Aerodynamik eines Verkehrsflugzeuges
Den Luftraum für sich erobern wollten die Menschen schon seit Jahrhunderten – und der Traum wurde wahr. Am heutigen Tage …
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In den Anfängen der Fliegerei war die Flugsteuerung eine der größten Hürden. Neben der Erzeugung des Auftriebs und dem grundsätzlichen Verständnis für Aerodynamik, musste der Mensch seine Erfindungen auch in der Luft jederzeit unter Kontrolle haben.
Ein Objekt abheben zu lassen, das war das Hauptziel jener Pioniere, wie der Gebrüder Montgolfier mit ihren Heißluftballonen, der Gebrüder Wright mit dem ersten motorisierten Flug oder Otto Lilienthal mit seinem Gleiter (mehr zur Geschichte des Fliegens in unserem Artikel). Das Hauptziel war klar: Abheben und den bemannten Flug ermöglichen.
Dass allein das Abheben nicht ausreichend ist, war schon dem berühmten Erfinder Leonardo Da Vinci klar. Flugobjekte mussten auch in der Strömung der Luft steuerbar sein. Bereits in seinen frühen Zeichnungen finden wir Ideen, die seine Erfindungen steuerbar machen sollten.
In der heutigen Zeit ist vollkommen klar, dass ein Umleiten von Strömungen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu Druckunterschieden führt. Je nachdem an welchen Stellen eines Objektes diese Strömungen umgeleitet werden, lässt sich dessen Richtung beeinflussen.
Unzählige Formen und Gattungen von Flugzeugen gingen aus den Versuchen der einstigen Pioniere hervor. Einige stellten sich als fatale Fehlkonstruktionen heraus, andere wurden weiter verfolgt. Sie entwickelten sich zu dem, was wir heute als Selbstverständlichkeit in der Luftfahrt ansehen.
Betrachtet man zunächst ein antriebsloses Fluggerät in seiner simpelsten Form, beispielsweise einen starren, bemannten Drachen, dann ist das Prinzip relativ simpel. Durch die Verlagerung von Gewicht lässt sich dieser in der Luft um zwei Achsen steuern. Gewicht vor, Nase herunter. Gewicht nach hinten, Nase rauf. Links und rechts kann über dasselbe Prinzip angesteuert werden.
Fügt man nun einem starren Tragflügel diverse Steuerflächen hinzu, kommt man schnell zu dem, was wir heute als Segelflugzeug kennen. Es werden gewisse Bereiche ausgespart, mit Scharnieren versehen und über eine zentrale Einheit (dem Steuerknüppel oder Steuerhorn) verbunden. Der Pilot kann darüber alle Steuerflächen direkt, meist über Schubstangen oder Seilzüge, bedienen.
Man begann neben dem Höhenruder auch die Richtungssteuerung zu verbessern. Quer- und Seitenruder ermöglichen eine Veränderung der Querneigung.
Nutzt man nur eine dieser Ruderarten, kann ein Flugzeug ohne Antrieb niemals eine saubere Kurve fliegen. Der kurvenäußere Flügel würde stets eine höhere Geschwindigkeit gegenüber der Luft haben, und somit mehr Auftrieb und auch Widerstand erzeugen als der kurveninnere.
Dementsprechend erzeugt der Kurvenflug weitere ungewollte Momente. Um diesen Effekten entgegensteuern zu können, wurden weitere Steuerflächen eingebunden, wie etwa das Seitenruder. Dadurch wurde das Flugzeug um alle drei Achsen (Hoch-, Quer- und Längsachse) steuerbar.
In modernen Flugzeugen findet man das Prinzip der Steuerung um drei Achsen immer wieder – fast alle Flugzeugtypen ähneln sich in diesem Punkt. Betrachtet man den Flügel eines modernen Verkehrsflugzeuges, fallen einem schnell die zahlreichen Steuerflächen auf. Auch wenn es teilweise wie ein chaotisches Zusammenarbeiten von Metall aussieht, erfüllt jede Fläche ihren aerodynamischen Zweck.
