Blockschulung

Anders als Ballone und Luftschiffe haben Flugzeuge in ihrer Gesamtheit ein höheres spezifisches Gewicht als die Luft. Da sie also von alleine nicht fliegen, müssen sie eine Auftriebskraft entwickeln, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Der Auftrieb wird hauptsächlich mit den Tragflächen erzeugt. Die gewölbte Oberseite der Tragfläche lässt die Luft schneller vorbeiströmen als an ihrer Unterseite. Durch das Bernoulli-Prinzip entsteht daraus ein Unterdruck an der gewölbten Seite, sowie ein Überdruck an der flachen Seite. Die resultierende Kraft ist der Auftrieb, der immer in Richtung der Wölbung wirkt.

Damit die Luft den Flügel umströmt, muss das Flugzeug eine Eigengeschwindigkeit haben. Den notwendigen Vortrieb liefert der Propeller bzw. das Triebwerk. Je nach Lage des Flugzeugs kann die Schwerkraft den Vortrieb verstärken (Sink-/Sturzflug) oder abschwächen (Steigflug).

Da sich das Flugzeug durch die stehende Luft schieben muss, entsteht proportional zur Eigengeschwindigkeit ein Widerstand, der dem Vortrieb entgegenwirkt. Der Widerstand ist aber auch von der Lage des Flugzeugs in der Luftströmung abhängig. Je stärker das Flugzeug gegen die anströmende Luft angewinkelt ist, desto größer wird dieser geometrische Widerstand.

Anmerkung: Sowohl Auftrieb als auch Widerstand sind von der jeweils relevanten Fläche abhängig und ändern sich daher im Quadrat zur Geschwindigkeitsänderung. Doppelte Geschwindigkeit bedeutet sowohl vierfachen Auftrieb, als auch vierfachen Widerstand.

Das Triebwerk beinhaltet den Motor und Propeller und sorgt für den Vortrieb des Flugzeugs. Zum Triebwerk gehören im Prinzip auch alle, für dessen Funktion, entscheidenden Aggregate (z.B.: Kühlaggregate, Einspritzanlage, Vergaser, Lader, usw.)

Als Fahrwerk werden nicht nur die Räder, sondern auch die Fahrwerksbeine sowie die dazugehörende Hydraulik bezeichnet. Ein Spornrad am Heck zählt nicht dazu.

Die Auftrieb erzeugenden Tragflächen sowie ihre Befestigung am Rumpf werden als Tragwerk bezeichnet.

Der Rumpf ist das verbindende Element zwischen Triebwerk, Tragwerk, Leitwerk und Kabine.

Dass Leitwerk dient der Stabilisierung und Steuerung des Flugzeugs. Aus technischer Sicht gehören zum Leitwerk auch die Querruder, die sich außen an den Endkanten der Tragflächen befinden.

Hier finden Pilot und, je nach Flugzeugtyp, entsprechende Zuladung Platz. Außerdem laufen hier sämtliche Kontrollmechanismen des Flugzeugs zusammen. Die Kabine ist das Nervenzentrum des Flugzeugs.

Ein Flugzeug bewegt sich in der Luft in einem dreidimensionalen Raum. Daher muss man (anders als am Boden) nicht nur die Richtung kontrollieren in die man sich bewegt, sondern die Ausrichtung im Raum. Diese lässt sich über drei Achsen definieren, die alle einzeln angesteuert werden müssen.

Die Hochachse des Flugzeugs wird über das Seitenruder kontrolliert. Das Seitenruder befindet sich an der vertikalen Flosse des Leitwerks. Angesteuert wird es über die Ruderpedale, die resultierende Bewegung des Flugzeugs nennt man Gieren.

Weiterführende Aerodynamik

Anstellwinkel & Einstellwinkel

Propellerflugzeuge besitzen in der Regel 4-Takt-Motoren. Dabei wird das Kraftstoff-Luft- Gemisch in 4 Arbeitsgängen angesaugt, verdichtet, verbrannt und ausgestoßen. Beim Verbrennen wird Energie in Form von Druck, die über die Kurbelwelle in ein Drehmoment umgewandelt wird, und thermische Energie, welche über die Kühlung abgeleitet wird, freigesetzt. Dieses Drehmoment ermöglicht die drei übrigen Arbeitsgänge und treibt zudem den Propeller an.

Wird der Motor überhitzt, verbrennt das Schmiermittel und es kann zur Selbstzündung kommen (Klopfen). Ohne Schmiermittel entsteht starke Reibung, die noch mehr Wärme erzeugt, bis sich der Motor festfrisst. Die Leistung des Motors wird durch die Menge an Kraftstoff bestimmt, die man dem Motor für einen Umlauf zur Verfügung stellt.

