Grundlagen der Aviatik

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Aviatik

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Grundlagen der Aviatik

Eine kurze Zusammenfassung der Geschichte der Luftfahrt

Als Luftfahrt bezeichnet man den Transport von Personen oder Gütern durch die Erdatmosphäre ohne feste Verbindung an die Erdoberfläche – kurz gesagt, durch die Luft. Der Begriff umfasst heute allgemein alle Personen, Unternehmen, Tätigkeiten und Teilgebiete (auch auf dem Bo-den), die den Betrieb von Fluggeräten betreffen.Die Luftfahrt nahm ihren Anfang bereits in der Antike. Das Fliegen wurde oft als Attribut und Privileg der Götter angesehen. Auch dort, wo Götter oder übersinnliche Wesen nicht mit Flügeln dargestellt werden, zählt die Fähigkeit zu fliegen zu ihren Eigenschaften.Wirklich interessant wird es aber erst in der Renaissance. Das, aus der Toskana stammende, Universalgenie Leonardo da Vinci, entwarf be-reits um 1500 verschiedene Flugzeuge, darunter auch den ersten „Helikopter”. Keines der Modelle wäre zwar flugtauglich gewesen, aber die kreativen Ansätze und insbesondere die ingenieurwissenschaftliche Methodik hatten Pionierwert, wobei da Vinci mit seinen Gedanken zur Luftfahrt „der Zeit weit voraus“ war. Erst Ende des 19. Jahrhunderts wurden da Vincis Entwürfe wieder entdeckt, hatten aber keinen bahnbrechenden Ein-fluss auf die Entwicklung der ersten Flugzeuge.Das erste „moderne“ Fluggerät war keineswegs ein Flugzeug. 1784 bauten die Franzosen Launoa und Bién-venue einen frühen flugfähigen Modellhubschrauber mit Doppelrotor. Sie hatten aber nicht vorgesehen das dieser steuerbar werden sollte. Heute gibt es davon kein flugfähiges Modell mehr.Das erste Fluggerät, welches auch tatsächlich geflogen und gesteuert werden konnte, entwarfen die Brüder Wright um 1900. Die herausragende Leistung der Brüder Wright bestand darin, als erste ein Flugzeug gebaut zu haben, mit dem ein erfolgreicher, andauernder, gesteuerter Motorflug möglich war, und diesen Motorflug am 17. Dezember 1903 auch durchgeführt zu haben. Darüber hinaus dokumentierten sie ihre Flüge genau-estens und bewiesen innerhalb kurzer Zeit in weiteren Flügen die Tauglichkeit ihres Flugzeuges. Von heraus-

ragender Bedeutung ist, dass Orville Wright bereits 1904 mit dem Wright Flyer einen gesteuerten Vollkreis fliegen konnte.1915 erprobte bereits Hugo Junkers das erste Ganzme-tallflugzeug der Welt, die Junkers J 1. Hugo Junkers baute 1919 auch das erste Ganzmetall-Verkehrsflugzeug der Welt, die Junkers F 13, deren Konstruktionsprinzipien richtungweisend für nachfolgende Flugzeuggenerationen wurden.Bereits im Ersten Weltkrieg wurden Flugzeuge eingesetzt, waren aber, im Gegensatz zum Zweiten Weltkrieg, nicht

Geschichte der Luftfahrt .....................................................................................................................3

Einführung in die Aerodynamik ........................................................................................................5

Der Auftrieb ........................................................................................................................5

Der Satz von Bernoulli .......................................................................................................8

Die Luftkraftresultierende .................................................................................................8

Beziehung zwischen Anstellwinkel und Auftrieb ..........................................................9

Beziehung zwischen Schub und Widerstand im Horizontalflug .................................9

Die richtige Beladung eines Flugzeugs ..............................................................................................9

Der Schwerpunkt ................................................................................................................9

Die verschiedenen Arten von Widerständen .................................................................................11

Kräfte am Flugzeug ............................................................................................................................13

Steuerorgane und Stabilität des Flugzeugs ......................................................................................15

Achsen eines Flugzeugs ...................................................................................................16

Die „dynamische Stabilität“ ............................................................................................17

