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Referat Zivilluftfahrt - Grundlagen des Fliegens

physik referate

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Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen des Fliegens

1.1 Der Auftrieb

Der Flugzeugaufbau

1 Der Rumpf

2 Die Tragfchen

3 Das Leitwerk

4 Das Fahrwerk


Technik einer modernen Verkehrsmaschine

1 Antrieb

1 1 Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk

2 Strahltriebwerke

3 Turboprop

2.3 Klapenfunktion

2.3 Energieversorgung


Instrumentenflug (IFR)

1 Navigation

1 Höhenmessung

2 Variometer

3.1.3 Trägheitsnavigationssystem

3.1.4 Geschwindigkeitsmessung

5 Instrumentenlandesystem

6 Autolanding

1 7 Satellitennavigation

3.2 Ordnung im Luftraum


Sicherheitseinrichtungen

4.1 Allgemein

4.2 TCAS

4.3 Enteisung

. Grundlagen des Fliegens

1 Der Auftrieb

Ein Flugzeug benötigt, um fliegen zunnen, eine der Erdanziehung entgegen gerichtete Kraft, da es ,,schwerer" als die umgebende Luft ist. Dies erreicht man durch das Profil der Tragfläche. Die Oberseite einer Tragfläche ist gewölbt, die Unterseite dagegen gerade bzw. leicht gewölbt. Das heißt die anströmende Luft, die sich vor der Fläche teilt, hat an der Oberseite einen weiteren Weg zurückzulegen und muß daher schneller strömen als an der Unterseite. Durch diese Geschwindigkeitsdifferenz kommt ein Druckunterschied zustande. Das het der Druck an der Oberseite ist geringer, dies bewirkt das der Flügel gehoben wird (Auftrieb). Verstärkt wird dieses Strömungsverhalten durch eine Sekunrwirkung, die den Druckunterschied weiter vergrö ert: Nachdem die

Luft über die Tragfläche geströmt ist, entsteht an ihrer Hinterkante ein Wirbel. Ein Gesetz der Aerodynamik besagt, daß jeder Wirbel einen Gegenwirbel erzeugt, der sich entgegengesetzt dreht. Unter der Tragfläche stößt die rotierende Luft zusammen. Die Geschwindigkeit der Luftströmung nimmt ab, wodurch der Druck unter dem Flügel zunimmt. Über der Tragfläche bewegen sich beide Luftstmungen gleichgerichtet, und ihre kombinierte Geschwindigkeit bewirkt eine Druckverminderung . Dadurch verstärkt sich der Auftrieb. Der Auftrieb der eine Tragfläche erzeugt ist einerseits konstruktionsbedingt, kann aber auch durch den Piloten beeinflu t werden. Durch eine Steigerung der Triebwerksleistung wird die Geschwindigkeit und damit der Auftrieb erhöht, weil mit zunehmender Geschwindigkeit auch die Druckdifferenz wächst. Ein weiterer vom Piloten kontrollierter Aspekt ist der Winkel zwischen Tragfläche und der Anstr mrichtung der Luft der sogenannte Anstellwinkel. Bei einem Anstellwinkel von ber 14° wird der Luftstrom zuerst turbolent und reißt schließlich. Auf diese Weise geht der Auftrieb verloren. Man nennt dies den überzogenen" Flugzustand, welcher auch zum Absturtzhren kann. Das Abrei en der Strömung bei einem solchen überzogenen" Flugzustandhrt zum Zusammenbrechen des Auftriebs und zum raschenhenverlust bzw. zum seitlichen Abkippen des Flugzeugs.

In der Luft entsteht infolge der Reibung noch Widerstand. Die Profile werden so gewählt, daß sie der vorbeiströmenden Luft einen möglichst kleinen Widerstand bieten und gleichzeitig der sog. Auftriebsbeiwert den gegebenen Anforderungen entspricht. Der Auftriebsbeiwert ist eine dimensionslose Grö e (CA), die von der Form des Profils, seinem Anstellwinkel und der Anstr mgeschwindigkeit abngt und wird am Tragflächenmodell im Windkanal ermittelt. Über das Verhältnis von Auftrieb (CA) zu Widerstand (CW) gibt die CA/cw-Kurve für verschiedene Anstellwinkel Auskunft. Im der optimale Anstellwinkel f r den Reiseflug liegt