Das für die Verbrennung notwendige Kraftstoff-Luft-Gemisch, wird aus dem mitgeführten Kraftstoff und der Außenluft hergestellt. Das Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff muss so gewählt werden, dass der gesamte Kraftstoff verbrennen kann.

Je mehr Sauerstoff-Überschuss man hat, desto heißer ist die Verbrennung und umso stärker wird das Kühlsystem beansprucht. Dadurch kann man nicht mehr die volle Leistung einsetzen, ohne den Motor zu überhitzen. Man spricht von einem zu mageren Gemisch, bei dem der Anteil von Kraftstoff zu Luft weniger als 1 : 15 beträgt.

Wenn ein Sauerstoff-Defizit besteht, ist die Verbrennung nicht vollständig. Die Abgase sind von Rußpartikeln durchsetzt und sind als Rußfahne hinter dem Flugzeug weithin sichtbar. Außerdem wird nicht das volle Leistungspotential des Kraftstoffs genutzt, so dass die Motorleistung abnimmt. Hier hat man ein zu fettes Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von mehr als 1 : 15.

Das volle Leistungspotential eines Motors lässt sich also nur bei optimaler Mischung erreichen.

Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab, so dass der Sauerstoffgehalt der Mischung abnimmt. Man kann dies durch einen Kompressor oder einen Turbolader ausgleichen, der die Luft verdichtet und so den Meereshöhendruck wiederherstellt. Kompressoren dürfen nur in bestimmten Stufen umgestellt werden, weil sie sonst überlastet werden. Man erkennt dies an der Ladedruckanzeige: Stellt man den Kompressor eine Stufe höher und es gibt keine Leistungssteigerung, muss man wieder zurückschalten, weil der Kompressor die Luft nicht noch weiter verdichten kann. Turbolader regeln selbst automatisch nach und müssen nicht überwacht werden. Ab einer gewissen Höhe reicht jedoch auch die Kompression nicht mehr aus um einen ausreichenden Sauerstoffgehalt zu erreichen, dann muss der Kraftstoffanteil des Gemischs reduziert werden, um die optimale Mischung herzustellen. Schlussendlich ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch so schlecht, dass das Flugzeug nicht mehr weiter Höhe aufbauen kann. Die sogenannte Dienstgipfelhöhe ist erreicht, wenn das Flugzeug weniger als 0,5 m/s steigt.

Der Ladedruck wird für uns in Atmosphären angegeben.

1) physikalische Atmosphäre, Einheitenzeichen atm, nicht mehr anzuwendende Einheit des Drucks.

1 Atmosphäre ist der Normwert des Luftdrucks. SI-Einheit ist das Pascal.

1 Atmosphäre = 1 atm = 1,01325 bar = 101,325 kPa.

2) technische Atmosphäre, Einheitenzeichen at, nicht mehr anzuwendende Einheit des Drucks.

1 at = 0,980665 bar = 98,0665 kPa.

An das Einheitenzeichen at wurden die Buchstaben a, u bzw. ü angehängt, um einen Absolutdruck (ata), einen Unterdruck (atu) bzw. einen Überdruck (atü) zu kennzeichnen. Dieser Unterschied wird heute durch die Benennung der Größe bzw. das Formelzeichen ausgedrückt.

Als Flugmotoren kamen in der Zeit von 1920 - 1945 in der Hauptsache Kolbenmotoren als 4- Takt Ottomotoren in Reihen, V und Sternanordnung der Zylinder zur Verwendung.

Bei den Kolbenmotoren werden Saugmotoren und aufgeladene Motoren unterschieden. Erstere saugen das Kraftstoff- Luftgemisch durch die Abwärtsbewegung des Kolbens selbsttätig ein. Bei aufgeladenen Motoren wird entweder die Luft alleine oder das Kraftstoff- Luft-Gemisch mit von Gebläsen erzeugtem Überdruck (zB. Rootsgebläse, Kompressoren, Turbolader, Schneckenlader, G-Lader) während der Abwärtsbewegung des Kolbens in die Verbrennungsräume gedrückt.

Sinn der aufgeladenen Motoren ist die Optimierung des Füllgrades der Zylinder (bessere Leistungsausbeute) sowie die Kompensation des Druckabfalles der Ansaugluft in größeren Höhen.