Inhaltsangabe


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bestimmend für den Ausgang des globalen Konflikts.Die große Herausforderung nach dem Krieg waren Langstreckenflüge, vor allem die Überquerung des Atlantiks. Diese Aufgabe kostete einigen Menschen ihr Leben, bis eines von drei in Neufundland gestarte-ten Curtiss-Flugbooten der US-Navy, nach 11 Tagen, und einer Reparatur auf den Azoren am 27. Mai 1919 in Lissabon landete. Die Heinkel He 178 war das erste Flugzeug der Welt, das von einem Turbinen-Luft-strahltriebwerk angetrieben wurde. Der Erstflug wurde am 27. August 1939 durchgeführt. Am Anfang des Zweiten Weltkrieges waren Flugzeuge nur ein gleichbedeutender Teil der Streitkräfte der sich bekämpfenden Nationen. Doch bereits 1940, änderte sich dies schlagartig. Die beiden herausstechenden Typen dieser Zeit waren die deutsche Messerschmitt Bf 109 und die britische Supermarine Spitfire, die durch Verbesserungen der Aerodynamik und auch der Leistungsfähigkeit der Motoren wesentlich den Verlauf des Konflikts beein-flusst haben. Das bekannteste Aufeinandertreffen dieser beiden Flugzeugmuster war wohl die Luftschlacht um England 1940, welche der Versuch der deutschen Luftwaffe war, zwischen Sommer 1940 und Anfang 1941 mit Bombeneinsätzen gegen das britische Militär und Angriffen gegen britische Städte die Kapitulation Großbritanniens zu erzwingen oder wenigstens die Invasion der Insel vorzubereiten.Nach dem Ende des Krieges wurde nun der Fokus auf die zivile Luftfahrt gelegt. Zu Anfangs flogen Flugzeu-ge der Type De Havilland DH 106 „Comet”, welche aber in größeren Höhen Risse im Rumpf bekamen, und daher die Produktion wieder eingestellt werden musste. Den wirklichen Durchbruch in der zivilen Fliegerei erreichte die, vom amerikanischen Flugzeughersteller Boeing gebaute Boeing 707. Anfang der 70er Jahre begann der Einzug des Großraumpassagierflugzeugs Boeing 747 „Jumbo-Jet”, dessen Dominanz in diesem Bereich erst mit dem Airbus A380 wieder abgenommen hatte.

Um von der Schwerkraft nicht zur Erde hin bewegt zu werden, muss sich ein Körper andauernd und gleich-stark selbst in die Gegenrichtung beschleunigen. Satelliten, zum Beispiel, erhalten ihre permanente Gegenbe-schleunigung auf Grund ihrer geometrischen Umlaufbahn durch die Fliehkraft aus der eigenen Masse. Nur mittels einer zweiten Masse kann sich auf der Erde ein Körper durch Rückstoß beschleunigen. Eine Rakete oder ein mit „Rucksackdüsen“ ausgestatteter Mensch beschleunigen sich gegen die Erdbeschleunigung durch Abstoßen von mitgenommener (Treibstoff-) Masse: durch deren Rückstoßkraft.Auch ein Luftfahrzeug, welches ja bekanntlich schwerer als Luft ist, kann sich nur durch Rückstoß in der Luft halten. Etwas anderes ist in diesem Universum nicht möglich. Die Manipulationsmasse zur Rück-stoßerzeugung muss ein in der Luft fliegendes Objekt nicht mitnehmen: sie steht ihm in Form der Luftmasse selbst zur Verfügung. Mit einer Fläche, zum Beispiel einer Tragfläche, lässt sich die Luft „greifen“ und damit nach unten beschleunigen. Dadurch wird Rückstoßkraft als Auftrieb erzeugt.

Eine Platte beschleunigt Luft nach unten, indem sie diese bei einer Abwärts-bewegung direkt runterdrückt und über ihr nach saugt. Da an ihren Rän-dern keine Zylinderwände existieren, wie zum Beispiel um die Kolbenfläche einer Pumpe, entstehen großräumige Ausweichbewegungen um die Platten-ränder herum. Trotz dieser „Umspülungen“ entstehen, wie bei einem Kolben im Zylinder in Folge der Beschleunigungen für die beeinflussten Luftmassen einschließlich derer der UmspülungenÜberdruck unter und Unterdruck über der Platte. Der Überdruck unter und der Unterdruck über der Platte erzeugen mittels deren Flächen die Auftriebskraft.

Der Auftrieb

Einführung in die Aerodynamik

Das ist das Grundprinzip der kinetischen AuftriebsphysikDie Luftbewegungen der Umspülungen, auch als Verdrängungsströmung für den direkt unter der Platte in Bewegung gesetzten Abwärtsluftstrom bezeichnet, bilden aus seitlicher Sicht gesehen die bekannten Wirbel am Plattenrand. Insgesamt bildet sich am Plattenrand ein geschlossener Ringwirbel um den vollen Umfang der Platte aus.Die für den Flug notwendige Auftriebskraft wird also vom Tragflügel (in unserem Beispiel von der Platte) erzeugt. Dieser Tragflügel hat, betrachtet man den Querschnitt des Flügels, eine gewölbte, tropfenförmige Profilform. An der Nase des Profil wird die Luftströmung nun gezwungen sich zu teilen. Dieser Punkt wird als Staupunkt bezeichnet. Auf Grund der unterschiedlichen Lauflängen des Profils kommt es an der Pro-filoberseite zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als an der Profilunterseite. Gegenüber der freien Luftströmung tritt auf der Oberseite des Profils eine Art Strömungsverengung auf und es ensteht an diesen Stellen höherer Geschwindigkeit Unterdruck.