im allgemeinen bei etwa . Der Auftrieb nimmt mit dem Quadrat der Anströmgeschwindigkeit zu, d.h. bei doppelter Anströmgeschwindigkeit steigt der Auftrieb auf den vierfachen Wert. Aus diesem Grund kommen Hochgeschwinigkeitsflugzeuge mit relativ kleinen Tragflächen aus. Um einen hinreichend großen Auftrieb zu erhalten, ist also eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit der Tragflächen, d. h. ein bestimmter Vortrieb des Flugzeugs erforderlich. Er wird durch den vom Flugzeugmotor angetriebenen Propeller (Luftschraube) geliefert oder durch die Schubkraft von Strahltriebwerken.

2 Der Flugzeugaufbau

Man kann das Flugzeug nach den ußeren Merkmalen, die bei jedem Flugzeug (bis auf einige Ausnahmen)

vorhanden sind in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, Tragflächen, Leitwerk, Fahrwerk

2 1 Rumpf

In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. Späterhrte der Wunsch nach größerer Stabilität und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, Rümpfen, die den Str mungswiderstand verringerten.

Heute ist Hauptaufgabe des Rumpfes die Nutzlast aufzunehmen.

2 2 Tragflächen

Eigentlich sind die Tragflächen nicht am Rumpf befestigt, sondern der Rumpf wird um die Tragfläche gebaut. Die Tragfläche besteht aus einem Stück! Neben der Aufgabe für Auftrieb zu sorgen, sind in ihr eine Menge von Hydraulik Systemen f r Klappenfunktionen und Querruder (siehe ). Der größte Teil ihres Volumens ist jedoch für den Treibstoff.

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.

2 3 Leitwerk

Es besteht aus zwei Ruderflächen, einer waagerechten und einer senkrechten Fläche. Diese sind nötig um das Flugzeug zu stabilisieren. Zudem sind am Leitwerk noch das Seiten- undhenruder angebracht, um das Flugzeug steuern zunnen.

2.4Fahrwerk


Zu  seinen Bauteilen gehören das Fahrwerkfederbein, ein hydraulisches Bein, welches 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. Übrigens kommt es heute kaum noch vor, daß ein Flugzeug Treibstoff ablassen mu . Bei vorzeitiger Landung (Notfall) war es fher üblich Treibstoff abzulassen, weil die Fahrwerke das Gewicht beim Aufsetzen nicht ausgehalten  hätten. Heute sind die Fahrwerke sehr stabil konstruiert, so daß es fast möglich ist mit einem volbetanktem Flugzeug zu Landen.

. Technik einer modernen Verkehrsmaschine

1 Antrieb

Grundsätzlich gibt es drei Antriebsarten:

Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk

Strahltriebwerk

Turboprop

1 Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk

Wird nur praktisch nurr kleine Flugzeuge (Sportflugzeuge) verwendet, weil die Maximalgeschwindigkeit auf etwa 6 0 km/h begrenzt ist und die Leistung fällt in grenhen stark ab. Deshalb sind sie für den Zivilluftverkehr ungeeignet.

1 2 Strahltriebwerke

Als  Strahl- oder Düsentriebwerke bezeichnet man Flugzeugtriebwerke, bei denen der erforderliche Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt wird. Der früher gebräuchlichste Typ ist das Turboluftstrahltriebwerk (Turbinen-Luftstrahltriebwerk, TL-Triebwerk). Leicht zu erkennen am kleinen Durchmesser. Durch den Einlaufdiffusor saugt ein mehrstufiger Axialverdichter Außenluft an, verdichtet sie und führt sie der Brennkammer zu. Dort wird Kraftstoff eingespritzt und verbrannt. Die durch die Temperatursteigerung bedingte Volumenzunahme der Gase bewirkt ein schnelles Ausströmen durch eine Turbine und die Schubd se.