Des weiteren werden Motoren nach der Art der Gemischbildung unterschieden. Das Gemisch wird von Apparaten wie Vergasern oder Einspritzanlagen erzeugt. Ziel ist es, immer ein energiereiches, zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu erzeugen. Zwischen 1920 und 1939/40 war die Vergasertechnik noch nicht so weit ausgereift dass es gelang, das Gemisch unabhängig von Beschleunigungen des Flugzeuges in beliebige Richtungen in der momentan benötigten Menge und Qualität (Mischungsverhältnis Kraftstoff zu Luft) herzustellen. Besonders Beschleunigungen um die Querachse des Flugzeuges verursachten Probleme bei der Zuführung von Kraftstoff in die Mischkammern des Vergasers, wodurch das Gemisch so stark abgemagert oder überfettet wurde, dass der Motor aussetzte oder ganz stehen blieb. Bei Überfettung des Gemisches konnte der Motor "absaufen" wobei auch die Zündkerzen vom Kraftstoff benetzt werden und dadurch die Zündung verhindert wird. Besonders negative Beschleunigungen (andrücken des Höhenruders) waren problematisch, weil einerseits der Schwimmerkammerinhalt plötzlich in die Mischkammer entleert wurde (Überfettung) und/oder kein Kraftstoff mehr vom Tank zum Vergaser floss (Abmagerung). Für ein selbsttätiges Anlassen waren die wenigsten Motoren ausgelegt. Auch reichte der "Windmühleneffekt" nicht immer um einen stehenden Propeller gegen die Kompressionskräfte durchzudrehen und so mit der Restgeschwindigkeit des segelnden Flugzeuges den Motor zu starten.

Einspritzanlagen arbeiteten mit einem Überdruck, der es ermöglichte über mechanische Ventilsteuerungen unter allen Beschleunigungsbelastungen eine konstante und bedarfsgerechte Förderung des Kraftstoffs in die Ansaugkammer bzw. in die Zylinder (Direkteinspritzermotoren) zu erreichen. Hierdurch konnten zu fette oder zu magere Gemische in Abhängigkeit der Fluglage vermieden werden. So war es unabhängig von der Fluglage möglich, die Gemischzusammensetzung präzise zu regeln. Auch die Abstimmung der Gemischbildung auf die Ladedrücke eines vorgeschalteten Gebläses war damit wesentlich genauer zu regeln. Somit war die Einspritzanlage die deutlich fortschrittlichere und dem Zweck besser angepasste Technik zur Gemischbildung.

Jeder Verbrennungsmotor kann nur in einem bestimmten Drehzahlbereich Leistung abgeben. Dreht der Motor zu langsam, wird die gesamte freiwerdende Energie für die Aufrechterhaltung des Motorbetriebs gebraucht und das Flugzeug wird langsamer. Dreht der Motor hingegen zu schnell, kann dies eine ineffiziente Verbrennung nach sich ziehen (die entstehende Energie kann nicht mehr umgewandelt werden), doch wird im schlimmsten Fall die strukturelle Belastungsgrenze der Bauteile des Motors erreicht, so dass Lagerschäden den Motor unbrauchbar machen. Die hohe Drehzahl lässt jedoch auch viel Reibungshitze entstehen, die den Motor überhitzen kann. Die Drehzahl des Motors wird zum Einen durch die Kraftstoffmenge bestimmt, zum Anderen durch den Propeller. Da der Propeller über ein Getriebe direkt mit dem Motor verbunden ist und in der Regel nicht ausgekuppelt werden kann, kann dieser z.B. im Sturzflug vom Fahrtwind stärker angetrieben werden als vom Motor. Dann wird selbst im Leerlauf die kritische Drehzahl überschritten.

Der Propeller, oder auch die Luftschraube, setzt das Drehmoment des Motors in eine vorwärts gerichtete Kraft um, den Vortrieb. Dabei funktioniert der Propeller wie eine Schraube, die sich in Holz bohrt: Die schrägen Blätter drücken in der Drehbewegung die Luft nach hinten und das Flugzeug wird dadurch nach vorn gezogen. Allerdings ist Holz ein Feststoff, Luft aber ein Gas. Die Kräfte lassen sich nur teilweise an die Luft übertragen, so wie man bei einem Auto auf glatter Fahrbahn nur einen Teil der Motorleistung auf die Straße übertragen kann: Bei zu hoher Beschleunigung drehen die Räder durch. Dasselbe tut der Propeller in der Luft. Die auf diese Weise verlorengehende Leistung nennt man Schlupf.

Man muss starre von verstellbaren Propellern unterscheiden.

