Flugzeug

Ein Flugzeug ist ein Luftfahrzeug, das durch den Auftrieb von Tragflächen fliegt.

Flugzeuge am Flughafen Zürich

Die Air Force One über dem Mount Rushmore

Im Gegensatz zu den Leichter-als-Luft-Luftfahrzeugen wie Ballonen oder Luftschiffen, die den statischen Auftrieb nutzen, entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen erst beim Umströmen der Tragflügelprofile (dynamischer Auftrieb). Weit verbreitet ist der Glaube, dass der Auftrieb allein durch das Flügelprofil und dem längeren Weg an der Flügeloberfläche zustande kommt. Tatsächlich spielt aber der Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Flügelebene (Anstellwinkel, englisch: angle of attack) eine große Rolle. Durch diesen Winkel wird die Luft nach unten abgelenkt und das Flugzeug nach oben. Es gibt auch Tragflächen, deren Profil symmetrisch ist, hier versagt die gängige Erklärung über das Flügelprofil vollständig.

Im konstanten Reiseflug ist die Auftriebskraft gleich der Schwerkraft (Gleichgewicht), im Steigflug hingegen überwiegt die Auftriebskraft. Zusätzlich entsteht durch die Reibung der Luft an der Flugzeugaußenhaut ein Widerstand, der durch den Antrieb überwunden werden muß. Die Tragflügelprofile werden in der Regel so ausgelegt, dass der Widerstand möglichst klein, aber der Auftrieb möglichst groß ist. Auch der Rumpf leistet einen kleinen Beitrag zum Auftrieb.

Bauweise

Zur Erzeugung des Auftriebs gibt es verschiedene grundlegende Bauweisen von Flugzeugen:

Starrflügelflugzeuge (normales Flugzeug), bei denen die Luftströmung über den Tragflächen durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs hervorgerufen wird (auch Schwenkflügelflugzeuge wie beispielsweise der Tornado zählen zu den Starrflüglern
Drehflügelflugzeuge (Hubschrauber, Tragschrauber), bei denen die Tragflächen in Form eines horizontalen Rotors gebaut sind und bei denen die Luftströmung über den Rotorblättern hauptsächlich durch die Drehbewegung des Rotors erzeugt wird.
Schwingenflugzeuge, bei denen sich die Tragflächen wie ein Vogelflügel auf und ab bewegen und gleichzeitig Auftrieb sowie Vortrieb erzeugen. Besonders in der Frühzeit der Luftfahrt wurde versucht, Schwingenflugzeuge zu bauen, aber außer in kleinen Modellen ist es bis heute noch nicht gelungen, bzw. nicht wirtschaftlich.

Drehflügelflugzeuge werden unter Hubschrauber bzw. Tragschrauber beschrieben, Schwingenflugzeuge sind nur eine experimentelle Spielerei. Deswegen geht es im folgenden nur um konventionelle (Starrflügel-) Flugzeuge.

Vortrieb

Zur Erzeugung des Vortriebes gibt es verschiedene Möglichkeiten:

kein Selbstantrieb bei Segelflugzeugen und Hängegleitern. Höhengewinn durch Aufwinde (zum Beispiel Thermik).
Propeller für niedrige Geschwindigkeiten; ein Propeller kann angetrieben werden durch einen Kolbenmotor, eine Propellerturbine, oder einen Elektromotor (beispielsweise Solarflugzeug). Eine extreme Form des Propellerantriebs stellen sog. HPA (human powered aircraft) dar, das sind Segelflugzeuge, bei denen der Pilot im Cockpit - ähnlich wie in einem Liegerad - durch eine Tretbewegung Vortrieb erzeugen kann.
Strahltriebwerk (Gasturbine) für hohe Geschwindigkeiten
Raketentriebwerk: Bisher nur bei Experimentalflugzeugen verwendet.

Steuerung

Rotationsachsen eines Flugzeugs

Neben dem Antrieb ist auch eine Steuerung um alle 3 Achsen notwendig. Sie erfolgt beim Flugzeug durch Ruder:

Höhenruder für die Drehung um die Querachse
Seitenruder für die Drehung um die vertikale Achse
Querruder für die Drehung um die Längsachse

