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Flugzeug

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Der Begriff Flugzeug hat eine technische und in Deutschland zusätzlich eine davon abweichende luftrechtliche Bedeutung.

Flugzeug als technischer Begriff

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

Im Gegensatz zu den Luftfahrzeugen wie Ballonen oder Luftschiffen, die den statischen Auftrieb nutzen, entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen erst beim Umströmen des Tragflügelprofils (dynamischer Auftrieb).

Flugzeug als luftrechtlicher Begriff in Deutschland

Der Begriff Flugzeug taucht als rein luftrechtlicher Begriff in Deutschland auch in Form einer eigenen Luftfahrzeugklasse auf und meint, gegenüber der allgemeinen technischen Definition, die auch auf einige der anderen Luftfahrzeugklassen zutreffen würde, stark einschränkend letztlich nur diejenigen Flugzeuge, die nicht unter andere Luftfahrzeugklassen fallen, d.h. diejenigen Starrflügelflugzeuge, die nicht Segelflugzeuge, Motorsegler oder Flugmodelle sind und auch nicht als Gleitflugzeuge oder Ultraleicht-3-Achser zur Klasse der Luftsportgeräte gehören.

Bauweise

Grundlegende Bauweisen

Das Prinzip des dynamischen Auftriebs wird durch unterschiedliche Bauweisen verwirklicht:

Starrflügelflugzeuge

Bei Starrflügelflugzeugen wird die Luftströmung über den Tragflächen durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs hervorgerufen. Das heist allerdings nicht, dass die Flügel ausnahmslos unbeweglich sein müssen. Es gibt Flugzeuge mit variabler Flügelgeometrie oder variabler Pfeilung, die der Fluggeschwindigkeit angepasst werden kann wie beispielsweise das Kampfflugzeug Tornado. Auch sie gehören zu dieser Kategorie.

Bestimmte Modelle von Bodeneffektfahrzeugen komprimieren Luft unter einer Tragfläche und sind damit nichts anderes als extrem tief fliegende Starrflügelflugzeuge.

Drehflügelflugzeuge

Bei Drehflügelflugzeugen wird die Tragflächen in Form eines horizontalen Rotors gebaut. Die Luftströmung über den Rotorblättern wird hauptsächlich durch die Drehbewegung des Rotors oder der Rotoren erzeugt.

Bei den Drehflügelflugzeugen unterscheidet man

  • Hubschrauber, die einen oder mehrere angetriebene Rotoren besitzen. Der Auftrieb und der Vortrieb werden durch entsprechende Steuerung der Rotoren verwirklicht. Die Steuerung für den Auftrieb ist die kollektive Rotorblattverstellung, die Steuerung für den Vortrieb (oder auch für den seitlichen oder den Rückwärtsflug) die zyklische Rotorblattverstellung.
  • Tragschrauber, bei denen ein nicht durch ein Triebwerk, sondern durch den Fahrtwind in Autorotation angetriebener Rotor für den Auftrieb sorgt. Für den Vortrieb muss ein Zug- oder Schubtriebwerk sorgen. Der Rotor ersetzt den starren Tragflüfel des Tragflügelflugzeugs.
  • Flugschrauber erzeugen den Auftrieb über einen durch ein Triebwerk angetrieben Rotor und den Vortrieb über Schub- oder Zugtriebwerke. Da der Rotor nur noch durch den Auftrieb belastet wird, können Flugschrauber etwas höhere Geschwindigkeiten als Hubschrauber erreichen.
  • Verbundhubschrauber sind eine Kombination aus Hubschrauber und Starrflügelflugzeug. Sie besitzen einen oder mehrere Rotoren und feste Tragflügel meist in Form von Stummelflügeln die beim Reiseflug einen großen Teil des Auftriebs übernehmen.
  • Kombinationsflugschrauber, auch Compounds genannt sind eine Kombination aus Flugschrauber und Starrflügelflugzeug. Beim Senkrechtstart übernimmt der Rotor den Auftrieb, beim Reiseflug übernehmen Schub- oder Zugtriebwerke den Vortrieb, Starrflügel und Rotor(en) den Auftrieb. Der Rotor kann beim Reiseflug auf niedrigen Widerstand eingestellt und vom Triebwerk abgekuppelt werden. Durch die Entlastung des Rotors lassen sich höhere Geschwindigkeiten als beim Hubschrauber erreichen.
  • Wandelflugzeuge besitzen wärend des Senkrechtstarts die Konfiguration eines Hubschraubers. Beim Übergang zum Reiseflug werden sie zum Flächenflugzeug umkonfiguriert, zum Beispiel durch Kippen des Rotors und Benutzung desselben als Zugtriebwerk (diese Konfiguration nennt sich Kipprotor oder Tiltrotor). Zu den Wandelflugzeugen gehören Kippflügel-, Schwenkrotor-, Einziehrotor- und Stopprotorflugzeuge. Wandelflugzeuge kombinieren die Vorteile eines Drehflügelflugzeugs mit denen eines Starrflügelflugzeugs. Die meisten nicht durch Strahltriebwerke angetriebenen Senkrechtstarter (VTOL-Flugzeuge) gehören zu den Wandelflugzeugen.

