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Aerodynamik eines Verkehrsflugzeuges

Tim Takeoff
06.08.2019
4 Fotos
7 Minuten

Den Luftraum für sich erobern wollten die Menschen schon seit Jahrhunderten (mehr dazu hier) – und der Traum wurde wahr. Am heutigen Tage ist es uns möglich, regelmäßig mit nahezu Überschallgeschwindigkeit und wohltemperiert in menschenfeindlichen Höhen von A nach B zu fliegen. Doch welche physikalischen Gesetze machen es möglich, dass die tonnenschweren Fluggeräte fast schon selbstverständlich in der Luft bleiben?

Gas geben und abheben?

Das Prinzip des Fliegens ist bei Fluggeräten mit starrem Flügelwerk nahezu immer gleich. Lasst uns daher der Einfachheit halber alle weiteren Formen des Fliegens, wie etwa Helikopter oder Luftschiffe, Ballone und andere Mischformen, ausblenden und ein modernes Verkehrsflugzeug beachten: Man gibt „Gas“, beschleunigt, und hebt ab! So einfach ist das. Oder etwa doch nicht?

Von Auftrieb und Schwerkraft

Grundsätzlich entsteht der Auftrieb eines Flügels dadurch, dass die Luft gezwungen wird, die Tragfläche in einem bestimmten Winkel (dem Anström-, oder auch Anstellwinkel) zu umströmen. Durch das gewölbte Profil, also den Querschnitt eines Flügels, legt die Luft auf der Oberseite einen etwas weiteren Weg zurück und strömt schneller als auf der Unterseite. Dadurch entsteht auf der Oberseite ein Unterdruck (physikalischer Hintergrund: Bernoulli-Gleichung). Der Unterdruck „saugt“ die Tragfläche nach oben. Auf der Unterseite herrscht dadurch ein Überdruck.

Ein Flügel erzeugt je nach Wölbung, Größe, Anstellwinkel und Geschwindigkeit einen unterschiedlich starken Auftrieb. Überschreitet diese Auftriebskraft das Gewicht des Flugzeuges, ist es ihm möglich die Schwerkraft der Erde zu überwinden und sich vom Boden zu lösen.

Optimierte Flügel

Natürlich muss auch gesteuert werden

Gesteuert wird meist über verschiedene Arten von Rudern. Man spricht von Höhen-, Quer, oder Seitenruder. Mithilfe dieser Ruder kann das Flugzeug um alle drei Achsen gesteuert werden. Es kann um seine Längsachse rollen, um die Querachse nicken oder um die Hochachse „gieren“. Jedes Ruder eines Verkehrsjet verfügt außerdem über eine Trimmung, mit der die entstehenden Kräfte verringert werden können. Einen ausführlichen Artikel über die Trimmung findet ihr hier.

Ein Flugzeug muss gewisse Kräfte aufbringen, um wiederum andere überwinden zu können: Bei der Fortbewegung in der Luft setzen wir deshalb der Schwerkraft den Auftrieb durch den Flügel gegenüber. Die Triebwerke erzeugen mit ihrem Schub eine Vortriebskraft, die den Luftwiderstand überwindet. Mehr zu diesen vier Aerodynamiken erfahrt ihr in diesem Artikel.

Die Anforderungen definieren ein Flugzeug

Ein Flugzeug definiert sich zunächst anhand der gewünschten Anforderungen und des vorgesehenen Einsatzgebietes. Aufgrund physikalischer und struktureller Limits muss der Ingenieur eines Flugzeuges jedoch Kompromisse eingehen. Auch wenn er am liebsten möglichst viele Passagiere in einem möglichst leichten Flugzeug möglichst schnell und weit an ein Ziel bringen würde. Es entstehen kleine und leichte Kurzstreckenflugzeuge, oder große und schwere „Wide-Body“-Maschinen, mit denen Interkontinentalflüge bestritten werden.