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Ich möchte diesen Zustand als Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite bezeichnen. Die Summe der beiden Kräfte liefert die Auftriebs-kraft.Einen weiteren Anteil an der Auftriebserzeu-gung hat der Anstellwinkel. Als Anstellwinkel wird der Winkel zwischen der Profilmittellinie und der Strömungsrichtung der Luftteilchen bezeichnet. Durch Erhöhung des Anstellwin-kels wird die Luftströmung an der Profilober-seite in eine gekrümmtere Bahn gezwungen und dadurch erhöht sich zunächst auch der Auftrieb. Der Anstellwinkel lässt sich so lan-ge erhöhen bis jener Anstellwinkel ( ~15 -20

°) erreicht wird mit dem maximaler Auftrieb erzeugt werden kann. Durch den größeren Anstellwinkel der Tragfläche erhöht sich aber auch gleichzeitig der Widerstand. Es lässt sich also zusammenfassen:

Auftriebserhöhung bedeutet auch immer Widerstandserhöhung

Der Auftrieb lässt sich mit folgender Formel beschreiben:

Fa = ca • q • A

q = 0,5 • ρ • v2

wobei:Fa = Auftriebca = Auftriebskonstante (hängt vom Anstellwinkel ab)q = StaudruckA = Flügelflächeρ = Luftdichte

Die Erhöhung des Anstellwinkel hat jedoch auch seine Grenzen. Ab dem sogenannten „kritischen Anstell-winkel“ wird nur mehr sehr wenig Auftrieb bis kein Auftrieb mehr erzeugt. Man nennt dies den „überzo-genen Flugzustand“ oder, vereinfachter gesagt, den „Strömungsabriss“. Behält man diesen Flugzustand bei, kippt das Flugzeug dabei meist nach vorne oder seitlich ab und holt dabei wieder Fahrt auf. Im ungünstigsten Fall gerät das Flugzeug ins gefürchtete Trudeln.

Auftrieb und Widerstand werden durch folgende Faktoren bestimmt:

FluggeschwindigkeitAuftrieb und Widerstand ändern sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Erhöht sich z.B. die Flugge-schwindigkeit um das Doppelte, so erhöht sich Auftrieb und Widerstand um das Vierfache.

luFtdichteAuftrieb und Widerstand ändern sich linear mit der Luftdichte. Nimmt die Luftdichte z.B. um 1/3 ab so ver-ringert sich auch Auftrieb und Widerstand um 1/3.

FlügelFlächeAuftrieb und Widerstand ändern sich linear mit der Flügelfläche. Doppelte Flügelfläche ergibt doppelten Auftrieb und Widerstand.

FlügelproFilDurch div. Profilformen od. Profileigenschaften werden verschiedene Auftriebs- und Widerstandswerte erreicht. Zum Beispiel wird durch ein dickes,stark gewölbtes Profile hoher Auftrieb mit hohem Profilwi-derstand erzeugt. Im Gegensatz wird mit dünnen Profilen weniger Widerstand aber auch weniger Auftrieb erreicht.

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der satz von BernoulliDas Gesetz von Bernoulli sagt aus: „In einer stationären Strömung ist die Summe aus dem statischen Druck und dem dynamischen Druck kons-tant. Sie entspricht dem hydrostatischen Druck der ruhenden Flüssigkeit“

Diese Formel ist von zentraler Bedeutung für die Luftfahrt geworden, da sie, auch aussagt, dass mit steigen-der Geschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases dessen Druck abnimmt.

Um den Satz von Bernoulli jedoch richtig verstehen zu können, sollte man die oben genannte Formel herlei-ten. Hierzu sollte man wissen, dass Bernoulli sich für diese Formel mit dem Strömungs- und Druckverhalten

in Rohrsystemen beschäftigt hat und hier besonders das Strömungsverhalten an Eng-stellen untersuchte. Er stellte fest, dass sich die Flüssigkeit oder das Gas an Engstellen solange nicht verdichtet, wie es weiterfließen kann. Dies heißt dann,

dass über die unterschiedlichen Stecken s1 und s2 in der gleichen Zeit das selbe Volumen (V1=V2 ) fließen muss. Daraus folgt die Formel:

Dies zeigt, dass mit Zunahme der Größe der Fläche A die Geschwindigkeit v der Flüssigkeit abnehmen muss, oder dass mit Abnahme des Durchmessers des Rohres die Geschwindigkeit v zunehmen muss. Will man in so einem Rohr die Flüssigkeit bewegen, muss man die Arbeit bzw. verrichten. In diesem Fall ist F die Druckkraft , daraus folgt:

Rechnen wir die Differenz zwischen diesen beiden Arbeiten aus, wird es möglich, mit Hilfe des Energieerhal-tungssatzes die Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck wieder ins Spiel zu bringen:

Bei der kinetischen Energie wurde die Masse m durch ersetzt, da dies für Flüssigkeiten und Gase bes-ser zu verwenden ist.