Schwingflügelflugzeuge

Bei Schwingenflugzeugen bewegen sich die Tragflächen wie Vogelflügel auf und ab und erzeugen gleichzeitig Auftrieb sowie Vortrieb. Besonders in der Frühzeit der Luftfahrt wurde versucht, Schwingenflugzeuge zu bauen, aber außer in kleinen Modellen ist es bis heute noch nicht gelungen, beziehungsweise nicht wirtschaftlich.

Der Auftrieb

Weit verbreitet ist der Glaube, dass der Auftrieb allein durch die Form des Flügelprofils und den dadurch bedingten längeren Weg an der Flügeloberfläche zustande kommt. Tatsächlich spielt aber auch der Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Flügelebene, besser Profilsehne, der sogenannte 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 (gutes Beispiel ist auch ein Segel, bei dem natürlich auch kein Wegunterschied auftritt).

Kräfte am Flugzeug

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.

Der Vortrieb

Zur Erzeugung des Vortriebes gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Bei Segelflugzeugen und Hängegleitern ist der Vortrieb auch ohne Eigenantrieb gewährleistet, da vorhandene Höhe sehr verlustarm in Geschwindigkeit umgewandelt werden kann. Der Höhengewinn selbst erfolgt durch Aufwinde (z.B. Thermik oder Hang- und Wellenaufwinde).
  • 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. Muskelkraftflugzeuge (HPA) dar, das sind Flugzeuge, bei denen der Pilot im Cockpit - ähnlich wie in einem Liegerad - durch eine Tretbewegung Vortrieb erzeugen kann.
  • Bei Hubschraubern sorgen meistens der Hauptrotor oder die Hauptrotoren durch die zyklische Rotorblattverstellung für den Vortrieb. Beim Flugschrauber Verbundschub- und Kombinationsflugschraubern geben weitere Zug- oder Schubtriebwerke meist in Form von Propellertriebwerken weiteren Vortrieb.
  • Bei einigen Wandelflugzeugen (Kipp- oder Schwenkrotorflugzeug) erzeugen die Rotoren den Auftrieb für den senkrechten Start. Beim Übergang zum Reiseflug kippen die Rotoren und leisten den Vortrieb (Beispiel: V-22 Osprey).
  • Strahltriebwerk (Gasturbine) für hohe Geschwindigkeiten
  • Staustrahltriebwerk: Historisch als Verpuffungsstrahltriebwerk als Vorgänger der Raketentriebwerke für Marschflugkörper verwendet, heute für hohe merfache Überschallgeschwindigkeiten.
  • 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 Hochachse (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 oben genannten 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 unter anderem durch das Einfedern des Hauptfahrwerks bei der Landung eingeleitet wird, ausgefahren. Im ausgefahrenen Zustand vermindern sie den Auftrieb an den Tragflächen (Strömungsablösung).

Beschreibung
Beschreibung

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:

Klassifizierung

Flugzeuge lassen sich nach Einsatzgebieten klassifizieren:

oder nach Typen:

Die Einteilung kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen, z.B.:

  • Einmotorige Flugzeuge
  • Mehrmotorige Flugzeuge
  • Verwendungszweck
  • Bauart

Je nach Typ erhalten die Luftfahrzeuge in den einzelnen Ländern unterschiedliche Luftfahrzeug-Kennungen. Klassifizierung von Luftfahrtzeugen in Deutschland

Fluggeschwindigkeiten

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 energieaufwändig 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.

Verschiedene Flugzeuge

Datei:Airbus - Familie - 001.jpg
Flugzeuge am Flughafen Zürich
Eine Lockheed C-130 Hercules der Schwedischen Air Force
Datei:Fdc3.jpg
Eine DC-3 der Classic Air
Datei:Ashwiki.jpg
Segelflugzeug mit Hilfstriebwerk (ASH 25)
Ein Wasserflugzeug
Air Force One
Eine F/A-18 der Schweizer Luftwaffe
Die erste Landung der A380 nach ihrem Jungfernflug
Fairchild-Republic A-10 der US Air Force

Literatur

  • Ludwig Bölkow (Hrsg.): Ein Jahrhundert Flugzeuge : Geschichte und Technik des Fliegens VDI-Verlag, Düsseldorf 1990, ISBN 3-18-400816-9
  • R. G. Grant: Fliegen : die Geschichte der Luftfahrt Dorling Kindersley, Starnberg 2003, ISBN 3-8310-0474-9

Siehe auch

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