Für den Antrieb von Grraumflugzeugen (Jumbo-Jet, Airbus u. a ) werden sogenannte Fan-Triebwerke (Bläsertriebwerke, Zweikreistriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis) verwendet. Das äußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein grer, von der Turbine angetriebener Bläser'' (Fan) von fast 50 m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist. Er bewirkt mit der ihn umgebenden Verkleidung, daß der überwiegende Teil (70 bis 0%) der angesaugten Luftmassen (rund 50 kg pro Sekunde, d h. rund 5 0 m³/s) als kalter Sekundärluftstrom um das eigentliche Triebwerk herumgeführt und dabei hoch beschleunigt wird. Dies hat zur Folge, daß auch der überwiegende Teil des Triebwerkschubs durch den Nebenstrom erzeugt wird.

1 3 Turboprop

Außerdem gibt es noch den kombinierten Antrieb, die Propellerturbine bzw. Turboprop. Sie vereint die Vorteile eines Strahltriebwerks mit denen der Propellerantriebe. Sie sind sparsam im Verbrauch, relativ leise, äußerst zuverlässig und wartungsarm. Da ihre Maximalgeschwindigkeit bei etwa 0 km/h liegt werden sie meist nurr Kurzstreckenflugzeuge (Inlandsflüge) mit weniger als 0 Sitzplätzen verwendet. Zum Beispiel Saab 2 0 , oder Dash-8 (Rheintalflug).

3 Klappen

Da der Auftrieb von der Geschwindigkeit abngt, wurden für Start und Landung diverse Klappen am Tragflügel angebacht. Landeklappen (am Tragflügelende) und Nasenklappen (an der Tragflügelvorderkante) erlauben gerinere Start und Landegeschwindigkeiten. Sie sorgenr einen großen Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit. Nach dem Start werden sie stufenweise eingefahren, weil sie im Normalflug einen viel zu gren Luftwiderstand darstellen. Außerdem gibt es noch Bremsklappen, welche nach der Landung ausgefahren werden, um das Flugzeug zu bremsen.

4 Energieversorgung

Primär  besteht die Stromversorgung aus Wechselstrom mit einer Spannung von 1 5 Volt und einer Frequenz von 00 Hertz. Durch dieser den Energieversorgungsbereich ungewöhnlich hohe Frequenz können die Transformatoren und Motoren kleiner dimensionert werden (Gewichtsersparnis! .  Der Strom wird mittels Generatoren, die von den Triebwerken angetrieben werden, erzeugt. Bei einem Großraumflugzeug vom Typ Boeing 747 beträgt die durchschnittlich benötigte elektrische Leistung etwa 60kW. Die Boeing 747 besitzt 4

Generatoren, welche eine maximale Gesamtleistung von 25kW haben. Bei Ausfall aller treibwerksgetriebenen Generatoren (sehr unwahrscheinlich) wird der verbleibende Strom rationiert. In diesem Fall wird der Strom von einem schwachen Generator, der von einem ausklappbaren Hilfspropeller angetrieben wird, geliefert. Besitzt das Flugzeug keinen solchen Generator oder ist er ebenfalls defekt, wird das Cockpit aus den Akkus mit Strom


versorgt. Die Notbeleuchtung wird aus Sicherheitsgnden und um Panik unter den Passagieren zu vermeiden eigenen Akkus versorgt.

Am Boden, bei ausgeschalteten Triebwerken, wird der Strom und die Klimatisierung von einer Hilfsgasturbine

(APU: auxiliary power unit) im Heck erzeugt.

. Instrumentenflug (IFR)

3 1 Navigation

Die vorherrschende Form der Flugnavigation ist die Instrumentenflugnavigation, die einen sicheren Flug auf einer geplanten Flugroute auch ohne Boden- und Horizontalsicht ermöglicht. Der kommerzielle Luftverkehr wird im Interesse grö tmöglicher Sicherheit unabngig von den jeweils gegebenen meteorologischen Bedingungen nach Instrumentenflugregeln

durchgeführt.

