Wie fliegt ein Flugzeug?

Bei Pie Aeronefs bauen wir das erste elektrische Rennflugzeug der Schweiz: die UR-1. Aber was wissen Sie über die Dynamik des Fliegens?

Laut vielen Forschern und Wissenschaftlern ist es derzeit unmöglich, vollständig zu erklären, wie ein Flugzeug fliegt. Aber keine Angst, das bereits vorhandene Wissen ist mehr als ausreichend, um Sie auf die andere Seite der Welt zu bringen.

In diesem Artikel werden wir Ihnen kurz und einfach die Grundlagen des Fliegens erklären.

Vier Kräfte

Es gibt vier Kräfte, denen ein Flugzeug während des Fluges ausgesetzt ist: Schwerkraft (gravity), Auftrieb (lift), Luftwiderstand (drag) und Schub (thrust).

Schwerkraft

Die erste Kraft, der ein Flugzeug - wie jeder andere Körper auch - ständig ausgesetzt ist, ist die Schwerkraft. Diese Kraft ist also diejenige, die das Flugzeug zum Mittelpunkt der Erde zieht und es somit auf dem Boden hält, wenn es statisch ist.

Auftrieb

Wenn ein Flugzeug auf einer Start- und Landebahn beschleunigt, strömt die Luft immer schneller um den Flügel herum. Die Form und Profil des Flügels bewirkt, dass die Luft an der Oberseite (dem sogenannten Obersegel) einen längeren Weg zurücklegen muss, um zu strömen, als die Strömung an der Unterseite.

Da der obere Luftstrom in der gleichen Zeit mehr Strecke zurücklegen muss, muss er sich beschleunigen. Dies führt dazu, dass sowohl der Druck als auch die Temperatur lokal sinken.

Der Druckunterschied zwischen der Unterseite (leichter Überdruck) und der Oberseite (Unterdruck) erzeugt also eine nach oben gerichtete Kraft. Sobald die Luft schnell genug um den Flügel herum strömt, reicht die Auftriebskraft aus, um der Schwerkraft entgegenzuwirken: das Flugzeug fliegt.

Schub

Um zu beschleunigen und sich fortzubewegen, muss ein Flugzeug eine Kraft erzeugen, die man Schub nennt. Diese wird durch ein oder mehrere Triebwerke erzeugt. Ähnlich wie bei Landfahrzeugen, bei denen die Kraft des Motors direkt auf die Räder übertragen wird, muss sich ein Flugzeug über die Luft ziehen oder antreiben.

Egal, ob das Flugzeug mit einem Kolbenmotor und Propeller, einem Turbofan oder einem Staustrahltriebwerk ausgestattet ist, das Prinzip ist immer das gleiche: Luft wird nach hinten beschleunigt. Durch das Phänomen der Aktion und Reaktion wird das Flugzeug dann nach vorne beschleunigt.

Luftwiderstand

Während der Schub das Flugzeug beschleunigt und dann die Geschwindigkeit beibehält, gibt es eine vierte Kraft, mit der es konfrontiert wird: den Luftwiderstand. Kurz gesagt ist der Luftwiderstand die Reibung, der ein Flugzeug während des Fluges ausgesetzt ist.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Luftwiderstand.

• Parasitärer Luftwiderstand: Er entspricht der Reibung der Luft an der Flugzeugkarosserie und ihren Unebenheiten. Er nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu.
• Induzierter Luftwiderstand: Der induzierte Luftwiderstand ist eine Reibung, der ein Flügel ausgesetzt ist, wenn er einen hohen Auftriebskoeffizienten erzeugen soll, d. h. ein Maximum an Druckdifferenz zwischen Unter- und Oberseite erzeugen soll. Denn je grösser der Unterschied, desto mehr tendiert die überdruckbeaufschlagte Luft dazu, auf der Oberseite aufsteigen zu wollen, was Reibung verursacht. Je schneller das Flugzeug ist, desto grösser ist die Differenz und desto geringer ist der induzierte Luftwiderstand.

Gleichgewicht zwischen den Kräften

Befindet sich ein Flugzeug im geradlinigen Horizontalflug, gleichen sich die Kräfte aus: Der Schub ist gleich dem Luftwiderstand, der Auftrieb gleich der Schwerkraft.

Wenn sich das Flugzeug dreht, die Höhe oder die Geschwindigkeit ändert, kommt es zu einer Veränderung einer oder mehrerer Kräfte, und nach einer Weile wird das Flugzeug wieder stabil.

