Zivilluftfahrt

Inhaltsverzeichnis


1. Grundlagen des Fliegens
1.1 Der Auftrieb
1.2 Der Flugzeugaufbau
1.2.1 Der Rumpf
1.2.2 Die TragflÀchen
1.2.3 Das Leitwerk
1.2.4 Das Fahrwerk

2. Technik einer modernen Verkehrsmaschine
2.1 Antrieb
2.1.1 Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk
2.1.2 Strahltriebwerke
2.1.3 Turboprop
2.3 Klapenfunktion
2.3 Energieversorgung

3. Instrumentenflug (IFR)
3.1 Navigation
3.1.1 Höhenmessung
3.1.2 Variometer
3.1.3 TrÀgheitsnavigationssystem
3.1.4 Geschwindigkeitsmessung
3.1.5 Instrumentenlandesystem
3.1.6 Autolanding
3.1.7 Satellitennavigation
3.2 Ordnung im Luftraum

4. Sicherheitseinrichtungen
4.1 Allgemein
4.2 TCAS
4.3 Enteisung

1. Grundlagen des Fliegens

1.1 Der Auftrieb
Ein Flugzeug benötigt, um fliegen zu können, eine der Erdanziehung entgegen gerichtete Kraft, da es ,,schwerer" als die umgebende Luft ist. Dies erreicht man durch das Profil der TragflĂ€che. Die Oberseite einer TragflĂ€che ist gewölbt, die Unterseite dagegen gerade bzw. leicht gewölbt. Das heißt die anströmende Luft, die sich vor der FlĂ€che teilt, hat an der Oberseite einen weiteren Weg zurĂŒckzulegen und muss daher schneller strömen als an der Unterseite. Durch diese Geschwindigkeitsdifferenz kommt ein Druckunterschied zustande. Das heißt der Druck an der Oberseite ist geringer, dies bewirkt das der FlĂŒgel gehoben wird (Auftrieb). VerstĂ€rkt wird dieses Strömungsverhalten durch eine SekundĂ€rwirkung, die den Druckunterschied weiter vergrĂ¶ĂŸert: Nachdem die Luft ĂŒber die TragflĂ€che geströmt ist, entsteht an ihrer Hinterkante ein Wirbel. Ein Gesetz der Aerodynamik besagt, dass jeder Wirbel einen Gegenwirbel erzeugt, der sich entgegengesetzt dreht. Unter der TragflĂ€che stĂ¶ĂŸt die rotierende Luft zusammen. Die Geschwindigkeit der Luftströmung nimmt ab, wodurch der Druck unter dem FlĂŒgel zunimmt. Über der TragflĂ€che bewegen sich beide Luftströmungen gleichgerichtet, und ihre kombinierte Geschwindigkeit bewirkt eine Druckverminderung. Dadurch verstĂ€rkt sich der Auftrieb. Der Auftrieb der eine TragflĂ€che erzeugt ist einerseits konstruktionsbedingt, kann aber auch durch den Piloten beeinflußt werden. Durch eine Steigerung der Triebwerksleistung wird die Geschwindigkeit und damit der Auftrieb erhöht, weil mit zunehmender Geschwindigkeit auch die Druckdifferenz wĂ€chst. Ein weiterer vom Piloten kontrollierter Aspekt ist der Winkel zwischen TragflĂ€che und der Anströmrichtung der Luft der sogenannte Anstellwinkel. Bei einem Anstellwinkel von ĂŒber 14° wird der Luftstrom zuerst turbolent und reißt schließlich. Auf diese Weise geht der Auftrieb verloren. Man nennt dies den "ĂŒberzogenen" Flugzustand, welcher auch zum Absturtz fĂŒhren kann. Das Abreißen der Strömung bei einem solchen ,,ĂŒberzogenen" Flugzustand fĂŒhrt zum Zusammenbrechen des Auftriebs und zum raschen Höhenverlust bzw. zum seitlichen Abkippen des Flugzeugs.
In der Luft entsteht infolge der Reibung noch Widerstand. Die Profile werden so gewĂ€hlt, dass sie der vorbeiströmenden Luft einen möglichst kleinen Widerstand bieten und gleichzeitig der sog. Auftriebsbeiwert den gegebenen Anforderungen entspricht. Der Auftriebsbeiwert ist eine dimensionslose GrĂ¶ĂŸe (CA), die von der Form des Profils, seinem Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit abhĂ€ngt und wird am TragflĂ€chenmodell im Windkanal ermittelt. Über das VerhĂ€ltnis von Auftrieb (CA) zu Widerstand (CW) gibt die CA/cw - Kurve fĂŒr verschiedene Anstellwinkel Auskunft. Im der optimale Anstellwinkel fĂŒr den Reiseflug liegt im allgemeinen bei etwa 4°. Der Auftrieb nimmt mit dem Quadrat der Anströmgeschwindigkeit zu, d.h. bei doppelter Anströmgeschwindigkeit steigt der Auftrieb auf den vierfachen Wert. Aus diesem Grund kommen Hochgeschwinigkeitsflugzeuge mit relativ kleinen TragflĂ€chen aus. Um einen hinreichend großen Auftrieb zu erhalten, ist also eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit der TragflĂ€chen, d. h. ein bestimmter Vortrieb des Flugzeugs erforderlich. Er wird durch den vom Flugzeugmotor angetriebenen Propeller (Luftschraube) geliefert oder durch die Schubkraft von Strahltriebwerken.

