Blockschulung

Energie ist im Luftkampf ein Schlüsselelement.

Die Energie bestimmt die möglichen Taktiken und Manöver.

Den Energievorteil zu besitzen, bedeutet die Initiative zu haben.

Warum das so ist, soll mit diesem Text erläutert werden. Um dieses Thema vollständig darzustellen, könnte man mehrere Kapitel eines Buches schreiben.

Für das grundlegende Verständnis reicht es aber aus, drei wichtige Abschnitte zu betrachten:

Die Energie und ihre „Entstehung“.

Der korrekte und effiziente Einsatz von Energie im Luftkampf.

Das Abschätzen der Energiezustände feindlicher Maschinen im Verhältnis zur eigenen.

Aus dem Physikunterricht wissen wir: Energie entsteht nicht, sondern existiert. Allerdings gibt es für uns nutzbare Formen von Energie und solche, die wir nicht nutzen können. Im Luftkampf gibt es zwei Formen von Energie, die wir nutzen können (kinetische und potenzielle Energie) und nur eine Energiequelle.

Die Quelle unserer Energie ist das Triebwerk.

Es wandelt die chemisch gebundene Energie des Kraftstoffs in Bewegungsenergie um.

Dabei wird es von drei Faktoren begrenzt:

Dem Luftwiderstand, seiner eigenen Erwärmung und dem Kraftstoffvorrat.

Dieser Faktor ist immer vorhanden. In größeren Höhen (mit 'dünnerer' Luft) nimmt er ab. Bei allen Manövern (oder auch unsauberem Fliegen) nimmt er zu. Mit steigender Geschwindigkeit nimmt er ebenfalls zu. Er begrenzt das Flugzeug auf eine im Horizontalflug durch Motorleistung erreichbare Maximalgeschwindigkeit. Um (trotz sauberem Fliegen und möglichst sanften Manönern) noch schneller zu werden können wir nur zwei Dinge tun.

Die erste Möglichkeit ist in höhere, dünnere Luftschichten zu steigen, wo der Luftwiderstand geringer ist; das ermöglicht eine schnellere Bewegung. Dem stehen jedoch die Probleme entgegen, die der abnehmende Luftdruck bei der Energieumwandlung des Motors verursacht. Deshalb können nur solche Flugzeuge einen Geschwindigkeitsvorteil aus größeren Flughöhen ziehen, die für den Einsatz in großen Höhen konzipiert sind.

Die zweite Möglichkeit ist, Höhe im Sturz- oder Sinkflug aufzugeben. Die Erdanziehungskraft beschleunigt das Flugzeug dabei zusätzlich auf größere Geschwindigkeiten. Hier gibt es zwei Beschränkungen: Die strukturelle Belastungsgrenze und den Erdboden.

Überschreiten wir die strukturelle Belastungsgrenze wird unser Flugzeug beschädigt weil wir 'abmontieren' (Teile verlieren)

Und sobald wir keine Höhe mehr haben, die wir für Geschwindigkeit aufgeben können, wird das Flugzeug vom Luftwiderstand auf die – durch das Triebwerk generierte – Maximalgeschwindigkeit gebremst.

Je mehr Leistung das Triebwerk liefern soll, desto mehr Wärme produziert es. Um funktionieren zu können, ist es auf das Kühlsystem des Flugzeugs angewiesen. Die Fähigkeit des Kühlsystems, den Motor auf Betriebstemperatur zu halten, ist von der Geschwindigkeit des Flugzeugs abhängig. Nur bei ausreichender Eigengeschwindigkeit kann das Kühlsystem die überschüssige Wärme abführen. Es gibt deshalb für jede Motorleistung eine Minimalgeschwindigkeit, bei der der Motor ununterbrochen laufen kann; wird sie unterschritten, überhitzt der Motor.

Dazu muss nicht viel gesagt werden – wenn der Sprit alle ist, dürfen wir segeln.

Im Luftkampf können wir zwei Formen von Energie nutzen: Bewegungsenergie (kinetische Energie) und Lageenergie (potentielle Energie).

Die kinetische Energie wurde im vorigen Kapitel bereits skizziert. Jeder, der schon einmal im vollen Lauf vor ein unverhofftes Hindernis geprallt ist, hat eine Ahnung von ihrer Leistungsfähigkeit.

Sie berechnet sich nach der Formel

E_kin = 1/2 * m * v²

mit "m" für die Flugzeugmasse und "v" für die Eigengeschwindigkeit des Flugzeuges. Da sich nur die Geschwindigkeit bemerkenswert ändern kann, behalten wir als Daumenregel im Kopf:

Mehr Geschwindigkeit ist mehr Energie.

Allerdings mit dem Abstrich, dass wir nur „echte“ Geschwindigkeit für diese Daumenregel gelten lassen. Das bedeutet, dass unsere Geschwindigkeit vom Motor stammen soll und nicht aus einem Sturzflug.

