Flugzeug

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Einleitung

Flugzeug, Sammelbegriff für ein Luftfahrzeug, das (im Gegensatz zum Ballon oder zum Luftschiff) schwerer ist als Luft, normalerweise mechanisch angetrieben und durch die dynamische Wirkung des Luftstromes auf die Starrflügelflächen getragen wird (siehe Aerodynamik). Zu den weiteren Typen von Luftfahrzeugen, die schwerer als Luft sind, gehören das Segelflugzeug, das gleichfalls mit Starrflügelflächen ausgestattet ist, aber keinen Eigenantrieb hat, und die so genannten Drehflügler, die mechanisch angetrieben und von oberhalb des Fahrzeuges angebrachten Rotoren getragen werden (siehe Autogiro; Hubschrauber). Ein weiterer Typ ist der Schwingenflügler, der von Flatterflügeln getragen und angetrieben wird. Bisher hat man nur spielzeuggroße Schwingenflügler erfolgreich entwickelt, Versuche mit größeren Modellen blieben erfolglos. (Zur Geschichte der Luftfahrzeuge, die schwerer als Luft sind, siehe Luftfahrt.)

Im Allgemeinen steht der Begriff Flugzeug für Luftfahrzeuge, die von Land aus betrieben werden. Andere Arten von Flugzeugen sind u. a. das trägergestützte Flugzeug (Flugzeugträger), das Wasserflugzeug sowie das Amphibienflugzeug. Der wesentliche Unterschied besteht im Aufbau der Landevorrichtung. Das trägergestützte Flugzeug hat am Rumpfende einen Haken zum Befestigen einer Trosse, die über das Deck gespannt ist, um das Flugzeug nach der Landung zum Stehen zu bringen. Beim Wasserflugzeug werden anstelle des bei Landflugzeugen üblichen Radfahrwerkes Schwimmer verwendet. Bei dem als Flugboot bekannten Typ von Wasserflugzeug ist der Rumpf wie ein Schiffsrumpf konstruiert, ähnlich dem eines seetüchtigen Schiffes. Er dient dazu, das Flugzeug schwimmfähig zu machen. Das Amphibienflugzeug ist sowohl mit einem Radfahrwerk als auch mit einem Rumpf oder mit Schwimmern ausgestattet, um den gleichermaßen effektiven Einsatz zu Land und zu Wasser zu ermöglichen. Vor dem 2. Weltkrieg wurden Flugboote für Militärtransporte und für den Handel zwischen den Kontinenten verwendet. Diese Flugzeuge erreichten nur geringe Flug- und Landegeschwindigkeiten. Weniger gebräuchlich als das Landflugzeug ist das Amphibienflugzeug, das wegen seines doppelten Unterbaus noch langsamer ist. Für leichte Sportflugzeuge gibt es amphibische Schwimmer. Herkömmlichen Schwimmern im Allgemeinen ähnlich, haben diese ein in der Mitte eingelassenes Rad. Das Rad ragt nicht weit genug heraus, um beim Schwimmen im Wasser viel Reibungswiderstand zu erzeugen, aber es steht weit genug hervor, um eine Landung mit Fahrwerk auf Rollbahnen mit fester Oberfläche oder auf kurz geschnittenem Gras zu ermöglichen.

Zu den besonderen Flugzeugen gehören das VTOL-Flugzeug (Senkrechtstart- und -landeflugzeug), das STOL-Flugzeug (Kurzstartflugzeug) und das Wandelflugzeug. Das VTOL-Flugzeug ist ein Flugzeug, das senkrecht aufsteigen kann, sich waagerecht in Bewegung setzt und dann für die Landung die Bewegungsrichtung wieder umkehrt. Benutzt wird der Begriff VTOL nur für die Beschreibung von Flugzeugen, die ein ähnliches Betriebsverhalten wie herkömmliche Flugzeuge haben, allerdings zusätzlich über die Fähigkeit verfügen, senkrecht zu starten und zu landen. Um VTOL-Flugzeuge vom Boden aufsteigen zu lassen, werden verschiedene Vorrichtungen benutzt. Bei verschiedenen Bauarten wird der unmittelbare negative Schub von Strahltriebwerken genutzt, jedoch ist die Schuberfordernis sehr hoch. Für den direkten Auftrieb werden auch rotierende Flügel und Mantelstromgebläse verwendet, diese erzeugen aber beim waagerechten Flug einen Rücktrieb. Die Wandelflugzeuge, bei denen die Rotoren von Hubschraubern mit den Starrflügeln von Flugzeugen kombiniert sind, zeigen Ansätze für den kommerziellen Einsatz von VTOL-Flugzeugen auf kurzen Entfernungen. Sie machen den Hubschraubern unmittelbare Konkurrenz, denn mit ihnen kann man schneller fliegen.

Das STOL-Flugzeug ist ein Flugzeug, das sehr steil startet und landet und so nur eine kurze Rollbahn benötigt. Die gleiche Nutzlast vorausgesetzt, ist es effektiver in Bezug auf Treibstoffverbrauch und Leistungsanforderungen als ein VTOL-Flugzeug. Außerdem erreicht es höhere Geschwindigkeiten und kann weitere Strecken fliegen als ein Hubschrauber.

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Gesetze des Fliegens

Ein Flugzeug kann vom Erdboden abheben, weil die sich bewegende Luft eine Zirkulationsströmung um den Tragflügel (aerodynamisch geformte Fläche) erzeugt. Die Tragflügel sind so konstruiert, dass sie bei der Bewegung durch die Luft den Hauptanteil der Luftmassen nach unten wegdrücken. Der physikalische Hintergrund für dieses Phänomen lässt sich anhand des dritten Newton’schen Gesetzes (siehe Mechanik) erklären. Danach hat eine wirkende Kraft eine Gegenkraft zur Folge (Actio = Reactio). Im Beispiel des Fliegens wäre das Gewicht des Flugzeugs die Kraft, während die Gegenkraft dem so genannten Auftrieb entspricht – ausgelöst durch die nach unten weggedrückten Luftmassen.