1.2 Der Flugzeugaufbau
Man kann das Flugzeug nach den Ă€ußeren Merkmalen, die bei jedem Flugzeug (bis auf einige Ausnahmen) vorhanden sind in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, TragflĂ€chen, Leitwerk, Fahrwerk
 

1.2.1 Rumpf

In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. SpĂ€ter fĂŒhrte der Wunsch nach grĂ¶ĂŸerer StabilitĂ€t und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, RĂŒmpfen, die den Strömungswiderstand verringerten.
Heute ist Hauptaufgabe des Rumpfes die Nutzlast aufzunehmen.
 

1.2.2 TragflÀchen

Eigentlich sind die TragflĂ€chen nicht am Rumpf befestigt, sondern der Rumpf wird um die TragflĂ€che gebaut. Die TragflĂ€che besteht aus einem StĂŒck! Neben der Aufgabe fĂŒr Auftrieb zu sorgen, sind in ihr eine Menge von Hydraulik Systemen fĂŒr Klappenfunktionen und Querruder (siehe ...). Der grĂ¶ĂŸte Teil ihres Volumens ist jedoch fĂŒr den Treibstoff.
Deutlich demonstriert wird die konstruktive Bedeutung der TragflĂ€che bei der Entwicklung des so genannten NurflĂŒgelflugzeuges, ein Luftfahrzeug, bei dem Rumpf und Leitwerk nahezu ganz verschwunden sind.
 

1.2.3 Leitwerk

Es besteht aus zwei RuderflÀchen, einer waagerechten und einer senkrechten FlÀche. Diese sind nötig um das Flugzeug zu stabilisieren. Zudem sind am Leitwerk noch das Seiten - und Höhenruder angebracht, um das Flugzeug steuern zu können.
 
1.2.4Fahrwerk
Zu seinen Bauteilen gehören das Fahrwerkfederbein, ein hydraulisches Bein, welches das Rad mit der TragflĂ€che oder dem Rumpf verbindet, um die ErschĂŒtterung bei der Landung zu dĂ€mpfen; der Einfahrmechanismus, der das Fahrwerk einholt und ausfĂ€hrt; die RĂ€der und die Radbremsen. Übrigens kommt es heute kaum noch vor, dass ein Flugzeug Treibstoff ablassen muss. Bei vorzeitiger Landung (Notfall) war es frĂŒher ĂŒblich Treibstoff abzulassen, weil die Fahrwerke das Gewicht beim Aufsetzen nicht ausgehalten hĂ€tten. Heute sind die Fahrwerke sehr stabil konstruiert, so dass es fast möglich ist mit einem volbetanktem Flugzeug zu Landen. 