Die bekannte “Bernoullische Gleichung”

die luftkraftresultierendeAlle an einem Tragflügelprofil wir-kende Kräfte lassen sich zu einer resultierenden Luftkraft (Luftkraft-resultierenden) zusammenfassen. Die Luftkraftresultierende hat eine bestimmte Größe, Richtung und Lage. Der Schnittpunkt die-ser Kraftlinie mit der Profilsehne nennt man Druckpunkt.Je steiler der Anstellwinkel ist, desto größer ist die Luftkraftresultierende, desto mehr wirkt sie im Vergleich zum Auftrieb nach hinten und desto weiter vorne liegt der Druckpunkt. Wird der Anstellwinkel über den Strömungsabriß (Grenzschicht-ablösepunkt) hinaus vergrößert, so verkleinert sich die Luftkraftresultierende, wirkt noch mehr nach hinten und es sind nur mehr Widerstandskräfte vorhanden. Der Auftrieb ist zerstört. Das Flugzeug befindet sich im überzogenen Flugzustand.Im Kurvenflug wird die Auftriebskraft in zwei Komponenten zerlegt, die im rechten Winkel zueinander ver-laufen. Eine Komponente wirkt horizontal, entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft, die andere wirkt senkrecht, entgegengesetzt zur Schwerkraft. Die horizontale Komponente zwingt das Flugzeug in den Kurvenflug. In einer sauber geflogenen Kurve muß diese Komponente gleich der Zentrifugalkraft sein, damit das Flugzeug nicht nach außen schiebt oder nach innen schmiert.Wird die Querlage des Flugzeugs in einer Kurve zu gering gewählt, so reicht die horizontal wirkende Kom-ponente nicht aus, um die Zentrifugalkraft aufzuheben, das Flugzeug schiebt nach außen und außerdem geht es in den Steigflug über, da die senkrecht wirkende Komponente des Auftriebs stärker ist als die Schwerkraft. Bei zu steiler Querneigung entsteht der genau gegenteilige Effekt, das Flugzeug schmiert nach innen und geht in den Sinkflug über. Fängt man ein Flugzeug aus dem Sturzflug ab, so wirkt die resultierende Zentrifugal-kraft in die selbe Richtung wie die Schwerkraft und die beiden Kräfte addieren sich (große Belastungen für das Flugzeug).

Wir setzen WKin und WDruck wegen des Energieerhaltungssatzes gleich:

Aufgrund dieser Beziehung ist der Satz bewiesen. Die Formel sagt aus, dass die Summe

von statischem Druck p und dem dynamischen Druck (Staudruck) gleich groß sind.

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Beziehung zwischen Anstellwinkel und Auftrieb

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Richtung der anströmenden Luft (Anblasrichtung) und der Profilsehne des Tragflügels (nicht zu verwechseln mit dem Einstellwinkel, welcher jener Winkel zwischen Flugzeuglängsachse und Profilsehne ist - kann nicht verstellt werden). Wenn dieser Anstellwinkel 0 Grad betrüge, so würde der Druck unterhalb des Tragflügels gleich dem Druck der Atmosphäre sein und der ge-samte Auftrieb würde durch den Unterdruck (Sog) an der Oberseite erzeugt werden. Wenn der Anstellwinkel vergrößert wird, nimmt der positive Druck an der Unterseite des Tragflügels immer mehr zu. Gleichzeitig vergrößert sich der Unterdruck (Sog) an der Oberfläche immer mehr, weil die effektive Wölbung des Tragflü-gels durch den vergrößerten Anstellwinkel zugenommen hat; die Luftströmung wird gezwungen, einen noch größeren Weg auf der Oberseite des Profils zurückzulegen. Aus dieser größer gewordenen Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Profils ergibt sich eine größere nach oben wirkende Kraft - Auftrieb und Widerstand werden größer.Bei Anstellwinkeln von ungefähr 16 bis 20 Grad kann die Luftströmung nicht länger als laminare Grenz-schichtströmung der Oberseite des Profils folgen, weil eine zu große Richtungsänderung der Luftströmung erforderlich wäre. Sie wird jetzt gezwungen, vom oberen Punkt des Profils (Grenzschichtablösungspunkt) geradeaus nach hinten zu strömen. Das bewirkt eine Verwirbelung der Luftströmung auf der Oberseite des Profils, weil sie weiterhin dazu tendiert, der Oberfläche des Tragflügels zu folgen - es entsteht eine turbulente Strömung. Das Flugzeug befindet sich nun im ‚überzogenen Flugzustand‘, das Flugzeug verliert durch die plötzliche Verringerung an Auftrieb und die starke Zunahme an Widerstand an Höhe und stürzt ab.

Beziehung zwischen schub und widerstand im horizontalflug

Im Horizontalflug bei konstanter Geschwindigkeit sind Schub und Widerstand ausgeglichen. Wenn der Pro-pellerschub im Horizontalflug erhöht wird (größere Drehzahl), übertrifft die Schubkraft die Widerstandskraft und die Eigengeschwindigkeit nimmt zu. Dies bewirkt aber auch eine starke Zunahme des Widerstandes (wächst mit zunehmender Geschwindigkeit im Quadrat!) und die Beschleunigung hält so lange an, bis sich Schubkraft und Widerstandskraft bei einer bestimmten Geschwindigkeit wieder ausgleichen - das Flugzeug nimmt wieder eine konstante Geschwindigkeit ein.