Ebenfalls aus dem vorigen Kapitel sind die Grenzen der kinetischen Energie beim Fliegen ersichtlich:

Die obere Grenze erreichen wir entweder im Geradeausflug mit der Maximalgeschwindigkeit, oder im Sturzflug durch die strukturelle Belastungsgrenze.

Nach unten ist die kinetische Energie für uns mit der Abrissgeschwindigkeit begrenzt. Unterhalb dieser können wir nicht fliegen, da wir durch einen Strömungsabriss die Kontrolle verlieren würden.

Alles in allem liefert die kinetische Energie also einen eher knapp bemessenen Spielraum.

Wesentlich spannender ist die potentielle Energie.

Sie berechnet sich nach der Formel

E_pot = 𝑚 ⋅ 𝑔 ⋅ ℎ

mit „m“ für die Flugzeugmasse, „g“ für die Erdanziehungskraft und „h“ für die Flughöhe.

Man sieht deutlich, dass sich nur die Höhe bemerkenswert ändern kann, deshalb die Daumenregel:

Mehr Höhe ist mehr Energie.

Die Grenze ist hier nach unten natürlich mit dem Boden gesetzt. Nach oben könnten wir sie mit der Dienstgipfelhöhe festlegen. Allerdings werden wir schon ein ganzes Stück vor der Dienstgipfelhöhe so langsam, dass das Flugzeug wie eine reife Pflaume in der Luft hängt. Es ist zwar sehr schwer an ein so hoch fliegendes Flugzeug heranzukommen, aber hat man das erst einmal geschafft ist es ziemlich wehrlos. Deshalb sollten wir im Normalfall nur so hoch steigen, dass wir nicht unter die sogenannte Manövergeschwindigkeit kommen.

Als Manövriergeschwindigkeit wird die Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs bezeichnet, bei der man schnelle Ausweichbewegungen ausführen kann. Sie zu unterschreiten bedeutet, sich selbst auf den Präsentierteller zu setzen – man hängt als leichtes Ziel in der Luft.

Die Manövriergeschwindigkeit ist vom Flugzeugtyp abhängig, für die Bf 109 liegt sie etwa bei 300 km/h angezeigter Eigengeschwindigkeit.

Um Höhe aufzubauen, ist ein Steigflug nötig. Natürlich ist es wünschenswert, so schnell zu steigen wie möglich, damit wir so schnell wie möglich so viel Energie wie möglich aufbauen. Um schnell zu steigen, muss man einen steilen Steigwinkel einnehmen; der sorgt für langsame Eigengeschwindigkeit. Wie oben ausgeführt, kann der Motor aber nur bei ausreichender Geschwindigkeit permanent gekühlt werden. Im Steigflug ist man meist unterhalb dieser Geschwindigkeit – deshalb kann man nur kurze Zeit mit maximaler Leistung steigen und je steiler man steigt, desto kürzer ist diese Zeit.

Deshalb ist es wichtig, den besten Kompromiss zwischen hoher Steigrate und lang verfügbarer Motorleistung zu finden.

Für die Bf 109 liegt dieser Kompromiss bei 250 bis 320 km/h.

Ein zweiter Aspekt ist wiederum die Manövriergeschwindigkeit. Diese sollte auch im Steigflug nur geringfügig unterschritten werden.

Diese ändert sich nicht wesentlich, aber ständig – durch das Verbrennen von Kraftstoff und dem Verschießen von Munition. Das mag in einem Luftkampf von 2 Minuten Dauer keine Rolle spielen, aber es spielt eine Rolle, ob wir mit vollem, oder zu zwei Dritteln geleertem Tank in einen Kampf gehen. Unsere Steigleistung und Masseträgheit verändert sich um einen spürbaren Faktor zu unseren Gunsten. Auf der anderen Seite haben wir aber wesentlich weniger Zeit für den Luftkampf. Und das kann uns den Sieg und sogar das Flugzeug kosten, wenn wir mangels Treibstoff fliehen müssen – und womöglich abgeschossen werden - oder mit leeren Tanks notlanden müssen.

Wir haben bis hierher zwei Formen von Energie, die wir für den Luftkampf verwenden können. Gut und schön – nur was nützt uns das? Um einen Gegner zu besiegen, müssen wir Schussmöglichkeiten erfliegen. Schussmöglichkeiten erfliegen wir mit Manövern und im Normalfall brauchen wir umso mehr und radikalere Manöver, je stärker sich der Gegner zur Wehr setzt. Jedes Manöver kostet uns Geschwindigkeit, weil wir gegen die Massenträgheit unserer Maschine und den Luftwiderstand ankämpfen müssen. Der Luftwiderstand steigt enorm mit der Erhöhung des Anstellwinkels und genau das passiert, wenn wir manövrieren müssen. Und je radikaler wir manövrieren müssen, desto höher wird auch der Luftwiderstand. Manöver fliegen können wir aber nur, so lange wir schnell genug sind (Manövriergeschwindigkeit). Man könnte jetzt also fast sagen: Je schneller wir sind, desto besser sind unsere Chancen im Luftkampf? Aber auch nur fast, denn:

Unsere Chancen im Luftkampf sind umso besser, je mehr Energie wir haben!