2. Technik einer modernen Verkehrsmaschine

2.1 Antrieb

 GrundsÀtzlich gibt es drei Antriebsarten:
    Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk Strahltriebwerk Turboprop

2.1.1 Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk

Wird nur praktisch nur fĂŒr kleine Flugzeuge (Sportflugzeuge) verwendet, weil die Maximalgeschwindigkeit auf etwa 650 km/h begrenzt ist und die Leistung fĂ€llt in großen Höhen stark ab. Deshalb sind sie fĂŒr den Zivilluftverkehr ungeeignet.
 

2.1.2 Strahltriebwerke

Als Strahl - oder DĂŒsentriebwerke bezeichnet man Flugzeugtriebwerke, bei denen der erforderliche Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt wird. Der frĂŒher gebrĂ€uchlichste Typ ist das Turboluftstrahltriebwerk (Turbinen - Luftstrahltriebwerk, TL - Triebwerk). Leicht zu erkennen am kleinen Durchmesser. Durch den Einlaufdiffusor saugt ein mehrstufiger Axialverdichter Außenluft an, verdichtet sie und fĂŒhrt sie der Brennkammer zu. Dort wird Kraftstoff eingespritzt und verbrannt. Die durch die Temperatursteigerung bedingte Volumenzunahme der Gase bewirkt ein schnelles Ausströmen durch eine Turbine und die SchubdĂŒse.
FĂŒr den Antrieb von Großraumflugzeugen (Jumbo - Jet, Airbus u. a.) werden sogenannte Fan - Triebwerke (BlĂ€sertriebwerke, Zweikreistriebwerke mit hohem NebenstromverhĂ€ltnis) verwendet. Das Ă€ußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein großer, von der Turbine angetriebener ,,BlĂ€ser'' (Fan) von fast 2,50 m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist. Er bewirkt mit der ihn umgebenden Verkleidung, dass der ĂŒberwiegende Teil (70 bis 80%) der angesaugten Luftmassen (rund 650 kg pro Sekunde, d.h. rund 500 mÂł/s) als kalter SekundĂ€rluftstrom um das eigentliche Triebwerk herumgefĂŒhrt und dabei hoch beschleunigt wird. Dies hat zur Folge, dass auch der ĂŒberwiegende Teil des Triebwerkschubs durch den Nebenstrom erzeugt wird.

2.1.3 Turboprop

Außerdem gibt es noch den kombinierten Antrieb, die Propellerturbine bzw. Turboprop. Sie vereint die Vorteile eines Strahltriebwerks mit denen der Propellerantriebe. Sie sind sparsam im Verbrauch, relativ leise, Ă€ußerst zuverlĂ€ssig und wartungsarm. Da ihre Maximalgeschwindigkeit bei etwa 850 km/h liegt werden sie meist nur fĂŒr Kurzstreckenflugzeuge (InlandsflĂŒge) mit weniger als 80 SitzplĂ€tzen verwendet. Zum Beispiel Saab 2000, oder Dash - 8 (Rheintalflug).

2.3 Klappen
Da der Auftrieb von der Geschwindigkeit abhĂ€ngt, wurden fĂŒr Start und Landung diverse Klappen am TragflĂŒgel angebacht. Landeklappen (am TragflĂŒgelende) und Nasenklappen (an der TragflĂŒgelvorderkante) erlauben gerinere Start und Landegeschwindigkeiten. Sie sorgen fĂŒr einen großen Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit. Nach dem Start werden sie stufenweise eingefahren, weil sie im Normalflug einen viel zu großen Luftwiderstand darstellen. Außerdem gibt es noch Bremsklappen, welche nach der Landung ausgefahren werden, um das Flugzeug zu bremsen.