Die richtige Beladung des Flugzeugs

der schwerpunkt

Der Schwerpunkt eines Flugzeuges ist der Massenmittelpunkt des Flugzeugs, das heißt, es ist der Punkt des Flugzeugs, bei dem es sich im Gleichgewicht befindet. Ein Flugzeug befindet sich im perfekten Gleichge-wicht, wenn alle Einzelgewichte so verteilt sind, daß es weder nach vorne noch nach hinten abkippt, wenn es am Schwerpunkt frei aufgehängt wird.Da es in der Praxis nicht so einfach ist, ein Flugzeug so genau zu beladen, daß es sich im perfekten Gleichge-

In einem Flugzeug kann an verschiedenen Stellen Zuladung in Form von Kraftstoff, Gepäck und Personen untergebracht werden. Diese Zuladestellen werden bei der Berechnung der Schwerpunktlage (Ladeplan) als Stationen bezeichnet. Jede der Zuladestationen wird von einer Bezugsebene (entweder Spinnernase oder Brandschott) aus genau ausgemessen und festgelegt. Das Maß von der Bezugsebene zur Station stellt einen sogenannten Hebelarm dar. An der Zuladestation (Ende des Hebelarms) wird durch die Beladung eine Kraft (die Masse der Zuladung) wirksam.

Alle relevanten Einzelgewichte werden addiert (im Beispiel: 1047 kg). Ihre Summe darf nicht das zulässige Abfluggewicht überschreiten (im Beispiel: 1090 kg - laut Flughandbuch). Die Einzelgewichte sind: Gewicht des leeren Flug-zeuges, der Piloten, Passagiere, Gepäck, Fracht, Treibstoff usw.Für jede dieser Positionen ist im Flughandbuch die Länge des Hebelarmes (meist in cm), also die Entfernung vom Bezugspunkt angegeben (im Beispiel: 217 cm für Pilot und Copilot). Für die verschiedenen Sitzreihen sind unterschiedli-che Hebelarme und Momente angegeben, ebenso für die verschiedenen Gepäckräume.Durch Multiplikation von Gewicht und Hebelarm errechnet man das Moment (im Beispiel: Pilot und Co-pilot wiegen zusammen 150 kg x 217 cm = 32580 kg-cm). Die so errechneten Momente für die einzelnen Ladestationen werden zusammenaddiert. So erhält man die Summe der Momente (im Beispiel: 240749).Die Gesamtschwerpunktlage ergibt sich nun nach der Division von Gesamtmoment durch Gesamtgewicht.

wicht befindet, legt der Konstrukteur des Flugzeugs einen ‚zulässigen Schwerpunktbereich‘ festgelegt, in dem sich der Schwerpunkt befinden muß.Ist ein Flugzeug so beladen, daß der Schwerpunkt vor dem zulässigen Bereich liegt, weist es folgende ungüns-tige Eigenschaften auf:

• Starke Belastung des Bugrads (Bei Flugzeugen mit Heckrad - Überschlagstendenz)• Schlechtere Flugleistungen• Höhere Überziehgeschwindigkeit• Höherer Steuerdruck am Höhenruder

Ist das Flugzeug so beladen, daß der Schwerpunkt hinter dem zulässigen Bereich liegt, weist es folgende ge-fährliche Eigenschaften auf:

• Schlechtere statische und dynamische Längsstabilität• In bestimmten Flugzuständen (z. B. Strömungsabriß) ist das Flugzeug nur sehr schwer oder gar nicht zu

kontrollieren• Gefährliches Überziehverhalten• Kaum spürbarer Steuerdruck am Höhenruder. Das Flugzeug kann deshalb unbeabsichtigt überlastet

werden (zu hohe G Belastung)

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Schwerpunktlage [cm] = Gesamtmoment [cm-kg]

Gesamtgewicht [kg]

(Im Beispiel: 240749 kg cm / 1047 kg = 229,9 cm)

Beispiel für eine schwerpunktberechnung bei einem leichtflugzeugStation Gewicht Hebelarm Moment

[kg] [cm] [kg-cm]Leeres Flugzeug (empty weight) 651 215 139965

Pilot und Copilot 150 217 32580Passagier 1 und 2 75 300 22500

Gepäckraum 35 362 12670Tank 190 Liter (136,8 kg) 241 32969

summe 1047 240749

In unserem Beispiel ist laut Flughandbuch die zulässige Grenzlage für den Schwerpunkt: vorne 227,3 cm, hinten 241,9 cm (CG range; Spanne für die Verschiebung des Schwerpunktes). Also liegt der errechnete aktu-elle Wert für den Schwerpunkt mit 229,9 cm im zulässigen Bereich.Das maximal zulässige Startgewicht von 1090 kg (laut Flughandbuch) wird bei einem aktuellen Startgewicht von 1047 kg nicht überschritten - unser Flugzeug kann starten.