Bisher war alles oben genannte auf die Geschwindigkeit (also 'kinetische' Energie) ausgelegt. Und ja, so lange wir schneller sind (also mehr 'kinetische' Energie haben) als unser Gegner und bei den Manövern nicht mehr davon verbrauchen als unser Gegner wird das auch funktionieren. Es gibt aber noch die 'potentielle' Energie.

Für den Luftkampf zählt die gesamte Energie!

Zusätzlich gibt es noch die Beschleunigungskräfte (g-Kraft). Die selbe enge Kurve mit höherer Geschwindigkeit fliegen um hinter dem Gegner zu bleiben, bedeutet deutlich höhere g-Kräfte als wenn wir langsamer sind. Diese Kräfte wirken auf unser Flugzeug und den Piloten ein. Im Normalfall (intaktes Flugzeug) wird der Pilot eher die Auswirkungen zu spüren bekommen (Blackout) als sein Flugzeug. Bei strukturellen Schäden am Flugzeug wird es eher genau andersrum sein.

Also nutzen wir ebenfalls die 'potentielle' Energie (Flughöhe). Wir können unsere Geschwindigkeit nämlich nicht nur durch eine hohe Anfangsgeschwindigkeit oben halten, sondern auch, indem wir im Sturzflug kurven, oder besser: Indem wir Höhe aufgeben. Ein Flugzeug im Sturzflug tauscht Höhe gegen Geschwindigkeit ('potentielle' gegen 'kinetische' Energie). Also können wir umso länger manövrieren, je mehr Höhe wir mit ins Gefecht bringen. Wir können aber nicht nur Höhe in Geschwindigkeit umtauschen, sondern auch umgekehrt Geschwindigkeit in Höhe ('kinetische' gegen 'potentielle' Energie) tauschen. Dies geschieht jedes Mal, wenn wir steiler steigen, als unser Motor zu leisten in der Lage wäre. Dabei nimmt unsere Geschwindigkeit ab, während unsere Höhe schnell zunimmt. Ein solches Steigen wird auch als „zoomen“ bezeichnet.

Wenn wir höher oder schneller sind als der Gegner (oder idealerweise beides), können wir länger die beiden Energieformen gegeneinander tauschen und haben damit einen Energievorteil.

Zusätzlich können wir noch den 'Energieverlust' und die 'Belastung' minimieren. Je höher oder langsamer wir fliegen, desto weniger Luftwiderstand. Und je weniger 'harte' Manöver wir fliegen (oder je langsamer wir bei diesen sind), desto weniger Energie verlieren wir (oder desto weniger belasten wir Pilot und Flugzeug) bei diesen Manövern.

Warum ist dies sinnvoll?

Die Antwort darauf liefert zum Beispiel das „High Yoyo“.

Wir fliegen hinter einem gegnerischen Flugzeug auf annähernd seber Höhe und sind schneller. Der Gegner fliegt eine Kurve.

Indem wir Geschwindigkeit in Höhe tauschen (wir werden dabei langsamer) bleiben wir hinter dem Gegner. Wir können außerdem engere Kurven fliegen, weil die Fliehkräfte geringer sind. Und zum Schluss verlieren wir bei radikalen Kurswechseln weniger Energie wenn wir sie bei niedriger Geschwindigkeit ausführen – denn der Luftwiderstand ist abhängig von unserer Eigengeschwindigkeit.

Alle diese Vorteile lassen sich durch einen kurzen Steigflug erreichen.

Nach dem Steigflug drehen wir wieder auf unseren Gegner ein und stürzen herunter (wir nutzen die gewonnenen Vorteile für die Kurve und tauschen anschliesend die gewonnene Höhe wieder gegen Geschwindigkeit ein) und landen ohne größeren Energieverlust wieder hinter unserem Gegner.

In drei Dimensionen zu denken und zu fliegen, das ist der Schlüssel zum Erfolg.

Nun stellt sich die Frage, welcher Energiespeicher der bessere ist. Dies können wir uns an einem einfachen Experiment verdeutlichen:

Wir beschleunigen zuerst in niedriger Höhe auf maximale Geschwindigkeit und dann steigen wir bis zur Abrissgeschwindigkeit. Je nach Flugzeugtyp werden wir zwischen 1500 und 2500 Höhenmeter gewinnen. Wir können aber mit jedem Flugzeugtyp leicht über 3000 Meter und noch höher steigen.