1 Höhenmessung

Mit Hilfe eines Aneroid-Dosenbarometers wird an Bord des Flugzeuges der statische Luftdruck der Außenluft gemessen. Der Dosenhub wird als Maß für den örtlichen statischen Luftdruck genommen und ber eine Eichformel zur Flughöhe in Beziehung gesetzt. Der Höhenmesser ist allgemeinen auf einen Normaldruck von

2 2 mbar eingestellt. Nur im Landeanflug wird derhenmesser beim Passieren der sogenannten

Übergangshöhe (transition level) von Hand auf den aktuellen örtlichen Umgebungsdruck umgestellt. Nur so ist eine exaktehenmessung möglich, welche f r die Landung und den Start unbedingt notwendig ist. Beim Passieren der Übergangshöhe nach dem Start wird wieder auf den Normdruck von 1 2 2mbar umgestellt. Denn im Reiseflug muß die Höhe nicht exakt gemessen werden, weil alle Flugzeuge ihren Höhenmesser auf diesen Wert eingestellt haben. Das hei t allehenmesser messen um den selben Betrag "falsch" und dadurch stimmt auch der Höhenabstand der Flugzeuge genau.

2 Variometer

Es dient zur Bestimmung der Steig- oder Sinkgeschwindigkeit. Ein Luftvolumen steht über einen Strömungswiderstand (Kapillare, Schlitz, Stauscheibe) mit dem statischen Druck der Außenluft in Verbindung. Bei Höhen nderung ändert sich der statische Druck; der Druckausgleich kann wegen des Strömungswiderstandes nur langsam erfolgen. Die Druckdifferenz am Stömungswiderstand ist ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit.

3.1 3 Trägheitsnavigationssystem

Eines der wichtigsten Instrumente ist das Trägheitsnavigationssystem. Es heißt INS (intertial navigation system). Es errechnet den Weg über Grund mit grer Präzision. Das Prinzip beruht auf den Kreiselgesetzen. Das typische an Kreiseln ist ihre Richtungsstabilit. Im INS sind dazu drei frei hängende Kreisel schnell drehende Kreisel angeordnet. Die Lage der Kreisel ändert sich, im Gegensatz zum Flugzeug, während des gesamten

Fluges nicht. Dadurch lassen sich Lageänderungen des Flugzeuges registrieren. Der Standort kann dann mit Hilfe dieser Daten und der Daten von drei Beschleunigungsmessern vom Bordcomputer immer exakt berechnet werden. Vor dem Start muß jedoch die Koordinaten für den Standort eingegeben werden. Die Himmelsrichtung zum geographischen Nordpol findet das System nach nur 5 Minuten selbst ! In dieser zeit hat sich die Erde weit genug gedreht, um dem INS die Richtung der Erdachse zu vermitteln. Durch dieses System kann der Pilot den Kurs halten und erhält die Geschwindigkeit über Grund. Ohne diese Geschwindigkeitsangabe käme man nie zum gewünschten Ziel. Bei neuen Flugzeugen wird das INS durch das IRS (intertial reference system) ersetzt. Das IRS ben tigt keine mechanischen Kreisel mehr. Diese werden beim IRS durch Laserkreise ersetzt. Das Meßprinzip beruht auf der Laufzeit des Lichts. Die technische Ausführung ist hedoch sehr kompliziert.

4 Geschwindikeitsmessung

Die Bestimmung der Eigengeschwindigkeit gegen ber der umgebenden Luft geschieht ber Staudruckmessung mit dem Fahrtmesser. Meßgeber ist das außerhalb vom Rumpf im freien Luftstrom angebrachte Staudruckrohr. Die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und statischem Druck wird über eine Membrandose gemessen und angezeigt. Zur Ermittlung der genauen Werte wird der Einfluß der momentanen Luftdichte berücksichtigt.

5 Instrumentenlandesystem

Die Landung wird vom Instrumentenlandesystem (ILS) unterst tzt.

Von zwei Antennensystemen am Boden werden Funksignale abgestrahlt, welche sogenannte Leitebenen für die horizontale und vertikale Führung bilden. Eine grobe Entfernungsanzeige ergibt sich beim Durchfliegen der Markierungfeuer Outer Marker (OM), Middle Marker (MM) und Boundary Marker (BM). Der Bordempfänger setzt die Funksignale in h rbare und visuelle Kennungen um. Siehe Bild Der Pilot m den Schnittpunkt der Waagrechten und Senkrechten in der Mitte halten. Dadurch wird er genau zum Ziel geführt.