2.4 Energieversorgung
PrimĂ€r besteht die Stromversorgung aus Wechselstrom mit einer Spannung von 115 Volt und einer Frequenz von 400 Hertz. Durch diese fĂŒr den Energieversorgungsbereich ungewöhnlich hohe Frequenz können die Transformatoren und Motoren kleiner dimensionert werden (Gewichtsersparnis!). Der Strom wird mittels Generatoren, die von den Triebwerken angetrieben werden, erzeugt. Bei einem Großraumflugzeug vom Typ Boeing 747 betrĂ€gt die durchschnittlich benötigte elektrische Leistung etwa 60kW. Die Boeing 747 besitzt 4 Generatoren, welche eine maximale Gesamtleistung von 325kW haben. Bei Ausfall aller treibwerksgetriebenen Generatoren (sehr unwahrscheinlich) wird der verbleibende Strom rationiert. In diesem Fall wird der Strom von einem schwachen Generator, der von einem ausklappbaren Hilfspropeller angetrieben wird, geliefert. Besitzt das Flugzeug keinen solchen Generator oder ist er ebenfalls defekt, wird das Cockpit aus den Akkus mit Strom versorgt. Die Notbeleuchtung wird aus SicherheitsgrĂŒnden und um Panik unter den Passagieren zu vermeiden eigenen Akkus versorgt.
Am Boden, bei ausgeschalteten Triebwerken, wird der Strom und die Klimatisierung von einer Hilfsgasturbine (APU: auxiliary power unit) im Heck erzeugt.

3. Instrumentenflug (IFR)

3.1 Navigation
Die vorherrschende Form der Flugnavigation ist die Instrumentenflugnavigation, die einen sicheren Flug auf einer geplanten Flugroute auch ohne Boden - und Horizontalsicht ermöglicht. Der kommerzielle Luftverkehr wird im Interesse grĂ¶ĂŸtmöglicher Sicherheit unabhĂ€ngig von den jeweils gegebenen meteorologischen Bedingungen nach Instrumentenflugregeln
durchgefĂŒhrt.

3.1.1 Höhenmessung
Mit Hilfe eines Aneroid - Dosenbarometers wird an Bord des Flugzeuges der statische Luftdruck der Außenluft gemessen. Der Dosenhub wird als Maß fĂŒr den örtlichen statischen Luftdruck genommen und ĂŒber eine Eichformel zur Flughöhe in Beziehung gesetzt. Der Höhenmesser ist allgemeinen auf einen Normaldruck von 1023,2 mbar eingestellt. Nur im Landeanflug wird der Höhenmesser beim Passieren der sogenannten Übergangshöhe (transition level) von Hand auf den aktuellen örtlichen Umgebungsdruck umgestellt. Nur so ist eine exakte Höhenmessung möglich, welche fĂŒr die Landung und den Start unbedingt notwendig ist. Beim Passieren der Übergangshöhe nach dem Start wird wieder auf den Normdruck von 1023,2mbar umgestellt. Denn im Reiseflug muss die Höhe nicht exakt gemessen werden, weil alle Flugzeuge ihren Höhenmesser auf diesen Wert eingestellt haben. Das heißt alle Höhenmesser messen um den selben Betrag "falsch" und dadurch stimmt auch der Höhenabstand der Flugzeuge genau.

3.1.2 Variometer
Es dient zur Bestimmung der Steig - oder Sinkgeschwindigkeit. Ein Luftvolumen steht ĂŒber einen Strömungswiderstand (Kapillare, Schlitz, Stauscheibe) mit dem statischen Druck der Außenluft in Verbindung. Bei HöhenĂ€nderung Ă€ndert sich der statische Druck; der Druckausgleich kann wegen des Strömungswiderstandes nur langsam erfolgen. Die Druckdifferenz am Stömungswiderstand ist ein Maß fĂŒr die Vertikalgeschwindigkeit.

