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Flugzeug

 

 

Luftfahrzeug, das (im Gegensatz zum Ballon oder zum Luftschiff) schwerer ist als Luft, normalerweise mechanisch angetrieben wird und durch die dynamische Wirkung des Luftstromes auf die Starrflügelflächen getragen wird. Zu den weiteren Typen von Luftfahrzeugen, die schwerer als Luft sind, gehören das Segelflugzeug, das gleichfalls mit Starrflügelflächen ausgestattet ist, aber keinen Eigenantrieb hat, und die Drehflügler, die mechanisch angetrieben und von oberhalb des Luftfahrzeuges angebrachten Rotoren getragen werden. Ein weiterer Typ ist der Schwingenflügler, der von Flatterflügeln getragen und angetrieben wird. Es wurden spielzeuggroße Schwingenflügler entwickelt, Großversuche aber blieben erfolglos.

Im Allgemeinen steht der Begriff Flugzeug für Luftfahrzeuge, die von Land aus betrieben werden, aber er wird auch für verschiedene andere Arten von Luftfahrzeugen benutzt, u. a. für das trägergestützte Flugzeug, das Wasserflugzeug und das Amphibienflugzeug. Der wesentliche Unterschied besteht im Aufbau der Landevorrichtung. Das flugzeugträgergestützte Flugzeug hat am Rumpfende einen Haken zum Befestigen einer Trosse, die über das Deck gespannt ist, um das Flugzeug nach der Landung zum Stehen zu bringen. Beim Wasserflugzeug werden anstelle des bei Landflugzeugen üblichen Radfahrwerkes Schwimmer verwendet. Bei dem als Flugboot bekannten Typ von Wasserflugzeug ist der Rumpf wie ein Schiffsrumpf konstruiert, ähnlich dem eines seetüchtigen Schiffes. Er dient dazu, das Flugzeug schwimmfähig zu machen. Das Amphibienflugzeug ist sowohl mit einem Radfahrwerk als auch mit einem Rumpf oder mit Schwimmern ausgestattet, um den gleichermaßen effektiven Einsatz zu Land und zu Wasser zu ermöglichen. Vor dem 2. Weltkrieg wurden Flugboote für Militärtransporte und für den Handel zwischen den Kontinenten verwendet. Diese Flugzeuge erreichten nur geringe Flug- und Landegeschwindigkeiten. Weniger gebräuchlich als das Landflugzeug ist das Amphibienflugzeug, das wegen seines doppelten Unterbaus noch langsamer ist. Für leichte Sportflugzeuge gibt es amphibische Schwimmer. Herkömmlichen Schwimmern im Allgemeinen ähnlich, haben diese ein in der Mitte eingelassenes Rad. Das Rad ragt nicht weit genug heraus, um beim Schwimmen im Wasser viel Reibungswiderstand zu erzeugen, aber es steht weit genug hervor, um eine Landung mit Fahrwerk auf Rollbahnen mit fester Oberfläche oder auf kurz geschnittenem Gras zu ermöglichen.

Zu den besonderen Flugzeugen gehören das VTOL-Flugzeug (Senkrechtstart- und -landeflugzeug) und das STOL-Flugzeug (Kurzstartflugzeug) und das Wandelflugzeug. Das VTOL-Flugzeug ist ein Flugzeug, das senkrecht aufsteigen kann, sich waagerecht in Bewegung setzt und dann für die Landung die Bewegungsrichtung wieder umkehrt. Benutzt wird der Begriff VTOL nur für die Beschreibung von Flugzeugen, die ein ähnliches Betriebsverhalten wie herkömmliche Flugzeuge haben, allerdings zusätzlich über die Fähigkeit verfügen, senkrecht zu starten und zu landen. Um VTOL-Flugzeuge vom Boden aufsteigen zu lassen, werden verschiedene Vorrichtungen benutzt. Bei verschiedenen Bauarten wird der unmittelbare negative Schub von Strahltriebwerken genutzt, jedoch ist die Schuberfordernis sehr hoch. Für den direkten Auftrieb werden auch rotierende Flügel und Mantelstromgebläse verwendet, diese erzeugen aber beim waagerechten Flug einen Rücktrieb. Die Wandelflugzeuge, bei denen die Rotoren von Hubschraubern mit den Starrflügeln von Flugzeugen kombiniert sind, zeigen Ansätze für den kommerziellen Einsatz von VTOL-Flugzeugen auf kurzen Entfernungen. Sie machen den Hubschraubern direkte Konkurrenz, können aber schneller fliegen.