Die Luft bewegt sich oberhalb des Flügels schneller als unterhalb des Tragflügels. Auf diese Weise wird ein Luftdruckunterschied erzeugt, nämlich hoher Druck (drückende Wirkung) unterhalb der Tragfläche und niedriger Druck (saugende Wirkung) an der Oberseite (siehe Bernoulli-Prinzip). Dieser Unterschied verstärkt den Auftrieb nach oben, wobei dessen Ausmaß vom Profil des Tragflügels, von der Grundrissfläche und von der Form der Tragfläche und ihrer Neigung zum Luftstrom abhängt.

2.1

Auftrieb

Der Auftrieb, der an einem Flügel oder einer ähnlichen Fläche entsteht, ist direkt proportional zu der dem Luftstrom ausgesetzten Grundfläche und proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Luftstromes. Außerdem ist er ungefähr proportional zur Neigung (oder zum Anstellwinkel) des Tragflügels zum Luftstrom bei Winkeln, die normalerweise im Bereich von plus und minus 14 Grad liegen. Bei größeren Winkeln ändern sich die Merkmale des Luftstromes schnell, der Luftstrom „bricht ab”, und der Auftrieb verringert sich enorm. Dann spricht man davon, dass der Tragflügel „überzogen” wurde.

Fliegt ein Flugzeug auf einem waagerechten Kurs, gleicht der von den Flügeln und den anderen Bauteilen beigetragene Auftrieb das Gewicht des Flugzeugs aus. Wenn der Anstellwinkel bei gleich bleibender Geschwindigkeit erhöht wird, wird das Flugzeug bis zu einem gewissen Grad steigen. Wird der Anstellwinkel verringert, d. h., wird der Flügel nach unten geneigt, verliert das Flugzeug an Auftrieb und beginnt zu sinken. Außerdem wird ein Flugzeug aufsteigen, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, und sinken, wenn die Geschwindigkeit verringert wird.

Im Verlauf eines Fluges ändert der Pilot des Öfteren die Geschwindigkeit und den Anstellwinkel des Flugzeuges. Diese beiden Maßnahmen werden oft gegeneinander abgewogen. Möchte der Pilot z. B. die Geschwindigkeit erhöhen, den Horizontalflug aber beibehalten, muss der Anstellwinkel verringert werden, um den zusätzlichen Auftrieb auszugleichen, der durch die Geschwindigkeitserhöhung des Flugzeuges verursacht wird.

In Vorbereitung auf die Landung muss der Pilot das Flugzeug nach unten bewegen und gleichzeitig dessen Geschwindigkeit so weit wie möglich verringern. Um einen Ausgleich für den beträchtlichen Auftriebsverlust, der sich aus der Verringerung der Geschwindigkeit ergibt, zu erreichen, sorgt der Pilot für zusätzlichen Auftrieb, indem er die Tragflügelfläche, die nutzbare Wölbung und den Anstellwinkel verändert. Dazu werden Hochhebevorrichtungen verwendet, die man Spreizklappen nennt, große Flügelverbreiterungen, die sich an der Tragflächenhinterkante befinden. Die meisten Spreizklappen werden normalerweise während des Reisefluges in den Tragflügel eingeklappt. Möchte der Pilot zusätzlichen Auftrieb erreichen, klappt er die Spreizklappen nach außen und nach unten. Manchmal befinden sich auch an der Tragflächenvorderkante Hochhebevorrichtungen.

2.2

Rücktrieb

Faktoren, die während des Fluges zum Auftrieb beitragen, erzeugen auch unerwünschte Kräfte, die man Rücktrieb nennt. Der Rücktrieb ist die Kraft, die dazu beiträgt, die Bewegung des Flugzeuges durch die Luft zu verzögern. Ein Teil des Rücktriebs ist die Folge des Widerstandes der Luft gegenüber Körpern, die sich in ihr bewegen, und hängt von der Form und der Ebenheit ihrer Oberfläche ab. Man kann ihn verringern, indem man das Flugzeug stromlinienförmig gestaltet. Bei einigen Bauarten gibt es auch Vorrichtungen zur Verringerung des durch Reibung entstandenen Luftwiderstandes, mit denen der Oberflächenluftstrom in so genannter „Schichten”-Form beibehalten wird.

Eine andere Form des Rücktriebs jedoch, die als induzierter Widerstand bekannt ist, ist die unmittelbare Folge des durch die Tragfläche erzeugten Auftriebs. Um den Auftrieb zu erreichen, muss Arbeit verrichtet werden, und der induzierte Widerstand ist das Maß dafür. Der Energieaufwand äußert sich in der Form von Wirbeln oder Strudeln, die sich entlang der Tragflächenhinterkante und besonders an den äußeren Enden, oder Flügelspitzen, bilden.

Flugzeugkonstrukteure entwickeln Flugzeuge mit dem bestmöglichen Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb, das erreicht wird, wenn der auf die Form zurückzuführende Rücktrieb gleich dem durch den Auftrieb induzierten Widerstand ist. Durch Faktoren wie z. B. die Geschwindigkeit und das zulässige Gewicht des Flugwerkes werden dem Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb Grenzen gesetzt. Ein Transportflugzeug mit Unterschallgeschwindigkeit hat vielleicht ein Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis von etwa 20, während das eines Hochleistungssegelflugzeuges doppelt so hoch ist. Auf der anderen Seite verringert der zusätzliche Widerstand, der auftritt, wenn ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, das erzielte Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis auf weniger als zehn.