3.1.3 TrÀgheitsnavigationssystem
Eines der wichtigsten Instrumente ist das TrĂ€gheitsnavigationssystem. Es heißt INS (intertial navigation system). Es errechnet den Weg ĂŒber Grund mit großer PrĂ€zision. Das Prinzip beruht auf den Kreiselgesetzen. Das typische an Kreiseln ist ihre RichtungsstabilitĂ€t. Im INS sind dazu drei frei hĂ€ngende Kreisel schnell drehende Kreisel angeordnet. Die Lage der Kreisel Ă€ndert sich, im Gegensatz zum Flugzeug, wĂ€hrend des gesamten Fluges nicht. Dadurch lassen sich LageĂ€nderungen des Flugzeuges registrieren. Der Standort kann dann mit Hilfe dieser Daten und der Daten von drei Beschleunigungsmessern vom Bordcomputer immer exakt berechnet werden. Vor dem Start muss jedoch die Koordinaten fĂŒr den Standort eingegeben werden. Die Himmelsrichtung zum geographischen Nordpol findet das System nach nur 15 Minuten selbst ! In dieser zeit hat sich die Erde weit genug gedreht, um dem INS die Richtung der Erdachse zu vermitteln. Durch dieses System kann der Pilot den Kurs halten und erhĂ€lt die Geschwindigkeit ĂŒber Grund. Ohne diese Geschwindigkeitsangabe kĂ€me man nie zum gewĂŒnschten Ziel. Bei neuen Flugzeugen wird das INS durch das IRS (intertial reference system) ersetzt. Das IRS benötigt keine mechanischen Kreisel mehr. Diese werden beim IRS durch Laserkreise ersetzt. Das Meßprinzip beruht auf der Laufzeit des Lichts. Die technische AusfĂŒhrung ist hedoch sehr kompliziert.

3.1.4 Geschwindikeitsmessung
Die Bestimmung der Eigengeschwindigkeit gegenĂŒber der umgebenden Luft geschieht ĂŒber Staudruckmessung mit dem Fahrtmesser. Meßgeber ist das außerhalb vom Rumpf im freien Luftstrom angebrachte Staudruckrohr. Die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und statischem Druck wird ĂŒber eine Membrandose gemessen und angezeigt. Zur Ermittlung der genauen Werte wird der Einfluß der momentanen Luftdichte berĂŒcksichtigt.

3.1.5 Instrumentenlandesystem
Die Landung wird vom Instrumentenlandesystem (ILS) unterstĂŒtzt.
Von zwei Antennensystemen am Boden werden Funksignale abgestrahlt, welche sogenannte Leitebenen fĂŒr die horizontale und vertikale FĂŒhrung bilden. Eine grobe Entfernungsanzeige ergibt sich beim Durchfliegen der Markierungfeuer Outer Marker (OM), Middle Marker (MM) und Boundary Marker (BM). Der BordempfĂ€nger setzt die Funksignale in hörbare und visuelle Kennungen um. Siehe Bild Der Pilot muss den Schnittpunkt der Waagrechten und Senkrechten in der Mitte halten. Dadurch wird er genau zum Ziel gefĂŒhrt.

3.1.6 Autolanding
Moderne Flugzeuge haben die Möglichkeit automatisch zu landen. Es ist dem Piloten ĂŒberlassen ob er das Landen dem Autopiloten ĂŒberlĂ€sst, oder ob er manuell landet. Wenn allerdings schlechte Sicht kein manuelles Landeverfahren erlaubt. Eine "auto - landing" - Einrichtung, kann die Maschine auch bei 0 Meter horizontaler und vertikaler Sicht zentimetergenau auf die Landebahn bringen. Wenn der KapitĂ€n dann in einer Flughöhe von etwa 7m die Landebahn sieht, darf der Autopilot landen. Andernfalls muss der KapitĂ€n noch in dieser geringen Höhe die Landung abbrechen und durchstarten.