Das STOL-Flugzeug ist ein Flugzeug, das sehr steil startet und landet und so nur eine kurze Rollbahn benötigt. Die gleiche Nutzlast vorausgesetzt, ist es effektiver in Bezug auf Treibstoffverbrauch und Leistungsanforderungen als ein VTOL-Flugzeug. Außerdem erreicht es höhere Geschwindigkeiten und kann weitere Strecken fliegen als ein Hubschrauber.

 

Gesetze des Fliegens

 

Ein Flugzeug kann vom Erdboden abheben, weil die sich bewegende Luft eine Zirkulationsströmung um den Tragflügel (aerodynamisch geformte Fläche) erzeugt. Auf diese Weise wird ein Luftdruckunterschied erzeugt, niedriger Druck unterhalb der Tragfläche und hoher Druck an der Oberseite. Dieser Unterschied bewirkt einen Auftrieb nach oben. Dessen Ausmaß hängt vom Profil des Tragflügels, von der Grundrissfläche und von der Form der Tragfläche, ihrer Neigung zum Luftstrom und von der Geschwindigkeit des Luftstromes ab.

 

Auftrieb

Der Auftrieb, der an einem Flügel oder einer ähnlichen Fläche entsteht, ist direkt proportional zu der dem Luftstrom ausgesetzten Grundfläche und proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Luftstromes. Außerdem ist er ungefähr proportional zur Neigung (oder zum Anstellwinkel) des Tragflügels zum Luftstrom bei Winkeln, die normalerweise im Bereich von plus und minus 14 Grad liegen. Bei größeren Winkeln ändern sich die Merkmale des Luftstromes schnell, der Luftstrom "bricht ab", und der Auftrieb verringert sich enorm. Dann spricht man davon, dass der Tragflügel "überzogen" wurde.

Fliegt ein Flugzeug auf einem waagerechten Kurs, gleicht der von den Flügeln und den anderen Bauteilen beigetragene Auftrieb das Gewicht des Flugzeugs aus. Wenn der Anstellwinkel bei gleich bleibender Geschwindigkeit erhöht wird, wird das Flugzeug bis zu einem gewissen Grad steigen. Wird der Anstellwinkel verringert, d. h., wird der Flügel nach unten geneigt, verliert das Flugzeug an Auftrieb und beginnt zu sinken. Außerdem wird ein Flugzeug aufsteigen, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, und sinken, wenn die Geschwindigkeit verringert wird.

Im Verlauf eines Fluges ändert der Pilot des Öfteren die Geschwindigkeit und den Anstellwinkel des Flugzeuges. Diese beiden Maßnahmen werden oft gegeneinander abgewogen. Möchte der Pilot z. B. die Geschwindigkeit erhöhen, den Horizontalflug aber beibehalten, muss der Anstellwinkel verringert werden, um den zusätzlichen Auftrieb auszugleichen, der durch die Geschwindigkeitserhöhung des Flugzeuges verursacht wird.

In Vorbereitung auf die Landung muss der Pilot das Flugzeug nach unten bewegen und gleichzeitig dessen Geschwindigkeit so weit wie möglich verringern. Um einen Ausgleich für den beträchtlichen Auftriebsverlust, der sich aus der Verringerung der Geschwindigkeit ergibt, zu erreichen, sorgt der Pilot für zusätzlichen Auftrieb, indem er die Tragflügelfläche, die nutzbare Wölbung und den Anstellwinkel verändert. Dazu werden Hochhebevorrichtungen verwendet, die man Spreizklappen nennt, große Flügelverbreiterungen, die sich an der Tragflächenhinterkante befinden. Die meisten Spreizklappen werden normalerweise während des Reisefluges in den Tragflügel eingeklappt. Möchte der Pilot zusätzlichen Auftrieb erreichen, klappt er die Spreizklappen nach außen und nach unten. Manchmal befinden sich auch an der Tragflächenvorderkante Hochhebevorrichtungen.