Ein Sturzflug aus dieser Höhe würde uns nach 2500 Metern Höhenverlust auf unsere Maximalgeschwindigkeit beschleunigen – und wir könnten trotzdem noch weiter stürzen.

Es ist also deutlich, dass die Flughöhe ein viel besserer Energiespeicher ist als die Eigengeschwindigkeit. An diesem Beispiel werden aber auch die Grenzen deutlich: Wenn wir in einer Bf 109 E7 mit einem Sturzflug auf 700 km/h beschleunigen und dann geradeaus weiterfliegen, wird uns der Luftwiderstand auf unsere Maximalgeschwindigkeit bremsen. Die Differenz zwischen unserer Sturzgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit ist also durch Reibungswiderstand verloren gegangen – und genauso hat sich unser Energieniveau verringert.

Besonders wichtig ist die Frage, wie wir möglichst verlustfrei Höhe in Geschwindigkeit umwandeln und umgekehrt.

Dies ist im Prinzip relativ leicht zu beantworten:

Das Flugzeug sollte „entladen“ sein.

Das heißt, die Flügel sollten keinen Auftrieb produzieren müssen, weil das Flugzeug in einer ballistischen Bahn steigt oder stürzt. Jeglicher Auftrieb, ob durch Tragflächengeometrie oder Anstellwinkel erzeugt, verursacht einen gewissen Widerstand, wodurch wir Energie in Form von Reibungswärme ausbluten. Problematisch ist nur, dass wir in unserer Simulation einen schwerelosen Zustand leider nicht fühlen können. Deshalb ist hier Erfahrung der Schlüssel.

Ein guter Trick, um den entladenen Zustand am eigenen Flugzeug auszutesten, ist der „Rolltest“:

Das Flugzeug rollt am besten, wenn die Flügel keinen Auftrieb produzieren. Wir können also unser ballistisches Fliegen trainieren, indem wir Sturzflüge üben und dabei mit kurzen Rollbewegungen unsere Rollrate testen – ist sie maximal, stürzen wir ballistisch, also im freien Fall. Dasselbe gilt für "Zoom"-Steigflüge.

Wo wir schon beim Rollen sind – Rollbewegungen sollten wir nicht ausführen, während wir am Höhenruder ziehen. Das kostet viel Energie! Statt dessen sollten wir unsere Manöver so planen, dass wir die Richtungsänderung mit dem Querruder zwischen zwei Zügen am Höhenruder ausführen können. Wer auf diese Weise manövrieren kann, blutet viel langsamer Energie aus als sein Gegner.

Bei all diesen Techniken sollten wir aber nie vergessen, wofür wir überhaupt die Energie aufbauen und sparen. Wenn sich die Möglichkeit bietet, sollten wir rigoros Energie gegen einen Positions- oder Winkelvorteil tauschen. Mit anderen Worten: Wenn wir direkt hinter dem Gegner eindrehen, oder durch einen harten Zug am Knüppel den richtigen Vorhalt bekommen können, müssen wir Energie verschleudern, damit der Kampf sofort endet.

Entscheidend ist dabei aber:

Nur dann Energie opfern, wenn wir uns sicher sind, dass es sich lohnt.

Dies setzt viel Übung in den Luftkampfmanövern voraus, am besten in Zusammenarbeit mit anderen Piloten.

Es ist wichtig zu wissen, ob ein Gegner mehr oder weniger Energie hat als man selbst, also ob er den Energievorteil besitzt oder im Nachteil ist. Vor einem Kampf kann man dies relativ gut an der Höhe abschätzen – wenn wir 2000 Meter über dem Gegner kreisen, hat er definitiv einen Energienachteil. Dagegen stellt bei Höhenunterschieden von weniger als 500 Metern die Eigengeschwindigkeit einen deutlichen Faktor dar. Die Geschwindigkeit eines anderen Flugzeugs zu schätzen, dass nicht auf unserem eigenen Kurs fliegt, ist aber relativ schwer. Im Luftkampf sollten wir einschätzen können, ob der Gegner uns gegenüber Energie verliert oder gewinnt. Dies lässt sich nur schwer messen, aber eine gute Schätzmethode ist es, zu beobachten, ob der Gegner aus "Zoom"-Steigflügen höher oder niedriger herauskommt als wir selbst.

Ein wichtiger Gedankengang zum Schluss:

Energie verliert man normalerweise nicht in großen Stücken. Man blutet sie mehr oder weniger schnell aus. Aus verschiedenen Gründen stellt das einen Trend dar, der sich nur schwer umdrehen lässt. Wenn man also früh im Gefecht merkt, dass man gegenüber dem Gegner verliert, sollte man einen besonders guten Trick auf Lager haben – oder schlau genug sein und sich zurückziehen, solange man das noch kann.