Die verschiedenen Arten von Widerständen

An jedem von Luft umströmten Körper entsteht Widerstand wobei aber nur unter betimmten Vorrausset-zungen auch Auftrieb erzeugt wird.

dieser luftwiderstand ensteht grundsätzlich durch reibung der luftteilchen untereinander oder an der oberfläche des umströmten körpers.

Der Widerstand im Allgemeinen unterscheidet sich in verschiedenen Widerstandsarten:

der Formwiderstand Je nach Größe und Anströmrichtung erzeugen verschiedene Körper Verwirbelungen, die den Druckwi-derstand bilden. So haben verschieden geformte Körper mit gleicher Stirnfläche auch verschiedene Wider-standsbeiwerte.Die für den Flug notwendige Auftriebskraft wird also vom Tragflügel erzeugt. Dieser Tragflügel hat, betrach-tet man den Querschnitt des Flügels, eine gewölbte, tropfenförmige Profilform. Die Eigenschaften eines Profils werden mit folgenden Parametern angegeben:

Bei all diesen Formen außer der Kugel hängt der Widerstandsbeiwert von der Anblasrichtung, also vom An-stellwinkel, ab. Der Cw-Wert ist jedoch abhängig von Luftdichte und Strömungsgeschwindigkeit.

der reibungswiderstandoder Grenzschichtwiderstand.Die Oberfläche spielt hier eine große Rolle. Eine raue Oberfläche, z.B. durch Schmutz oder Insektenbeschlag, führt zu einer dickeren, turbulenten Grenzschicht in der auf Grund unterschiedlicher Teilchengeschwindig-keiten Reibungskräfte auftreten. Dadurch entsteht erheblich mehr Reibungs- und Grenzschichtwiderstand als an glatten Oberflächen.

der profilwiderstandDer Gesamtwiderstand des Profil setzt sich aus Druckwiderstand und Reibungswiderstand zusammen.

der induzierte widerstandWie zuvor bereits erläutert, erzeugt der Tragflügel Unterdruck an der Flügeloberseite bzw. Überdruck an der Flügelunterseite. Am Flügelende hat die Luft das Bestreben diese Druckunter-schiede wieder auszugleichen. Einem physikalischen Grund-satz zu Folge strömt daher hoher Druck immer zu niederen Druck, an unserer Tragfläche von unten nach oben. Es entsteht durch diesen Druckausgleich eine zum Flügelinneren gerichte-te Rotationsbewegung. Durch die gleichzeitige Vorwärtsbewe-gung entstehen sogenannte Wirbelzöpfe, oder Wirbelschleppen, dessen Bildung sehr viel Energie verbraucht und deshalb auch einen nicht unerheblichen Widerstand erzeugt. Diesen Widerstand nennt man den indu-zierten Widerstand, (IW), oder Randwiderstand.

Cw = 2 • Fw

ρ • v2 • A

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Die Größe des induzierten Widerstands hängt dabei von folgenden Faktoren ab:

vom Auftrieb, und damit auch vom Anstellwinkel, denn je größer der AW desto höher die Auftriebser- zeugung und damit auch der IW. der Fluggeschwindigkeit, z.B. im Kurvenflug mit hohen AW und Mindest- geschwindigkeit ist der IW größer als im Schnellflug mit kleinen AW und kleineren Auftriebsbeiwerten. der Streckung, dem Verhältnis aus Spannweite (b) und mittlerer Flü- geltiefe (tm). Ein hoch gestreckter, schlanker Flügel erzeugt einen geringeren IW als ein kurzer, breiter und daher mit kleiner Streckung gebauter Flügel.

Zusammenfassend setzt sich der Widerstand der Tragfläche aus Formwiderstand, Reibungswiderstand, Profilwiderstand

und induziertem Widerstand zusammen.

der interferenzwiderstand und gesamtwiderstandRumpf / Tragflächenübergänge, Rumpf / Höhenruderübergänge, Beschläge usw. erzeugen ebenso Wider-stand. An diesen Stellen beeinflussen sich z.B. Rumpfströmungen und Tragflächenströmung gegenseitig. Verwirbelte Luftteilchen am Rumpf stören hier Teile der Strömung an der Tragfläche oder des Leitwerks im Bereich der Übergänge und umgekehrt. Hier entsteht der Interferenzwiderstand. Der Gesamtwiderstand des Flugzeugs ist meist größer als die Summe der Widerstände der Einzelbauteile. Die Ursache liegt in der Über-lagerung von einzelnen Störungen durch die weiterer Widerstand entsteht. Die Differenz zwischen Gesamt-widerstand und der Summe der Einzelwiderstände ist der Interferenzwiderstand.

der restwiderstandJener Widerstand der nicht zur Auftriebserzeugung dient, wird als Restwiderstand bezeichnet.