 

Rücktrieb

Faktoren, die während des Fluges zum Auftrieb beitragen, erzeugen auch unerwünschte Kräfte, die man Rücktrieb nennt. Der Rücktrieb ist die Kraft, die dazu beiträgt, die Bewegung des Flugzeuges durch die Luft zu verzögern. Ein Teil des Rücktriebs ist die Folge des Widerstandes der Luft gegenüber Körpern, die sich in ihr bewegen, und hängt von der Form und der Ebenheit ihrer Oberfläche ab. Man kann ihn verringern, indem man das Flugzeug stromlinienförmig gestaltet. Bei einigen Bauarten gibt es auch Vorrichtungen zur Verringerung des durch Reibung entstandenen Luftwiderstandes, mit denen der Oberflächenluftstrom in so genannter "Schichten"-Form beibehalten wird.

Eine andere Form des Rücktriebs jedoch, die als induzierter Widerstand bekannt ist, ist die unmittelbare Folge des durch die Tragfläche erzeugten Auftriebs. Um den Auftrieb zu erreichen, muss Arbeit verrichtet werden, und der induzierte Widerstand ist das Maß dafür. Der Energieaufwand äußert sich in der Form von Wirbeln oder Strudeln, die sich entlang der Tragflächenhinterkante und besonders an den äußeren Enden, oder Flügelspitzen, bilden.

Flugzeugkonstrukteure entwickeln Flugzeuge mit dem bestmöglichen Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb, das erreicht wird, wenn der auf die Form zurückzuführende Rücktrieb gleich dem durch den Auftrieb induzierten Widerstand ist. Durch Faktoren wie z. B. die Geschwindigkeit und das zulässige Gewicht des Flugwerkes werden dem Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb Grenzen gesetzt. Ein Transportflugzeug mit Unterschallgeschwindigkeit hat vielleicht ein Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis von etwa 20, während das eines Hochleistungssegelflugzeuges doppelt so hoch ist. Auf der anderen Seite verringert der zusätzliche Widerstand, der auftritt, wenn ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, das erzielte Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis auf weniger als zehn.

 

Überschallflug

Das Zeitalter des Überschallfluges, in das das Flugwesen nach dem 2. Weltkrieg eintrat, brachte eine Reihe neuer Probleme. Diese waren so gravierend, dass Aerodynamiker auf Flugexperimente zurückgreifen mussten, die so gefährlich und abenteuerlich waren, wie jene, mit denen frühe Piloten konfrontiert waren. Weder komplexe mathematische Analysen noch die Verbesserung solcher Rüstzeuge der Forschung wie des Windkanals, in dem Modelle von Flugzeugen erprobt werden, konnten die vollständig zufriedenstellende Leistung eines Flugzeuges unter den Bedingungen des Überschallfluges gewährleisten.

 

Die Schallmauer

Das erste ernst zu nehmende Problem, mit dem sich die Aerodynamiker auseinandersetzen mussten, ist allgemein als Schallmauer bekannt. Es trat auf, als Flugzeuge die Schallgeschwindigkeit (etwa 1 220 Kilometer pro Stunde in der Höhe des Meeresspiegels), wissenschaftlich als Mach 1 bezeichnet, erreichten. Ein Flugzeug, das kurz davor ist, die Schallmauer zu durchbrechen, ist an der Grenze, an der es die Druckwellen einholt, die durch seine eigene Vorwärtsbewegung erzeugt werden. Die sich daraus ergebende Ablenkung des Luftstromes bei Mach 1 führt zur Bildung einer Druckwelle, die als Verdichtungsstoß bezeichnet wird, der den Rücktrieb des Flugzeuges deutlich erhöht. Ist das Flugzeug nicht entsprechend konstruiert, um diesem plötzlichen Wechsel in der Beschaffenheit des Luftstromes standzuhalten, wird seine Steuerung ernsthaft beeinträchtigt.