Für eine Linkskurve schlagen die kurveninneren Steuerflächen nach oben aus, lenken also die Strömung auf verschiedenste Weise nach oben ab. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die Teilchen der Luft nach unten abgeleitet und erzeugen dementsprechend einen erhöhten Überdruck. Das Flugzeug leitet eine Kurve ein. Außerdem kann man für die Landung entsprechende Klappen setzen, welche die Mindestgeschwindigkeit herabsetzen. Es wird mehr Auftrieb erzeugt. Das schont Material und reduziert Emissionen.
Nehmen wir nun den Vortrieb dazu: Man kann sich gut vorstellen, wie das Triebwerk an der Nase eines Propellerflugzeuges förmlich daran „zieht“, die Schubkraft eines Verkehrsflugzeuges mit unter den Tragflächen „hängenden“ Turbinen das Flugzeug jedoch vielmehr anschiebt.
Der Effekt des Seitenruders wird unter Vortrieb weniger benötigt, da die Schubkraft bereits für eine stabilisierte Richtungsführung sorgt. Es ist dennoch nicht weniger bedeutsam, denn insbesondere bei Start und Landung mit Seitenwind muss der Pilot das Flugzeug mit dem Seitenruder entlang der Piste ausrichten und das Flugzeug wenn nötig sogar „quer“ zum Wind stellen.
„Hängende“ Turbinen erzeugen zusätzlich ein Moment um die Querachse. Hoher Schub drückt die Nase eines Flugzeuges nach oben. Dies muss vom Piloten jederzeit berücksichtigt werden.
In einem modernen Verkehrsflugzeug wird die Verteilung der Steuerimpulse nicht mehr primär über Seilzüge und Schubstangen erzeugt. Das wäre viel zu schwer und ist geradezu antik, wenn man über die Möglichkeiten moderner Software nachdenkt. Das Steuerhorn oder der Joystick der Piloten ist elektronisch über kilometerlange Kabel mit einem primären Flugcomputer verbunden. Er verarbeitet die Eingaben der Piloten (oder Autopiloten) in Bruchteilen einer Sekunde. Er prüft auf Plausibilität und gibt die Signale an die Hydraulikgeber der jeweiligen Steuerflächen weiter. Diese Geber sind dann direkt an das Ruder angeschlossen und „zwingen“ sie zur Bewegung.
Der erzeugte Ruderausschlag wird im Anschluss von weiteren Sensoren erkannt und zurück an den Flugcomputer geleitet. Von diesem wird überprüft, ob das gesendete Signal auch eine genaue Umsetzung erfahren hat. Kommt es zu Abweichungen, kann der Computer nachregeln und die gewünschte Fluglage herbeiführen. Sollten dabei erneut Fehler auftreten, meldet das System dies unverzüglich dem Piloten, welcher den primären Flugcomputer jederzeit abschalten kann. So hätte der Pilot direkten Zugriff auf die Hydraulikaktuatoren an den Rudern. Bei Airbus oder auch Boeing nennt sich dieser Zustand „Direct Law“ – direkter Modus. Die Flugeigenschaften verändern sich in diesem Zustand deutlich, da keine softwareseitige Anpassung und Optimierung mehr erfolgt.
Ein prominentes Beispiel einer nicht optimalen Software ist die Boeing 737 MAX. Diese Software verursachte immer wieder unkontrollierbare Steuereingaben und führte letztlich dazu, dass der Pilot das System nicht überstimmen konnte – was tragischerweise zu zwei Abstürzen führte. Boeing erarbeitet zur Zeit mit den Behörden ein großes Update für alle Boeing 737 MAX, welche zur Zeit nur mit Sondergenehmigung abheben dürfen.
Ohne moderne Softwarelösungen wäre ein ökonomischer Flug und die genaue Einhaltung der Fluglage in den immer enger werdenden Lufträumen dieser Welt nicht möglich. Die gesamte Branche ist auf höchste Sicherheitsstandards angewiesen. Nicht zuletzt aus diesem Grund ist und bleibt die Luftfahrt eine außergewöhnlich spezialisierte Industriesparte. Nirgendwo wird mehr geprüft und getestet bevor ein neues Flugzeug zum ersten Mal den Boden verlassen darf.
Euch ist noch nicht ganz klar, wie die Flugsteuerung funktioniert? Dann schaut euch dieses Video an:
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