Flügelwiderstand + Restwiderstand = Gesamtwiderstand

Die Kräfte am Flugzeugluftkraft und druckpunktBezogen auf den ganzen Flügel wirken die Auftriebs - u. Widerstandskräfte nicht an einem gewissen Punkt, sondern sind vielmehr in einem gewissen Verhältnis auf den ganzen Flügel verteilt.Zur einfacheren Definiti-on bestimmt man daher einen Punkt, den Druckpunkt, an dem die Summe dieser Kräfte, die Luftkraft, wirkt.

druckpunktwanderung Je nach Anstellwinkel verändert sich auch die Lage des Druckpunkts. Dieser wandert nach vorne, wenn der Anstellwinkel größter wird. Die Druckpunktwanderung hat nun einen großen Einfluss auf die Flugstabilität.

kräfte im Flug

Bei Segelflugzeugen wird eine Teilkraft (Zugkraft) der Gewichtskraft benötigt, um den für den Gleitflug nöti-gen Vortrieb zu erzeugen. Bei konstanter Geschwindigkeit ist die Luftkraft so groß wie die Gewichtskraft, nur wirken beide gegeneinander.

Durch die nach vorne geneigte Flugbahn des Segelflugzeugs kann die Auftriebskraft aber nur einen Teil der Gewichtskraft, die Gewichtskraftkomponente, ausgleichen. Aus der Differenz der beiden Kräfte entsteht die Zugkraft, die als Vortrieb genutzt wird. Vergrößert man die Fluggeschwindigkeit, so erhöht sich auch die Widerstandskraft. Um diese Geschwindigkeit jedoch beizubehalten muss der Vortrieb erhöht werden. Dies kann nur durch eine steilere Flugbahn erreicht werden. Ein stationärer Horizontalflug lässt sich mit einem Segelflugzeug nicht durchführen. Steigt es jedoch im Aufwind, so kann die zugeführte Energie in Fahrt oder zum Ausgleich des Höhenverlustes umgewandelt werden .Der Gleitwinkel errechnet sich aus dem Verhältnis aus Widerstands - und Auftriebskraft.

Im Motorflug wird Vortrieb (Zugkraft) durch Motorleistung erzielt, nicht wie bei einem Segelflugzeug, bei welchem es sich weit aus komplizierter verhält. Hier wird die Gewichtskraft vollständig von der Auftriebs-kraft ausgeglichen und die resultierende Luftkraft wirkt der resultierenden Gewichtskraft entgegen. Ohne Motorkraft verhält sich ein motorgetriebenes Luftfahrzeug jedoch wie ein Segelflugzeug im Gleitflug.

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Steuerorgane (Ruder) und Stabilität des Flugzeuges

Die Achsen eines FlugzeugsEin Flugzeug kann sich wäh-rend des Fluges um drei Achsen drehen. Wenn man die Fluglage eines Flugzeugs ändert, dreht es sich immer um eine oder meh-rere Achsen. Alle drei Achsen schneiden sich im Schwerpunkt des Flugzeuges und jede einzelne Achse verläuft rechtwinkelig zu den beiden anderen.

Die QuerruderDie Querruder sind bewegliche Steuerflächen, die Drehungen des Flugzeugs um die Längsachse ( längs des Rumpfes) ermöglichen. Diese Bewegung wird Rollen genannt. Bei Betätigung der Querruder erfolgt ein doppelter und entgegengesetzter Ruderausschlag. Gib man zum Bei-spiel Querruder nach rechts, so geht das rechte Querruder nach oben, während das linke nach unten klappt. Der Tragflügel mit dem nach unten geklappten Ruder wird nach oben gehoben, weil der Auftrieb durch das nach unten ausgeschlagene Querruder erhöht wird. Der Tragflügel mit dem nach oben ausgeschlagenen Querruder senkt sich nach unten, weil der Auftrieb durch die Verminderung der Profilwölbung kleiner wird. Das Flugzeug rollt nun um seine Längsachse und nimmt eine dem Ruderausschlag entsprechende Quernei-gung (Schräglage) ein.

Das SeitenruderDas Seitenruder ermöglicht Bewegungen um die Hochachse und ist auch bei kleinen Geschwindigkeiten wirksam. Man nennt diese Drehung um die Hochachse ‚Gieren‘ oder ‚Wenden‘. Das Seitenruder ist hinter der Seitenflosse so angebracht, daß es sich frei nach links und rechts bewegen kann. Bewegt sich das Steuerruder nach rechts, so bildet es mit der Seitenflosse ein gewölbtes Profil. An der Oberseite des Profils (links) ent-steht eine Luftkraft, die quer zur Längsachse am Seitenruder angreift und das Heck des Flugzeugs nach links zwingt, während die Nase nach rechts giert.Gibt man zum Beispiel Seitenruder rechts, so wendet sich die Nase (Bug) des Flugzeuges zwar nach rechts, aber aufgrund der Massenträgheit fliegt das Flugzeug erst einmal geradeaus weiter - es schiebt schräg in die ursprüngliche Flugrichtung weiter. Gleichzeitig tritt das sogenannte Wenderollmoment - Das Flugzeug rollt zusätzlich zur Drehung um die Hochachse um die Längsachse nach rechts - in Erscheinung. Dieser Effekt entsteht dadurch, daß der linke Tragflügel vorauseilt und dadurch mehr angeströmt wird als der zurückblei-bende rechte Tragflügel, dadurch erzeugt er einen größeren Auftrieb als der recht Tragflügel und geht nach oben.