 

Lärmbelästigung

Ein wichtiges Problem im Zusammenhang mit Überschallflugzeugen ist der Lärm. Das Motorengeräusch von Überschalltransportflugzeugen ist lauter und höher als das von Unterschallflugzeugen und stellt bereits eine ernsthafte Belästigung für das Bodenpersonal und Bewohner von Orten in der Nähe von Flughäfen dar. Des Weiteren wurden medizinische Bedenken über die Wirkung von Überschallknallen geäußert. Die Druckwellenfront, die ein Flugzeug begleitet, erstreckt sich über große senkrechte Entfernungen und erreicht den Boden mit einer Aufschlagkraft, die wie eine Explosion klingt, selbst wenn das Flugzeug in maximaler Höhe fliegt. Die Druckwelle kann so stark sein, dass sie am Boden Fenster zerbersten lässt. Von Konstrukteuren und Herstellern werden Anstrengungen unternommen, sowohl das Motorengeräusch als auch die Überschallknalle zu verringern. Es gibt Bestimmungen, die den Überschallflug über besiedelten Gebieten ausschließen.

 

Die Hitzemauer

Zu den weiteren ernsthaften Problemen, die im Zusammenhang mit dem Überschallflug auftreten, gehört die hohe Temperatur, die durch die Reibung der Luft gegen die Außenflächen des Flugzeuges verursacht wird. Manchmal wird dieses Problem als Hitzemauer bezeichnet. Um den hohen Temperaturen und Drücken, die bei Überschallgeschwindigkeit erzeugt werden, standzuhalten, müssen die Baumaterialien hitzebeständiger sein als die Materialien, die für Unterschallflugzeuge benutzt werden. Ein Beispiel für diese Art von hitzebeständigem, hochfestem Metall, das für den Bau von Überschallflugzeugen verwendet wird, ist Titan.

 

Der Flugzeugaufbau

 

Man kann das heutige herkömmliche Flugzeug in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, Tragflächen, Leitwerk und Fahrwerk.

 

Rumpf

In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. Der Boden des Flugzeugkörpers diente als Fahrwerk. Später führte der Wunsch nach größerer Stabilität und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, kastenförmigen "Streben-und-Draht"-Rümpfen, die den Strömungswiderstand verringerten und auch dem Piloten und dem Passagier Schutz sowie Platz für die Nutzlast boten. Allmählich wurde diese "Gitter"-Bauweise durch den Schalenrumpf abgelöst. Die Kräfte, die auf eine solche Konstruktion wirken, werden vorrangig von der Haut und nicht so sehr von dem Flugzeugkörper im Inneren, wie das bei der Gitterkonstruktion der Fall ist, aufgenommen.

 

Tragflächen

Obwohl im ersten Jahrzehnt des Motorfluges das Einzelflügelflugzeug, bekannt als Eindecker, aufkam, bevorzugte der frühe Flugzeugbau die Verwendung von zwei Tragflächen (den Doppeldecker) und gelegentlich sogar von drei oder vier. Flugzeuge mit mehreren Tragflächen haben den Vorteil von höherem Auftrieb und verhältnismäßig stabilerer Bauweise, aber beim Eindecker ist der Rücktrieb geringer. In den dreißiger Jahren setzte sich das Auskragungsprinzip im Tragflächenbau durch und ließ den Eindecker zur vorherrschenden Bauart werden. Ihre gesamte Stabilität erreichen Auskragtragflächen durch die Bauelemente im Inneren. Im heutigen Flugzeugbau wird die Auskragbauweise bei den meisten Flugzeugen angewendet. Nur bei kleinen, leichten Flugzeugen kommen Außenverstrebungen zum Einsatz.

Eine typische Tragfläche besteht aus einem Rahmen aus Holmen und Versteifungsrippen, der von einer dünnen Blechhaut umschlossen ist. Für einige kleine Flugzeuge oder für Segelflugzeuge wird imprägniertes Gewebe oder selten verleimtes Sperrholz oder harzgetränkte Glasfaser verwendet. Der Holm, oder Träger, reicht vom Rumpf bis zur Spitze der Tragfläche. In der Tragfläche können ein oder mehrere Holme verwendet werden, aber am gebräuchlichsten ist die Konstruktion aus zwei Holmen. Die Versteifungsrippen, die normalerweise rechtwinklig an den Holmen angebracht sind, verleihen der Tragfläche ihre äußere Form. Besteht die Haut aus Blech, leistet sie ihren eigenen Beitrag zur Stabilität der Tragfläche. In allen großen Flugzeugen wird diese "tragende Außenhaut" verwendet, obwohl ein zunehmender Einsatz von Häuten und Konstruktionen aus hochfesten, versteiften Kunststoffen zu verzeichnen ist.

