Hydraulik im Flieger

Fliegen mit Flüssigkeit: Die Hydraulik

Tim Takeoff
19.02.2019
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Flugzeuge fliegen mit Kerosin. Das wissen die meisten! Doch auch eine andere Flüssigkeit ist elementar wichtig für den Betrieb moderner Verkehrsflugzeuge: Das Hydrauliköl.

In der heutigen Kleinfliegerei sowie in den Anfängen der Verkehrsluftfahrt wurden sämtliche Steuerorgane an Bord mithilfe von Seilzügen oder Schubstangen bedient. Diese hatten viele Vorteile, denn es konnten ohne Verzögerung und Verlust Kräfte übertragen werden. Da die Flugzeuge verhältnismäßig klein waren, konnten die Piloten so mit einfacher Muskelkraft alles bedienen. Ein modernes Großraumflugzeug auf einem Langstreckenflug nur mit den eigenen „Muckis“ zu fliegen, sieht sicher lustig aus, ist allerdings praktisch unmöglich. Das wäre als würdet ihr einen modernen SUV ohne Servolenkung fahren. Nur, dass der SUV nicht drei Tonnen, sondern über 300 Tonnen wiegen kann und durch die Luft fliegt. Allein die Kräfte an den Rudern oder das Ein- und Ausfahren des Fahrwerks und der Landeklappen erfordert hohe Stell- und Haltekräfte.

Die Kraft der Flüssigkeiten

Bereits im Jahre 1795 entwickelte der Engländer Joseph Bramah eine mit Druckwasser betriebene, hydromechanische Maschine. Mit dieser nutzte er die Kraft des Wassers, um die vorhandene Kraft um den Faktor 2.000 zu vergrößern. Um es kurz zu machen: Nichts anderes macht unsere Servolenkung im Auto. Durch schmale Leitungen strömt eine Flüssigkeit, die dauerhaft unter Druck steht. Diese Flüssigkeit muss nicht zwangsweise Wasser sein, es würde theoretisch mit jeder Flüssigkeit funktionieren. Allerdings haben sich moderne Hydrauliköle aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften durchgesetzt, auch im Flugzeugbau.

Hydraulik als Kraftübertragung

Die Hydraulik ermöglicht es, über flexible Distanzen und auch um viele „Ecken“ herum, Kräfte zu übertragen. Mit einer einfachen, mechanischen Kraftübertragung benötigt man immer eine Welle oder Schubstangen und Seile, um einen Antrieb zu gewährleisten. In einem Flugzeug ist Platz offensichtlich „Mangelware“. Deshalb hat sich der Einsatz der Hydraulik schnell als sehr nützlich herausgestellt. Man kann über verschiedenste Wege eine Steuerung gewährleisten. Da das gesamte System unter Druck stehen muss, benötigt man an Bord Pumpen, die ihn dauerhaft oder zweckbezogen gewährleisten. In modernen Flugzeugen werden manchmal gewisse Hydraulikpumpen auch nur kurzzeitig in Betrieb gesetzt, beispielsweise zum Ein- oder Ausfahren des Fahrwerks. Dieses wird für den Rest des Fluges einfach im Rumpf verriegelt und dabei „drucklos“ gemacht, um eine dauerhafte Belastung zu vermeiden.

Das Grundprinzip des Hydrauliksystems

Ein einzelnes Hydrauliksystem besteht im Grundsatz aus einem Reservoir, welches das Hydrauliköl beinhaltet und unter Druck gesetzt werden kann. Aus ihm heraus führen Leitungen zu den anzusteuernden Motoren, auch Aktuatoren (engl. „Actuators“) genannt. Hier befinden sich Ventile, welche Druck zu den anzusteuernden Organen zuführen oder ablassen. Nun gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Prinzipien, wie die Steuerbefehle des Piloten (oder Autopiloten) an die Aktuatoren gelangen. Diese regeln nicht nur die Ruder an den Flügeln, sondern auch Fahrwerk, Schubumkehr, Landeklappen, Bremsklappen oder das Seitenruder.