Das HöhenruderDas Höhenruder ermöglicht Bewegungen des Flugzeugs um die Querachse. Die durch das Höhenruder her-vorgerufene Bewegung um die Querachse wird ‚Nicken‘ oder ‚Kippen‘ genannt. Das Höhenruder ist hinter der Höhenflosse frei beweglich nach oben und unten aufgehängt. Zusammen mit der Höhenflosse bildet das Höhenruder ein Profil, das dem Tragflügel ähnelt. Steuerausschläge des Höhenruders nach unten oder nach oben verändern die Wölbung dieses Profils und verursachen entweder Auftriebserhöhung oder Auftriebsver-minderung am Höhenleitwerk. Klappt das Höhenruder nach oben, so bildet es mit der Höhenflosse ein nach unten gewölbtes Profil, welches negativen Auftrieb ( =‚ Abtrieb‘) erzeugt. Die nach unten gerichtete Luftkraft am Höhenleitwerk bewirkt ein Kippmoment um die Querachse nach oben - die Flugzeugnase richtet sich auf, während das Heck des Flugzeuges nach unten geht.

Schlägt das Höhenruder nach unten aus, erhält das Profil Höhenflosse- Höhenruder eine ausgeprägte Wöl-bung nach oben, der Auftrieb am Höhenleitwerk wird erhöht und das Heck hebt sich nach oben, während der Bug nach unten kippt.

Mit dem Höhenruder lässt sich der Anstellwinkel des Flugzeuges kontrollieren.

Die TrimmruderTrimmruder oder Trimmklappen sind kleine, vom Flugzeugführer während des Fluges beeinflußbare Ruder, die an der Hinterkante der Querruder, des Seitenruders oder des Höhenruders durch Scharniere angebracht sind. Sie sollten - wenn nötig - den Einstellwinkel der Flosse oder des Ruders während des Fluges ändern. Wird der Einstellwinkel der Flosse direkt verändert, so spricht man von einer Flossentrimmung.Bei der Rudertrimmung verwendet man am entsprechenden Ruder ein kleines Hilfsruder, das Ausgleichs- oder Trimmruder genannt wird. Die drei üblichen Arten solcher Ruder sind das normale Trimmruder, das Flettnerruder und die Bügelkante.Bügelkanten sind fest entsprechenden Ruder angebracht und müssen vor Antritt des Fluges am Boden einge-stellt werden. Man findet sie vorwiegend am Querruder oder am Seitenruder.

Beispiel: Ein Flugzeug „hängt“ während des Fluges ständig nach rechts. Das Trimmruder ist am linken Quer-ruder angebracht. In diesem Fall muß das Trimmblech am linken Querruder nach unten gebogen werden, damit hier ein kleiner Querruderausschlag nach oben erfolgt und der rechte Tragflügel angehoben wird.

Genauso kann man auch das Seitenruder mit diesen Trimmblechen beeinflussen, falls das Flugzeug immer wieder in eine Richtung giert.

Die „dynamische Stabilität“Während die statische Stabilität etwas über die Tendenz eines Körpers aussagt, nach einer Störung des Gleichgewichts wieder in den Gleichgewichtszustand zurückzukehren, bezieht sich die ‚dynamische Stabili-tät‘ auf den Verlauf der Bewegung nach der Störung des Gleichgewichts in einer bestimmten Zeit.Ein Flugzeug ist dann dynamisch stabil, wenn man es gut ausgetrimmt etwas andrückt, dann den Steuer-knüppel losläßt und es pendelt sich selbst wieder in die ursprüngliche Fluglage ein. Drückt man ein dyna-misch indifferentes Flugzeug etwas an und läßt dann den Steuerknüppel los, so führt das Flugzeug immer

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wieder gleich große Schwingungen auf der nun folgenden Flugbahn aus. Es kehrt also nicht ohne Korrektur des Piloten in seine ursprüngliche Fluglage zurück. Ein dynamisch labiles oder instabiles Flugzeug verhält sich nach seiner Störung um die Querachse noch heftiger. Drückt man ein solches Flugzeug etwas an und überläßt es dann sich selbst, so werden die Schwingungen immer größer, bis schließlich die Strömung abreißt und das Flugzeug abstürzt.

QuellenAngABen:

Deutsche Wikipediawww.thuro.at

Private Pilot License (PPL) Studiumscriptenwww.fundus.org

Copyright © by Simon Bernt, 2012

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