Tragflächen haben unterschiedlichste Größen und Formen, abhängig von den spezifischen aerodynamischen Erwägungen. Die Tragflächen vieler Überschallflugzeuge haben eine sehr starke Pfeilform (Pfeil, der sich von der Rumpfnase des Flugzeuges weg verjüngt) und sind so dünn wie möglich mit einer klingenförmigen Tragflügelvorderkante. Eine solche Form trägt dazu bei, den Verdichtungsstoß zu verringern, wenn das Flugzeug sich der Schallgeschwindigkeit nähert. Deutlich demonstriert wird die konstruktive Bedeutung der Tragfläche bei der Entwicklung des so genannten Nurflügelflugzeuges, ein Luftfahrzeug, bei dem Rumpf und Leitwerk nahezu ganz verschwunden sind.

 

Leitwerk

Das herkömmliche Leitwerk besteht aus zwei wichtigen Ruderflächen, der waagerechten und der senkrechten Fläche, die beide über bewegliche Abschnitte zur Steuerung des Flugzeuges und über feste Teile zur Gewährleistung der Stabilität verfügen. Der vordere Teil der waagerechten Ruderfläche wird Höhenflosse genannt, und der hintere bewegliche Abschnitt ist das Höhenruder. Manchmal ist auch die gesamte Fläche beweglich, und das Höhenruder wurde weggelassen. Der feste Teil der senkrechten Ruderfläche wird Seitenflosse genannt, und der bewegliche Teil ist das Seitenruder. Bei einigen Flugzeugen werden zwei senkrechte Ruderflächen verwendet. In diesem Falle wird ein doppeltes Seitenruder benutzt. Beim Leitwerk in V-Form sind die Aufgaben des Seiten- und des Höhenruders in einer einzigen Vorrichtung vereint. Entsprechend des Flugzeugtyps gibt es verschieden große Leitwerke. Bei manchen Überschallflugzeugen wird das waagerechte Leitwerk durch ein Kopfleitwerk ersetzt, das in der Nähe der Rumpfnase des Flugzeuges angebracht ist.

 

Fahrwerk

Das heute übliche Fahrwerk ist einer der kompliziertesten aller aeronautischen Mechanismen. Zu seinen Bauteilen gehören das Fahrwerkfederbein, ein hydraulisches Bein, das das Rad mit der Tragfläche oder dem Rumpf verbindet, um die Erschütterung bei der Landung zu dämpfen; der Einfahrmechanismus, der das Fahrwerk einholt und ausfährt; die Räder und die Radbremsen. Es gibt eine Reihe von Fahrwerkstypen, aber am gebräuchlichsten sind zwei: das ältere Zweiradfahrwerk und das Bugradfahrwerk, das jetzt üblich ist. Das Erstere besteht aus zwei großen Rädern, die vor dem Schwerkraftzentrum des Flugzeuges angebracht sind, und einem kleinen Rad am Heck. Ein Bugradfahrwerk besteht aus zwei großen Rädern oder Radgruppen hinter dem Schwerkraftzentrum und einem dritten Rad, Bugrad genannt, das vor den zwei Haupträdern angebracht ist. Mit dem Bugradfahrwerk ist das Landen einfacher, da der Bremsvorgang und die Manövrierfähigkeit verbessert sind. Auch ist die Gefahr, nach vorn überzukippen, geringer. Einige große Flugzeuge haben mehr als zwei Hinterradgruppen. Zu den weiteren Arten von Fahrwerken gehören ein Raupenschlepperunterbau zur Handhabung schwerer Lasten auf schlechten Landeplätzen, ein schwenkbares Fahrwerk zur Landung bei Seitenwind und eine Kombination aus Ski- und Radfahrwerk zur Landung auf Eis und Schnee.

 

Flugzeugsteuerung

 

Wesentliche Instrumente, die zur Steuerung eines Flugzeuges dienen, sind z. B. Steuerknüppel, Seitenruderfußhebel und verschiedene Anzeigegeräte, die den Piloten mit den notwendigen Daten versorgen.