1.Klassische Flugsteuerung

In einer klassischen Steuerung, wie beispielsweise bei der Boeing 737, werden die Steuerdrücke rein mechanisch über Seilzüge an die Aktuatoren oder direkt an die Ruder weitergegeben. Natürlich gibt es auch hier bereits einfache Schaltungen, die gewisse Ruder bei bestimmten Geschwindigkeiten reduzieren oder abschalten können. Das ist allerdings eine sehr rudimentäre und auch schwere Angelegenheit, denn die ganze Mechanik muss auch eine gewisse Redundanz haben. Daraus resultiert viel schweres Metall im Flugzeug, was man sich gerne sparen würde.

2. Fly-by-Wire

Um Gewicht zu sparen, führten Ingenieure das sogenannte „Fly-by-Wire“-System ein. Hierbei werden die Eingaben des Piloten „smart“ gemacht. Sie werden nur im Notfall direkt an die Ruder gegeben. Im normalen Betrieb gehen alle Befehle in eine Art primären Flugcomputer. Dieser prüft in Bruchteilen von Sekunden die Eingaben. Stimmen Sie mit seiner Logik überein, sendet er die Befehle per Kabel an den jeweiligen, hydraulischen Aktuator. Das hydraulische System regelt, das Ruder bewegt sich. Weitere Sensoren prüfen die ausgeführte Bewegung und leiten das Signal zurück an den primären Flugcomputer. Stimmen die Werte von Befehl und Sensor überein, ist der Computer zufrieden. Sollte hier etwas nicht stimmen, kann sofort nachgeregelt, abgeschaltet oder der Pilot umgehend informiert werden. Von all diesen Prozessen bekommt man im Cockpit wenig mit, denn die Steuerung ist blitzschnell. Es fühlt sich so an, als würde man ein konventionelles Flugzeug fliegen. Nur eben deutlich „cleverer“.

Die Vorteile

Man merkt bereits, das Fliegen per Hydraulik bietet alleine aufgrund der Flugsteuerung viele Vorteile. Es können unzählige Sicherheitsfeatures per Software verbaut werden. Außerdem bietet Hydraulik weitere mechanische Vorteile, neben der reinen Gewichtsersparnis. Das System hat eine extrem hohe Stellgenauigkeit und kann große Kräfte auf kleinem Raum umsetzen. Es ist stufenlos und hat eine hohe Lebensdauer, da es durch die eingesetzten Öle selbstschmierend und kühlend ist. Außerdem kann man es über die Messung der Drücke gut überwachen, und bei Fehlern sofort reagieren.

Redundanz

Da kein System vor Fehlern geschützt ist, muss ein Flugzeug möglichst redundant ausgelegt sein. Eine Hydraulik kann ihren Druck bei einem Leck teilweise oder komplett verlieren, was einen Verlust der angehängten Steuerung mit sich bringt. Man kann es sicher bereits ahnen: Ein System ist nicht genug. In heutigen Flugzeugen arbeiten deshalb zwei bis drei Systeme, teilweise sogar mehrere Kreisläufe, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. So gibt es beispielsweise ein linkes, rechtes und ein Center System. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die komplette linke oder rechte Seite von einem System bedient wird. Dies wäre bei einem Fehler natürlich kontraproduktiv. Deshalb wird innerhalb der Systeme und der Steuerflächen gemischt, damit im Notfall nur Teile der Steuerung ausfallen und der „Job“ von anderen Flächen mit übernommen werden kann. So hängt am Höhenruder jeweils eine Seite an einem anderen System, damit im Fall der Fälle immer ein Seite bedienbar bleibt.

Von Seilzügen und Hunden im Frachtraum

Und wenn doch einmal der „Ernstfall“ eintritt, verfügen manche Flugzeuge als letzte Möglichkeit immer noch über ein verbleibendes Paar an Seilzügen, wie in alten Zeiten. Doch bis dieser Fall eintritt, hat es eine gut geschulte Crew sicher wieder an den Boden der Tatsachen geschafft. Achtet doch bei eurem nächsten Flug in einem Airbus A320 einmal auf das typische „Bellen“ beim Anlassen der Triebwerke. Es hört sich an, als hätte man ein paar Hunde im Frachtraum geladen. Besonders von den mittleren Sitzreihen bekommt man dies lautstark zu hören. Dieses „Bellen“ kommt lediglich von den Hydrauliksystemen, welche von den Pumpen in den Triebwerken zum Leben erwachen. Nicht erschrecken, denn jetzt wisst ihr Bescheid!

von Tim Takeoff

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