Das Flugzeug kann simultan um eine oder mehrere dieser Achsen drehen.
Das Höhenruder ist in der Regel hinten angebracht, ebenso das Seitenruder. Querruder befinden sich an der Tragflächenhinterkante. Abweichend davon kann die Höhensteuerung auch vorne platziert sein (Entenflügel). Querruder können durch gegenläufigen Ausschlag der Höhenruder ersetzt werden. Höhen- und Seitenruder können auch kombiniert werden wie beim V-Leitwerk. Neben den o.g. Rudern gibt es noch so genannte Trimmruder, die nur zur Stabilisierung des Flugzeugs dienen. Bei modernen Flugzeugen übernimmt der Autopilot die Kontrolle der Trimmruder.
Die Landeklappen (flaps) werden beim Starten/Steigflug und zum Landeanflug benutzt. Im Gegensatz zu den Rudern werden die Klappen immer synchron an beiden Tragflügeln verwendet. Größere Flugzeuge haben meist auch noch sog. Vorflügel (Slats), die analog zu den Landeklappen, welche an der hinteren Tragflächenkante ausfahren, an der vorderen Tragflächenkante ausfahren. Durch die Klappen kann die Wölbung des Tragflügelprofils so verändert werden, dass auch beim langsamen Landeanflug/Steigflug der Auftrieb erhalten bleibt. Setzt das Flugzeug auf der Landebahn auf, wird der Auftrieb bewusst durch die sog. Brems-/Störklappen zerstört. Sie sind auf den Tragflächen angebracht und werden meist durch einen Automatismus, der u. a. durch das Einfedern des Hauptfahrwerks bei der Landung eingeleitet wird, ausgefahren. Im ausgefahrenen Zustand vermindern sie den Auftrieb an den Tragflächen (Strömungsablösung).

Abb. Flugzeug mit Klappen und Rudern.

Es gibt auch Steuerflächen mit mehrfachen Funktionen:

Flaperons: Arbeiten sowohl als Klappen als auch als Querruder
Elevons: Arbeiten sowohl als Höhenruder als auch als Querruder, besonders beim Nurflügel

Neben der konventionellen Anordnung der Steuerflächen existieren auch Sonderformen:

Das Entenflugzeug hat das Höhenruder vorne, z. B. Eurofighter
Der Nurflügel hat kein separates Höhenruder, z. B. B2-Bomber

Klassifizierung

Flugzeuge lassen sich nach Einsatzgebieten klassifizieren:

oder nach Typen:

Flugzeugtypen

Fluggeschwindigkeiten

1910 106 km/h Leon Morane, Frankreich, Bleriot XI
1913 204 km/h Maurice Prevost, Frankreich, Deperdussin-Rennflugzeug
1923 417 km/h Harold J.Brow, USA, Curtiss R2C-1
1939 755 km/h Fritz Wendel, Deutschland, Messerschmitt Me 209 V1
1941 1004 km/h Heinrich Dittmar, Deutschland, Messerschmitt Me 163 (Raketenjäger)
1947 1127 km/h 'Chuck' Charles Yeager, USA, Bell 44
1951 2028 km/h Bill Bridgeman, USA, Douglas Skyrocket
1956 3058 km/h Frank Everest, USA, Bell 52 X-2 (Rakete)
1961 5798 km/h Robert White, USA, North American X-15 (Raketenflugzeug)
1965 3750 km/h W.Daniel, USA, Lockheed SR-71 Blackbird (Düsenflugzeug)
1966 7214 km/h William Joseph Knight, USA, North American X-15 (Raketenflugzeug)
2004 7700 km/h unbemannt, USA, Boeing X-43A (Düsenflugzeug)

Ökologische Auswirkungen

Flugzeuge verursachen hohe Belastungen für die Umwelt: Neben der Emission von Kohlenstoffdioxid mit den bekannten Folgewirkungen auf das Klima (Treibhauseffekt), bringen Flugzeuge im Reiseflug Schadstoffe und heiße Abgase gerade da in die Atmosphäre, wo diese besonders empfindlich ist. Auch die erzeugten Kondensstreifen haben möglicherweise eine Auswirkung auf das Klima. Problematisch ist auch der Fluglärm, der rund 30% der Bevölkerung belastet. Insbesondere Nachtflug führt zu erheblichen Gesundheitsgefahren (Störung des Immunsystems, Störung der Gedächtnisfunktionen).

Der Energieverbrauch variiert je nach Flugzeuggröße und Fluglänge. Besonders energieaufwendig ist der Start. Kurzstreckenflüge verbrauchen mit 10-20 l Treibstoff je 100 Sitzplatz-Kilometer etwa 3-10 mal so viel Treibstoff wie moderne Automobile und 10 bis 20 mal soviel Treibstoff wie moderne Reisebusse oder Eisenbahnen. Langstreckenflüge mit vollbesetzten und engbestuhlten Großraumflugzeugen liegen dagegen im Verbrauch vergleichbar mit modernen Automobilen (2-4 l / 100 km je Passagier). Im Luftfrachtbereich liegt der Energieaufwand etwa 20 bis 50 mal so hoch wie bei modernen LKW oder Eisenbahnen und 100 bis 200 mal so hoch wie bei Seeschiffen.

Weblinks

Siehe auch: Luftfahrt, Pilot, Flugpioniere, Flughafen, Landeklappen ,Ultraleicht-Flugzeug,Piper, Katastrophen der Luftfahrt, Flugfunk, Flugzeughersteller, Trimmruder, Liste bedeutender Erfindungen