15.07.2010
FLUG REVUE

ATPL Theoriewissen aufgefrischt Intro Zelle und SystemeATPL Theoriewissen aufgefrischt: Zelle und Systeme

Im Kapitel Zelle und Systeme geht es um den Aufbau von Rumpf, Tragflächen, Enteisung, Fahrwerk und diversen weiteren Systemen. Dazu kommt die Bewegung von Bauteilen mittels Pneumatik oder Hydraulik.

Das Thema Zelle und Systeme bietet viele Schnittmengen zu Aerodynamik, Instrumenten oder Elektrotechnik und Triebwerken. Das Gros der Fragen lässt sich über die praktische Ansicht und Anwendung der Bauteile erschließen. Deshalb empfiehlt sich in diesem Theorieteil unbedingt auch ein Besuch in einem Wartungsbetrieb. Stringer und Spanten sind schnell gelernt, wenn das Teil mal in Realität sichtbar ist. Ebenso ist es bei Fahrwerk, Bremsen oder Hochauftriebshilfen.

Rumpf / Flächen / Leitwerk

Der Rumpf muss zahlreiche divergierende Anforderungen erfüllen: Einerseits komfortabel und druckfest für Besatzung, Gäste und Fracht sein - dazu noch möglichst leicht und am besten ohne Luftwiderstand. Dazu ist das Bauteil noch Ansatzpunkt für Anbauteile wie Tragflächen, Leitwerk und Fahrgestell mit massiven Lasten, die in die Struktur wirken.

Zwischen all diesen Anforderungen ist der Flugzeugrumpf ein alltagstauglicher Kompromiss. Grundbestandteile eines klassischen Metallflugzeuges sind Spanten und Stringer. Sie formen den Rumpf, auf ihnen ist die Beplankung befestigt. Wichtig sind Flexibilität und Festigkeit gleichermaßen innerhalb definierter Belastungsgrenzen.

Bei Tragflächen und dem Leitwerk verhält es sich ähnlich. Einerseits sollen die Tragflächen möglichst widerstandarm sein. Andererseits müssen sie auch noch Hochauftriebshilfen und Tanks beherbergen - sind also auch ein technischer Kompromiss.

Cockpit und Kabinenfenster

Aus konstruktiver Sicht sind die Fenster des Passagierflugzeuges unnützer Ballast. Deswegen fehlen sie zum Beispiel in Vollfrachtern gleich ab Werk. Da sich aber kaum ein Reisender - abgesehen von Soldaten in Militärtransportern - in eine dunkle Röhre ohne Außensicht setzen mag, haben die meisten Passagierflugzeuge Fenster. Diese bestehen aus drei Schichten - zwei druckdichten Schichten außen plus ein Schutz innen. Wie extrem die Unterschiede zwischen den Fenstergrößen sind, zeigt ein Vergleich von Concorde zu Boeing 787. In der Concorde handelt es sich um winzige Öffnungen angesichts der extremen Belastungen durch den Überschallflug in der Stratosphäre. Dank der Verbundbauweise verspricht Boeing für die 787 vergleichsweise große Fenster, die jedem Gast einen Blick nach draußen möglich machen sollen.

Cockpitfenster sind konstruktiv wesentlich aufwändiger: Sie lassen sich enteisen und natürlich auch per Scheibenwischer säubern. Wichtiger Nebeneffekt der Enteisung ist auch der Schutz vor Vogelschlag. Im Gegensatz zu den Kabinenfenstern lassen sich bei den meisten Flugzeugen einzelne Cockpitfenster öffnen.

Fahrwerk / Bremsen

Das Fahrwerk und die Bremsen müssen extreme Belastungen ertragen. In der Regel ist nicht die Landung der kritische Punkt, auch wenn sie mit der Rauchwolke am spektakulärsten aussieht. Bei einer normalen Landung ist das Flugzeug meist eher leicht, die Rauchwolke entsteht, wenn der Reifen in Sekundenbruchteilen von Null auf rund 250 km/h beschleunigt. Der Abrieb ist aber einkalkuliert - nach einer festgelegten Zahl von Landungen ist eine Runderneuerung fällig.

