächenoptimierung für den so genannten transsonischen Flug ist aber extrem komplex und hängt nicht nur mit der Pfeilung zusammen. Weiterer Faktor ist unter anderem auch die Profilform.

Eher exotische Formen sind die Deltaflügel. Sie wurden zum Beispiel bei der Concorde und beim Space Shuttle genutzt. Die damit verbundenen Anstellwinkel machten bei der Concorde eine absenkbare Nase erforderlich, damit die Crew bei der Landung die Piste sehen konnte.

Eindrucksvoll sind die Gleitflugeigenschaften des Space Shuttle. Meist zeigten die Fernsehübertragungen den eleganten Abschluss mit dem punktgenauen Aufsetzen. Bis kurz davor ähnelte der Sinkflug aber eher dem freien Fall. So näherte sich das Space Shuttle mit einer Sinkrate von weit über 10.000 Fuß pro Minute bis kurz vor dem Aufsetzen der Erde. Details beschreibt die NASA in den  Flugprofilen des Shuttle. Erst rund 1700 Fuß über Grund wird die Sinkrate reduziert, das Fahrgestellt ausgefahren und dann mit rund 190 Knoten aufgesetzt.

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flugrevue.de / Heiko Stolzke



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