Der starre Propeller hat einen fest vorgegebenen Propellerblattwinkel. Solche Propeller findet man nur bei älteren oder schwach motorisierten Flugzeugen. Beim verstellbaren Propeller lässt sich der Blattwinkel des Propellers regeln. Je kleiner der Verstellwinkel ist, desto besser lässt sich das Motordrehmoment auf die Luft übertragen. Der Propeller schaufelt pro Umdrehung nur wenig Luft, die er jedoch (aufgrund des kleinen Winkels) mit großer Kraft nach hinten drücken kann.

Bei großen Verstellwinkeln schaufelt der Propeller wesentlich mehr Luft mit geringer Kraft. Diese Kraftunterschiede kann man sehr gut mit einer Schaltgetriebe in einem Auto vergleichen: Kleine Gänge liefern viel Kraft für die Beschleunigung, aber der Motor erreicht schnell seine maximale Drehzahl. Man muss dann hochschalten, um die Drehzahl zu senken. Dasselbe tut man, wenn man den Propellerblattwinkel erhöht: durch den größeren Winkel muss der Propeller nicht mehr so schnell drehen, um dieselbe Menge Luft zu schaufeln.

Wenn der Anstellwinkel des Flugzeugs nicht der Normalfluglage entspricht, entsteht ebenso eine Winkeldifferenz zwischen Flugrichtung und Propellerachse.

Dies führt zum Effekt des P-Faktors.

Hierbei entstehen auch am Propellerblatt unterschiedliche Anstellwinkel, welche den erzeugten Vortrieb aus der Längsachse heraus verschieben. Das Flugzeug beginnt dadurch um die Hochachse zu drehen. Es tritt der Effekt des Schiebens ein welcher unbedingt mit dem Seitenruder ausgeglichen werden muss.

Besonders Auffällig ist dieser Effekt im Steigflug und beim Rollen und Starten mit Spornradflugzeugen. Jedoch ist der P-Faktor bei jeder Änderung des Anstellwinkels (Bedienung des Höhenruders) zu beachten. Auch im Kurvenflug und im Sinkflug, sowie bei gedrosselter Leistung oder steilem Andrücken muss dieser Effekt mit dem Seitenruder ausgeglichen werden.

Es gibt bei hauptsächlich zwei Formen von Kühlung: Luftkühlung (meist Sternmotor) des Motors und Wasserkühlung (Reihen- und V-Motoren).

Bei der Luftkühlung strömt Luft an den Zylindern vorbei. Die Zylinder haben Kühlrippen, so dass die Berührungsfläche größer ist und mehr Wärme an die vorbeiströmende Luft abgegeben werden kann. Die vorbei fließende Luftmenge wird durch Klappen gesteuert, die wie Ventile funktionieren. Diese Art der Kühlung ist vor allem bei Sternmotoren effizient, jedoch gibt es zum Beispiel mit dem Argus AS 10 Motor auch Reihen und V-Reihen Motoren die nach diesem Prinzip gekühlt werden.

Bei Wassergekühlten Motoren sind die Zylinder doppelwandig konstruiert. Zwischen den Wänden zirkuliert eine Kühlflüssigkeit. Über dieses Wärmetauschersystem wird die Wärme vom Motor abgeführt. Die erwärmte Kühlflüssigkeit wird zu einem zweiten Wärmetauscher geführt, der die Wärme der Kühlflüssigkeit an die Luft überträgt. Dabei wird dasselbe Funktions- und Kontrollsystem verwendet wie bei der Luftkühlung. Die Wasserkühlung hat zwei Vorteile: Erstens bildet die Kühlflüssigkeit einen Puffer, so dass der Motor bei geringen Geschwindigkeiten nicht so schnell überhitzen kann wie bei einer Luftkühlung. Zweitens lassen sich so auch schmale und aerodynamisch vorteilhafte Reihen- und V-Motoren effizient kühlen, denn bei einer Luftkühlung würde die Kühlleistung der Luft an den hinteren Zylindern nur noch einen geringen Effekt haben.

Der Nachteil ist natürlich die Anfälligkeit gegen Beschädigung. Leckgeschossene Rohre und Wärmetauscher, teilweise einzelne Geschosse oder sonstige Fragmente, können das System binnen Minuten schachmatt setzen und zu einem überhitzten Motor führen.

Man muss beachten, dass bestimmte Konstruktionsweisen des Kühlers (äußerer Wärmetauscher) einen hohen Luftwiderstand verursachen. Dieser macht sich umso stärker bemerkbar, je höher die Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs ist. Die meisten Flugzeugkonstruktionen mit wassergekühlten Motoren können ihre Höchstgeschwindigkeit nur mit einer aerodynamisch effizienten Kühlerstellung und nicht über die maximal mögliche Motorleistung erreichen.