3.2 Ordnung im Luftraum
Mit der Dichte des Luftverkehrs ist die Kollisionsgefahr in der Luft gewachsen. Um UnfĂ€lle zu verhindern, wurde ein weitgefĂ€chertes System aus unsichtbaren Luftstraßen geschaffen. Eine Luftstraße ist 18 km breit. Dies hat jedoch keine große Bedeutung, denn es herrscht kein Gegenverkehr. Die Höhenstaffelung der Luftstraßen betrĂ€gt im unteren Luftraum 300 Meter, im oberen, das heißt in Höhen ĂŒber 8800 Meter, 600 Meter.

4. Sicherheitseinrichtungen

4.1 Allgemein
Eine Menge von Kontrolleuchten und Warnsignalen sowohl im Cockpit als auch im Bodenkontrollzentrum warnen die Piloten und Lotzen im allgemeinen rechtzeitig vor Gefahren. Aus SicherheitsgrĂŒnden sind alle fĂŒr den sicheren Flug benötigten Instrumente mindestens doppelt vorhanden. Manche sogar drei - bis vierfach. Geschwindigkeitsmesser sind zum Beispiel mindestens dreifach vorhanden, weil beispielweise eine Fliege das Staurohr verstopfen könnte, was zu einer falschen Anzeige fĂŒhrt.
4.2 TCAS
Infolge der dramatischen Zunahme des Luftverkehrs stellen Kollisionen und Beinah - ZusammenstĂ¶ĂŸe, sogenannte "near miss", eine wachsende Gefahr dar. Um dies zu Verhindern, wurde ein Kollisionswarnsystem (TCAS: Traffic Alert and Collision Avoidance System) entwickelt. Ein TCAS kann bis zu 24 andere Flugzeuge im Umkreis von 8km verfolgen, ihr Kollisionspotential bewerten und das richtige Ausweichmanöver bei drohenden Kollisionen empfehlen. Der Nachteil von TCAS ist, das es nicht alle Flugzeuge besitzen, und dieses System nur funktioniert, wenn beide oder mehrere sich auf Kollisionskurs befindlichen Flugzeuge mit TCAS ausgestattet sind.
4.3 Enteisung
Besonders wichtig ist die Enteisungsanlage. Eine vereiste TragflĂ€che hatte schon einige AbstĂŒrze zur Folge. Besonders beim Durchfliegen von Wolken bildet sich Eis auf der Vorderkante der TragflĂ€che. Dies fĂŒhrt zu einer VerĂ€nderung des Profils, was zu einem verringertem Auftrieb fĂŒhrt zudem erhöht sich der Luftwiderstand. Schwere Vereisung kann die Leistung eines Flugzeugs soweit verschlechtern,dass es nicht mehr flugfĂ€hig ist. Neben der Enteisung auf dem Flugplatz gibt es zwei Verfahren, die TragflĂ€che eisfrei zu halten:
    Anbringung von aufblassbaren SchlĂ€uchen auf der Vorderkante der TragflĂ€che, welche das Eis aufbrechen. HeranfĂŒhren warmer Luft von den Triebwerken.

Quellenverzeichnis:


Magazin des Österreichischen Aero - Clubs
"Sky Revue" Ausgaben: 1996: 4, 6, 7, 8
1997: 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8
1998: 1, 3, 4, 6
1999: 1

Fernsehen: "Über den Wolken - Die Wissenschaft vom Fliegen"
aus der Wissenschaftssendung des WDR "Quarks & Co" (vom 11.07.1995)

"Bertelsmann Universallexikon" auf CD - ROM (Ausgabe 1996)

"Fliegen" aus der Reihe "Wunder der Wissenschaft" (1991 Time Life)

"Warum sie oben bleiben" von JĂŒrgen Heermann (1997 Rasch und Röhring Verlag)

"Die Super Flugzeuge der Welt" von Hans G. Isenberg (1994 Falken Verlag)

"Flugzeugkatastrophen" (1996 Gondrom Verlag)

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