 

Mechanische Steuerung

Die Fluglage eines Flugzeuges (seine Ausrichtung in Bezug auf den Horizont und auf seine Bewegungsrichtung) wird herkömmlicherweise durch drei Vorrichtungen bestimmt, von denen jede für die Bewegung um eine andere Achse zuständig ist. Zu den drei Vorrichtungen gehören die beweglichen Teile des Leitwerks, also die Höhen- und Seitenruder, und die beweglichen Teile der Tragflügelhinterkante, die man Querruder nennt. Bedient werden diese Steuerflächen vom Cockpit aus, mit einem Steuerknüppel oder Steuerhorn und den Seitenruderfußhebeln.

Höhenruder sorgen für die Längsbewegung um die Querachse. Wird der Steuerknüppel oder das Steuerhorn zurückgezogen, richten sich die Höhenruder auf, wodurch das Heck gesenkt wird und der Bug für den Aufstieg hochgehoben wird. Mit der Vorwärtsbewegung des Steuerknüppels oder Steuerhorns wird die entgegengesetzte Wirkung erzeugt, so dass das Flugzeug nach unten fliegt.

Die Querruder, die sich normalerweise weit außen an der Tragfläche befinden, steuern die Rollbewegung um die Längsachse. Bewegt man den Steuerknüppel oder das Steuerhorn nach rechts, wird das linke Querruder aufgerichtet und das rechte heruntergeklappt, wodurch das Flugzeug in die linke Schräglage gebracht wird. Wird der Steuerknüppel oder das Steuerhorn nach rechts gelegt, kommt es zur entgegengesetzten Schräglage.

Die Seitenruder sorgen für die Drehbewegung um die Hochachse, indem sie zusammen mit den Querrudern den Kurs des Flugzeuges nach links oder rechts verändern. Wird der rechte Seitenruderfuß betätigt, bewegt das Seitenruder das Flugzeug um die Hochachse nach rechts. Betätigt man den linken Seitenruderfußhebel, wird eine Linkskurve geflogen.

Um eine einfachere und verlässlichere Handhabung aller Steuerruderflächen zu sichern, wurde eine Reihe untergeordneter Steuerelemente erfunden. Bei Seiten-, Höhen- und Querrudern werden Trimmruder zur Einstellung des Gleichgewichts (oder der "Trimmung") des Flugzeuges benutzt. Zu den weiteren untergeordneten Steuerelementen gehören Spreizklappen (an den Tragflügelhinterkanten) und Schlitze (an den Tragflügelvorderkanten), um den Auftrieb beim Start oder den Rücktrieb bei der Landung zu erhöhen. Störklappen sind Flächen, die normalerweise in den Tragflächen versenkt sind, aber aufgestellt werden können, um dem Luftstrom eine flache Fläche entgegenzusetzen und den Auftrieb der Tragfläche zu "stören". Ähnliche Flächen nennt man Landeklappen. Bedient werden können die Steuerflächen direkt durch den Piloten oder mittels hydraulischer oder elektrischer Kraftverstärker. Im letztgenannten Fall können die Steuerbefehle des Piloten mechanisch, durch elektrische Signale ("Fly-by-wire") oder durch optische Signale ("Fly-by-light") übertragen werden.

 

Instrumente

Die für den Flug benötigten Daten liefern verschiedene Instrumente, die man in vier Hauptkategorien unterteilen kann: Antriebsinstrumente, Fluginstrumente, Landeinstrumente und Navigationshilfen. Die Antriebsinstrumente zeigen an, ob die Motoren richtig funktionieren. Dazu gehören der Drehzahlmesser, der für jeden Motor die Umdrehungen pro Minute anzeigt, mehrere Druckmesser, Temperaturanzeigen und die Treibstoffanzeiger. Die Hauptfluginstrumente liefern Angaben über die Geschwindigkeit (der Fluggeschwindigkeitsmesser), die Richtung (der magnetische Kompass und der Kreiselkompass), die Höhe (der Höhenmesser) und die Fluglage (der Steiggeschwindigkeits-, der Wendeanzeiger und der künstliche Horizont). Mehrere Fluginstrumente, u. a. der Autopilot, funktionieren nach dem Kreiselprinzip.