3 1 6 Autolanding

Moderne Flugzeuge haben die Möglichkeit automatisch zu landen. Es ist dem Piloten überlassen ob er das Landen dem Autopiloten überlässt, oder ob er manuell landet. Wenn allerdings schlechte Sicht kein manuelles Landeverfahren erlaubt. Eine "auto-landing"- Einrichtung, kann die Maschine auch bei 0 Meter horizontaler und vertikaler Sicht zentimetergenau auf die Landebahn bringen. Wenn der Kapitän dann in einer Flughöhe von etwa

7m die Landebahn sieht, darf der Autopilot landen. Andernfalls muß der Kapitän noch in dieser geringenhe die Landung abbrechen und durchstarten.

3.2 Ordnung im Luftraum

Mit der Dichte des Luftverkehrs ist die Kollisionsgefahr in der Luft gewachsen. Um Unfälle zu verhindern, wurde ein weitgefächertes System aus unsichtbaren Luftstraßen geschaffen. Eine Luftstra e ist 18 km breit. Dies hat jedoch keine große Bedeutung, denn es herrscht kein Gegenverkehr. Diehenstaffelung der Luftstraßen beträgt im unteren Luftraum 300 Meter, im oberen, das hei t in Höhen über 8 00 Meter, 00 Meter.

. Sicherheitseinrichtungen

4 1 Allgemein

Eine Menge von Kontrolleuchten und Warnsignalen sowohl im Cockpit als auch im Bodenkontrollzentrum warnen die Piloten und Lotzen im allgemeinen rechtzeitig vor Gefahren. Aus Sicherheitsgnden sind alle für den sicheren Flug benötigten Instrumente mindestens doppelt vorhanden. Manche sogar drei- bis vierfach. Geschwindigkeitsmesser sind zum Beispiel mindestens dreifach vorhanden, weil beispielweise eine Fliege das Staurohr verstopfen könnte, was zu einer falschen Anzeige führt.

4 2 TCAS

Infolge der dramatischen Zunahme des Luftverkehrs stellen Kollisionen und Beinah-Zusammenstöße, sogenannte "near miss", eine wachsende Gefahr dar. Um dies zu Verhindern, wurde ein Kollisionswarnsystem (TCAS: Traffic Alert and Collision Avoidance System) entwickelt. Ein TCAS kann bis zu 24 andere Flugzeuge im Umkreis von 8km verfolgen, ihr Kollisionspotential bewerten und das richtige Ausweichmaver bei drohenden Kollisionen empfehlen. Der Nachteil von TCAS ist, das es nicht alle Flugzeuge besitzen, und dieses System nur funktioniert, wenn beide oder mehrere sich auf Kollisionskurs befindlichen Flugzeuge mit TCAS ausgestattet sind.

4 3 Enteisung

Besonders wichtig ist die Enteisungsanlage. Eine vereiste Tragfläche hatte schon einige Abstürze zur Folge. Besonders beim Durchfliegen von Wolken bildet sich Eis auf der Vorderkante der Tragfläche. Dies führt zu einer Veränderung des Profils, was zu einem verringertem Auftrieb führt zudem erh ht sich der Luftwiderstand. Schwere Vereisung kann die Leistung eines Flugzeugs soweit verschlechtern daß es nicht mehr  flugfähig ist. Neben der Enteisung auf dem Flugplatz gibt es zwei Verfahren, die Tragfläche eisfrei zu halten:

Anbringung von aufbla baren Schläuchen auf der Vorderkante der Tragfläche, welche das Eis aufbrechen.

Heranführen warmer Luft von den Triebwerken.


Quellenverzeichnis:

Magazin des Österreichischen Aero-Clubs:

"Sky Revue" Ausgaben: 1 9 : , , , 8

9 : , , , , , , 8

9 : , , , 6

9 : 1

Fernsehen:     "Über den Wolken - Die Wissenschaft vom Fliegen"

aus der Wissenschaftssendung des WDR "Quarks & Co" (vom 1 7 19 5)

"Bertelsmann Universallexikon" auf CD-ROM (Ausgabe 1 9 )

"Fliegen" aus der Reihe "Wunder der Wissenschaft" (19 1 Time Life)

"Warum sie oben bleiben" von Jürgen Heermann (1 97 Rasch und Röhring Verlag)

"Die Super Flugzeuge der Welt" von Hans G. Isenberg ( 994 Falken Verlag)

"Flugzeugkatastrophen" (1 96 Gondrom Verlag)



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