Vereinfachtes Beispiel: Bei einem geradlinigen Flug in der Ebene erhöht der Pilot die Motorleistung. Das Flugzeug wird anfangs beschleunigen, da der Schub grösser ist als der Luftwiderstand. Wenn wir uns die obige Grafik anschauen, erkennen wir, dass das Flugzeug umso mehr Luftwiderstand hat, je schneller es ist. An einem bestimmten Punkt wird das Flugzeug also wieder ins Gleichgewicht kommen; es wird nicht mehr beschleunigen und sich mit einer neuen, konstanten, schnelleren Geschwindigkeit fortbewegen.

Fortgeschrittenes Wissen

Der Strömungsabriss

Wir haben gesehen, dass ein Flugzeug nur dann fliegen kann, wenn der Flügel Auftrieb erzeugt. Dieser entsteht, wenn Luft auf der Oberseite beschleunigt wird.

Wenn wir eine Linie von ziehen Vorderkante au Hinterkante, erhalten wir das sogenannte a aerodynamisches Seil. Der Winkel zwischen einem Luftstrom und der Sehne heißt a Einfallswinkel.

Wenn ein Flugzeug fliegt und seinen Anstellwinkel vergrössert, erhöht es auch den Auftriebskoeffizienten; d. h. der Druckunterschied zwischen Unter- und Oberseite wird grösser.

Es kommt jedoch ein Punkt, an dem der Druckunterschied so gross wird, dass die Strömung unter dem Flügel dazu neigt, an der Hinterkante wieder auf die Oberseite zu gelangen. Dies hat zur Folge, dass sich die Luftströmung von der Flügeloberfläche zu lösen beginnt: Der Flügel trägt nicht mehr, er stürzt ab.

Die Grafik unten zeigt die Zunahme des Auftriebs im Verhältnis zum Anstellwinkel. Ab einem bestimmten Punkt beginnen sich die Strömungen zu trennen, der Auftrieb nimmt ab, bis der Flügel vollständig abreisst: Es gibt keinen Auftrieb mehr.

Die Flugachsen

Es gibt drei Achsen, um die sich ein Flugzeug bewegt.

• Die Querachse, nämlich die Nickbewegung (Pitch): Sie ermöglicht es dem Flugzeug, die Nase nach oben oder unten zu neigen und somit zu steigen oder zu sinken.
• Die Rollachse (roll): Sie ermöglicht es dem Flugzeug, die Flügel nach links oder rechts zu neigen und damit Kurven einzuleiten.
• Die Gierachse (yaw): Sie ermöglicht es dem Flugzeug, das Heck nach links oder rechts zu drehen. Diese Achse wird hauptsächlich dazu verwendet, um Kurven zu koordinieren oder eine Krebslandung durchzuführen.

Die Steuerflächen

Um das Flugzeug in ein Manöver wie das Einleiten einer Kurve zu bringen, müssen die Steuerflächen betätigt werden. Diese werden vom Piloten mithilfe eines U-förmigen Lenkers (Yoke) oder eines Steuerknüppels (Stick) gesteuert. Diese Steuerung beeinflusst das Nicken und das Rollen. Das Seitenruder beeinflusst das Ruder.

• Das Nicken wird durch das Höhenruder über den Steuerknüppel erzeugt.
• Das Rollen wird von den Querrudern über den Steuerknüppel erzeugt.
• Das Gieren wird vom Ruder über das Seitenruder erzeugt.

Funktionsweise

Nachdem wir nun die grundlegende Funktionsweise eines Flügels kennengelernt haben, können wir mehr über die Flugflächen erfahren, z. B. eine Linkskurve mithilfe der Querruder.

Wenn wir den Steuerknüppel zum Drehen betätigen, wird das rechte Querruder nach unten gezogen. So wird durch das Absenken des Querruders der Anstellwinkel vergrössert. Diese Erhöhung ist direkt mit dem Auftriebskoeffizienten gekoppelt: Der rechte Flügel hebt sich.

Umgekehrt hebt sich das Querruder des linken Flügels, der Anstellwinkel verringert sich, der Auftrieb wird reduziert und der linke Flügel senkt sich.

So dreht sich das Flugzeug um seine Längsachse nach links und kann eine Kurve einleiten.

Dieser Mechanismus zur Veränderung des Seitenruders funktioniert natürlich für jede Flugfläche. Das Höhenruder ermöglicht es dem Flugzeug, den Schwanz zu senken oder zu heben, um die Nickbewegung zu variieren. Das Seitenruder ermöglicht es dem Flugzeug, sich um seine vertikale Achse zu drehen: das Gieren.

V-Tail

Aber wie funktioniert das berühmte V-Tail, mit dem das erste Schweizer Rennflugzeug mit 100 % Elektroantrieb, die UR-1, ausgestattet ist?

Die Fortsetzung folgt in einem der nächsten Artikel.