Besonders belastend für Reifen und Fahrgestell sind der Weg zur Startbahn und der Anlauf bis zum Abheben. Ein vollbetanktes Großraumflugzeug wird oft auf engstem Raum gedreht beim Pushback - dann wirken enorme Kräfte. Ein entsprechender Test ist Pflichtprogramm bei der Zulasssung. 

Der Startlauf gehört dann zu den höchsten Belastungen der Reifen. Konstruktionsbedingt gibt es hier schließlich ein Limit - die so genannte V max tyre. Danach wird die Belastung für die Pneus zu groß, es drohen Reifenplatzer.

Kritisch ist auch ein Startabbruch - wenn vor allem mit den Radbremsen und ohne Schubumkehr gestoppt wird. Diese steht in solchen Fällen nicht immer zur Verfügung - wenn es zum Beispiel Probleme mit den Triebwerken gibt, muss das Fluggerät nur mit der Radbremse stoppen. Diese heizen sich dann extrem auf - im kritischen Fall können die Reifen platzen oder sogar Feuer fangen.

Flight Controls (primär/sekundär)

Ohne den Einfluss von Höhenruder, Seitenruder und Querruder ließe sich ein Flugzeug nur sehr widerwillig durch den Luftraum bewegen. Jede dieser Funktionen wirkt sich primär auf eine Achse des Flugzeuges aus - zum Beispiel beim Kurvenflug kommt es aber auch zum kombinierten Einsatz. Die einzelnen Ruder und ihre Achsen im Überblick

Höhenruder - Drehung um die Querachse - diese führt von der rechten zur linken Tragflächenspitze

Seitenruder - Drehung um die Hochachse - diese führt von unten nach oben durch den Schwerpunkt, Flugzeug ist vergleichbar wie ein Insekt aufgespießt

Querruder - Drehung um die Längsachse - diese führt vom Bug zum Heck durchs Flugzeug. 

Zusätzlich zu diesen Rudern gibt es bei größeren Flugzeugen noch so genannte sekundäre Flugsteuerungen, das sind zum Beispiel die Spoiler. Sie helfen beim Abbremsen nach der Landung, beim schnellen Sinkflug und bei bestimmten Fluggeschwindigkeiten je nach Typ auch beim Kurvenflug. Das Wirkungsprinzip ist einfach - an der Tragflächenoberseite fahren entsprechend dosiert die Klappen aus und zerstören den Auftrieb.

Hydraulik

Bei Kleinflugzeugen ist meist nur die Bremse hydraulisch betätigt, größeres Gerät ist ohne die Hilfe der Hydraulik in der Regel nicht lenkbar. Die Steuerflächen eines Airbus A380 haben die Ausmaße von Scheunentoren und bewegen sich bei Windstärken weit oberhalb vom Orkantempo. Hier ist die Hydraulik kraftvolles und bewährtes Hilfsmittel. Das Grundprinzip ist einfach: Die Bewegung am Steuerknüppel löst einen Flüssigkeitsfluss aus. Dieser bewegt über so genannte Aktuatoren dann das gewünschte Ruder. Unterschiede im Detail gibt es noch beim so genannten Fly-by-Wire: Hier wird die Hydraulik von einem elektrischen Impuls gesteuert und nicht mechanisch über die Ruderausschläge. Das gibt die Möglichkeit, auf die Impulse Einfluss zu nehmen, also zum Beispiel zum Schutz von extremen Fluglagen.

Pneumatik / Kabinendruck

Quelle für den Luftdruck im Flugzeug ist in der Regel das Triebwerk. In den Kompressorstufen wird dazu Luft entnommen. Diese gelangt in die Klimaanlage. Sie regelt die Temperatur über in kompliziertes System von Kompressoren und Turbinen. Außerdem wird der Druck entsprechend dem Flightlevel angepasst - die so genannte Kabinenhöhe.