Es gibt zwei Arten von Landeinstrumenten, die bei schlechter Sicht benötigt werden, das Instrumentenlandesystem (ILS), das dem Piloten direkte Signale zur Gewährleistung einer sicheren Landung liefert, und der bodengesteuerte Anflug (GCA-Anflug), ein System, bei dem am Boden Radarausrüstung eingesetzt wird, mit der der Pilot ausschließlich über Sprechfunk gelenkt wird. Im zivilen Flugwesen ist das ILS weit verbreitet. Das GCA-System findet im Militärflugwesen Anwendung.

 

Antrieb

 

Flugzeuge werden entweder von Propellern oder von Düsenantrieb (Strahlantrieb) angetrieben. In einem propellergetriebenen Flugzeug wird entweder ein Verbrennungsmotor mit Kolbenantrieb oder ein Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk verwendet, um den Propeller anzutreiben, der die Luft nach hinten stößt, da er über tragflügelförmige Luftschaufelprofile verfügt, die schraubenartig die Luft durchschneiden. Beim Düsenantrieb wird der Vorwärtsschub durch das Entweichen von Hochgeschwindigkeitsgasen durch eine am Bug befindliche Düse erzeugt. Gelegentlich werden Raketentriebwerke, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren, benutzt.

Ein Flugzeugtriebwerk muss einer Reihe von wichtigen Konstruktionsanforderungen genügen. Dazu gehören hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, geringes Gewicht, niedriger Treibstoffverbrauch und eine geringe Frontfläche. Wichtigster Faktor ist die Zuverlässigkeit. Die lange Lebensdauer ist vor allem ein wirtschaftlicher Gesichtspunkt, der im kommerziellen Flugwesen von besonderer Bedeutung ist. Bei den anderen drei Anforderungen ist die Bedeutung abhängig vom Flugzeugtyp, für den der Motor vorgesehen ist. Natürlich sind geringes Gewicht und niedriger Treibstoffverbrauch im Zusammenhang zu sehen, da der Treibstoff selbst eine Einflussgröße für das Gewicht ist. Wünschenswert ist eine geringe Frontfläche, um den Rücktrieb, der durch das Triebwerk verursacht wird, zu verringern.

 

Kolbentriebwerke

Das Kolbentriebwerk, das in den meisten propellergetriebenen Flugzeugen verwendet wird, lässt sich in zwei Arten unterteilen: das Hubkolbentriebwerk und das Drehkolbentriebwerk. Beim Hubkolbentriebwerk wird Wärmeenergie benutzt, um die Kolben, die in Zylindern arbeiten, zu bewegen. Die Zylinder sind im Allgemeinen in Reihe, horizontal gegenüberliegend, oder sternförmig angeordnet. Entweder werden Luftkühl- oder Flüssigkeitskühlsysteme eingesetzt. Die Vorteile des Hubkolbentriebwerkes sind Zuverlässigkeit und sparsamer Treibstoffverbrauch. Beim Drehkolbentriebwerk werden die Kolben durch einen einzigen Drehkolben ersetzt. Demzufolge hat es weniger Öffnungen. Es soll weniger Erschütterungen verursachen.

Das Verbundtriebwerk besteht aus einem Hubkolbentriebwerk, verbunden mit einer Gasturbine, die einen Verdichter antreibt, einen Luftkompressor im Ansaugsystem des Triebwerkes. Der Kompressor schafft einen Ausgleich für die sich verringernde Dichte der Atmosphäre in größeren Höhen. Der wichtigste Vorteil eines Verbundtriebwerkes gegenüber einem einfachen Hubkolbentriebwerk besteht in seiner hohen Leistung in großer Höhe.

 