Flugzeugfamilien

Auch innerhalb der Flugzeugfamilien werden unterschiedliche Versionen geschaffen. So gibt es beispielsweise nicht nur einen Airbus A340. Für besonderes frequentierte Strecken, auf denen es nicht auf die Reichweite sondern auf den reinen „Durchsatz“ an Ladevolumen ankommt, wurde der A340-600 geschaffen. Er ist länger und schwerer, schafft aber bei weitem nicht die Distanz seines kleineren Bruders, der A340-500. Auch Boeing folgt dieser Philosophie in ihren Flugzeugreihen, 737, 747, 757, 767, 777 und auch 787. Die Airlines schauen sich ganz genau an, welche Anforderungen ihr persönliches Streckennetz stellt bevor sie Flugzeuge anschaffen.

Unter- oder Überschall?

Fast alle Verkehrsflugzeuge, mit besonderer Ausnahme der Gattung der Concorde, werden für den Unterschallbereich entwickelt. Es gelten bekannte Gesetze der Physik. Diesen Bereich in der Entwicklung zu überschreiten, wird aus finanziellen Gründen meist nie angegangen.

Im Unterschallbereich fliegt prinzipiell jedes Flugzeug gleich. Es entsteht eine Anströmung der Tragflächen durch die Bewegung des Flügels durch die Luft. Da Luft aus verschiedenen Teilchen besteht und je nach Höhe und Temperatur eine unterschiedliche Dichte und somit einen anderen Luftwiderstand aufweist, ist jede Flugzeugkonstruktion für einen bestimmten Bereich optimiert.

Klein und tief oder hoch und schnell?

Segelflugzeuge haben beispielsweise lange, schlanke und kaum gepfeilte Flügel. Sie sind für tiefe Luftschichten und niedrige Geschwindigkeiten optimiert. Kampfjets werden mit kurzen, stark gepfeilten und manchmal sogar „delta“-förmigen Tragflächen gebaut. Sie sind perfekt angepasst für hohe Geschwindigkeiten, sogar im Überschallbereich, und dementsprechend große Flughöhen.

Ein Verkehrsflugzeug als Kompromiss

Bei einem Verkehrsflugzeug muss ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Treibstoffverbrauch eingegangen werden. Deshalb ist es von Vorteil, die Leistung der Triebwerke möglichst auszunutzen und eine größtmögliche Flughöhe mit geringerem Luftwiderstand einzunehmen. Allerdings wird dieser Widerstand aus den Teilchen der Luft auch benötigt, um die Tragflächen zu umströmen. Fliegt man also höher, benötigt man eine Geschwindigkeit, die knapp unter der Schallgeschwindigkeit liegt.

Aerodynamische Probleme

Um diesen schmalen „Grenzbereich“ abzudecken, werden die Flügel eines Verkehrsflugzeuges ein Stück weit nach hinten gepfeilt. Es wird immer noch eine beachtliche Spannweite benötigt. Optimierte Profile sorgen für einen Ausgleich. So kann man in niedrigen Flughöhen – bei Start und Landung – unter Zuhilfenahme von Landeklappen ein Flugzeug bei geringerer Geschwindigkeit in der Luft halten. In großen Höhen können widerstandsarm hohe Geschwindigkeiten mit möglichst wenig Schub gehalten werden.

Höher, schneller, weiter?

Neue Werkstoffe wie Kohle- oder Glasfasern ermöglichen immer optimalere Flügelkonstruktionen, erhöhte Festigkeit und Gewichtseinsparungen. Mit der fortlaufenden Entwicklung sind so vielleicht in naher Zukunft wieder Flüge mit Schallgeschwindigkeit möglich, wie damals bei der Concorde. Sie war leider ihrer Zeit zu weit voraus. In diesem Artikel könnt ihr mehr über diese spannende Phase der Luftfahrt erfahren.

Zur Physik des Fliegens findet ihr hier bei WingMag noch einen weiteren Artikel.

von Tim Takeoff

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