Enteisung

Tragflächen, Propeller, Triebwerkseinläufe oder Pitotrohr - alle diese Bauteile des Flugzeuges lassen sich bei entsprechender Ausstattung enteisen. Alternativ verhindern manche Systeme auch überhaupt erst den Ansatz von Eis. Wesentliche Funktionsweisen sind die Enteisung mittels Triebwerks-Zapfluft, wie sie bei großen Airlinern meist genutzt wird. Bei Turboprops finden sich an den Tragflächen oft Gummiwülste, die pneumatisch ein Absprengen des Eises möglich machen. Pitotrohre oder Scheiben werden dagegen meist elektrisch beheizt.

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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 Zelle und Systeme - Klimaanlage

Symbolbild Klimaanlage

Schematischer Aufbau einer Flugzeug-Klimaanlage. Grafik: airCademy  

 

Verkehrsflugzeuge oder Businessjets sind in einem Temperaturbereich von plus 50 Grad bis zu 60 Grad unter Null unterwegs. Die Spanne des Luftdrucks reicht von rund 1000 hPa am Boden bis zu etwa 200 hPa in Reiseflughögen von 33.000 Fuß und höher.

Die Wohlfühlspanne des Menschen ist dagegend entscheidend geringer: Plus 20 Grad und ein Lufdruck von nicht weniger als 700 hPa sollten es sein. Ansonsten sind ungemütliche Kompensationsmaßnahmen erforderlich, von der Sauerstoffmaske bis zur dick gefütterten Jacke.

Damit im Flugzeug Drei-Gänge-Menüs und Champagner serviert werden können, Sitzen und Schlafen bei 20 Grad möglich sind - und schließlich auch noch die Crew aufmerksam und arbeitsfähig bleibt, fällt der Flugzeug-Klimaanlage eine entscheidende Aufgabe zu.

Sie verwandelt die eher unangenehmen Außenbedingungen in halbwegs lebenswerte Konditionen. Die Funktion wird am Weg eines Luftschwalls deutlich:

Zunächst wird unsere Beispiel-Luftmasse vom Triebwerk des Flugzeuges eingesaugt. Doch sie wandert nicht bis in die Brennkammer des Triebwerks, sondern nimmt einen Sonderausgang in einer Stufe des Verdichters.

Mit der so genannten Bleed Air werden unter anderem auch die Tragflächen enteist. Doch für den menschlichen Verzehr bzw. lebenssichernden Gasaustausch ist die Luft aus der Verdichterstufe noch ungeeignet. Sie ist zu heiß und steht unter vergleichsweise hohem Druck.

Deshalb führt der Weg zunächst in den primären Wärmetauscher (primary heat exhanger). Hier wird der Luftstrom vorgekühlt. Dann geht es in einen Kompressor sowie durch den zweiten Wärmetauscher und eine Expansionsturbine. Das zweitstufige System arbeitet effizienter als eine einstufige Anlage. Während des Reisefluges kühlt der Luftstrom von außen die Wärmetauscher. Am Boden wird diese Aufgabe von einem eingebauten Lüftersystem übernommen.

In einer Mischkammer lassen sich Abluft aus der Kabine und frische Luft aus der Bleed Air mixen. Die entsprechende Temperatur gibt die Besatzung vor. Je nach Größe des Flugzeuges lässt sich die Gradzahl für einzelne Sektionen individuell vorwählen. Dann führt der Weg des Luftstroms in die Frischluftdüsen der Kabinenverkleidung.

Ebenso wie die Temperatur wird auch der Druck an Bord ständig kontrolliert. Hier erfolgt die Regelung über die Position der so genannten outflow valves. Einerseits wird damit ein sicherer Druck in der Kabine gehalten, in der Regel maximal 8000 Fuß. Weiterhin wird mit Hilfe dieses Systems auch der konstante Strom an Frischluft ermöglicht.

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

flugrevue.de / Heiko Stolzke



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