Düsentriebwerke

Die meisten Nichthubkolbentriebwerke beruhen auf dem Prinzip des Düsenantriebs. Dazu gehören das Propeller-Turbinen-Luftstrahl-Triebwerk, das Staustrahltriebwerk und das Raketentriebwerk. Das Turbinen-Luftstrahltriebwerk und seine Unterarten, das Doppelstromtriebwerk und das Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk, sind Turbinentriebwerke, bei denen die Luft, die in den Saugstutzen des Triebwerkes eintritt, zunächst in einem Kompressor verdichtet wird. Dann wird Treibstoff hinzugegeben, der mit dem Luftsauerstoff verbrennt, wodurch Gastemperatur und -volumen erhöht werden. Danach werden die Hochdruckgase durch eine Turbine geleitet, die die drehbaren Bauteile des Triebwerkes antreibt. Beim Turbinen-Luftstrahltriebwerk erfolgt nur eine teilweise Ausdehnung und das Restgas, das jetzt unter mittlerem Druck steht, wird durch die Entspannung durch eine Düse an der Rückseite beschleunigt und erzeugt so eine hohe Abfluggeschwindigkeit und mit dieser den gewünschten Schub. Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerke und Doppelstromtriebwerke saugen den größten Teil der Gasenergie in der Turbine ab, dabei ist der Reststrahlschub von nachrangiger Bedeutung. Bei mittelgroßen Flugzeugen mit Geschwindigkeiten von etwa 480 bis 640 Kilometern pro Stunde sind die Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerke effektiv. Bei Unterschallgeschwindigkeiten ist dem Doppelstromtriebwerk der Vorzug zu geben. Doppelstromtriebwerke verbrauchen weniger Treibstoff und sind leiser als Turbinen-Luftstrahltriebwerke. Bei Überschallgeschwindigkeiten ist die Ausströmgeschwindigkeit des Turbinen-Strahltriebwerkes jedoch von entscheidender Bedeutung.

Das Staustrahltriebwerk ist ein Düsentriebwerk, bei dem die Luftverdichtung, die für die Verbrennung notwendig ist, allein aus der Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung erzielt wird. Wie beim Turbinen-Strahltriebwerk wird die Gesamtleistung in Form des Strahlschubs der ausgestoßenen Gase abgegeben. Obwohl das Staustrahltriebwerk für bemannte Flugzeuge verwendet werden kann, ist sein derzeitiger Treibstoffverbrauch so untragbar hoch, dass es nur bei Lenkraketen angewendet wird.

Das Raketentriebwerk ist mit eigenem Oxydator sowie eigenem Treibstoff versehen und findet, wie das Staustrahltriebwerk, seine Hauptverwendung in Lenkraketen. Für den Start mit Zusatzstrahltriebwerk (RATO), die zusätzliche Anfangsbeschleunigung für schwer beladene Flugzeuge, werden Feststoffraketen verwendet.

 

Flugzeugarten und ihr Einsatz

 

 

Verkehrsflugzeuge

Zivile Düsenflugzeuge zur Personenbeförderung wurden zunächst bei Langstreckenflügen eingesetzt; 1952 nahm die britische De Haviland Comet den Dienst auf, 1958 die Boeing 707. Ende der fünfziger Jahre wurden auch die DC-8 und die Convair 880 und 990 entwickelt. Diese Flugzeuge flogen mit einer Geschwindigkeit von etwa 885 Kilometern pro Stunde und beförderten mehr als 100 Passagiere.

Für Mittelstreckenflüge von 800 bis 2 400 Kilometern wurden kleinere Düsenflugzeuge, z. B. die französische Caravelle, die De Havilland Trident, und die Boeing 727, entwickelt, die alle eine Konstruktion mit Hecktriebwerken verwendeten. Mitte der sechziger Jahre wurden sogar noch kleinere zweimotorige Düsenflugzeuge für Kurzstrecken gebaut. Dazu gehören die Boeing 737, die DC-9, die Fokker F-28 und die British Aircraft Corporation BAC 111.

Die Boeing 747, die 1970 in Dienst gestellt wurde, war das erste der Großraumflugzeuge, die heute auf den stark beflogenen Mittel- und Langstrecken eingesetzt werden. Die 747 verfügt über vier Doppelstromtriebwerke und fliegt mit einer Geschwindigkeit von mehr als 885 Kilometern pro Stunde. Normalerweise ist sie für 385 Passagiere vorgesehen, bietet aber Platz für 500. Die DC-10 und die Lockheed 1011 Tristar können ebenfalls mehr als 300 Passagiere befördern. Beide sind mit drei Hecktriebwerken ausgestattet. 1972 wurde das europäische Großraumflugzeug Airbus A 300 in Dienst gestellt.

Die sowjetische TU-144 wurde zuerst 1975 für Linienfrachtflüge innerhalb der UdSSR eingesetzt. 1976 nahm das in französisch-britischer Zusammenarbeit entwickelte Überschallflugzeug Concorde seine Flugtätigkeit auf.

Die gesetzlichen Grundlagen regelt die LuftVO.

 

 

Christoph Barth