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physik referate |
1. Grundlagen des Fliegens
1.1 Der Auftrieb
1.2 Der Flugzeugaufbau
1.2.1 Der Rumpf
1.2.2 Die Tragflächen
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 Trägheitsnavigationssystem
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 Tragfläche. Die Oberseite einer Tragfläche ist gewölbt, die Unterseite dagegen gerade bzw. leicht gewölbt. Das heißt die anströmende Luft, die sich vor der Fläche teilt, hat an der Oberseite einen weiteren Weg zurückzulegen 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 Flügel gehoben wird (Auftrieb). Verstärkt wird dieses Strömungsverhalten durch eine Sekundärwirkung, die den Druckunterschied weiter vergrößert: Nachdem die Luft über die Tragfläche 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 Tragfläche stößt die rotierende Luft zusammen. Die Geschwindigkeit der Luftströmung nimmt ab, wodurch der Druck unter dem Flügel zunimmt. Über der Tragfläche bewegen sich beide Luftströmungen gleichgerichtet, und ihre kombinierte Geschwindigkeit bewirkt eine Druckverminderung . Dadurch verstärkt sich der Auftrieb. Der Auftrieb der eine Tragfläche 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 wächst. Ein weiterer vom Piloten kontrollierter Aspekt ist der Winkel zwischen Tragfläche und der Anströmrichtung der Luft der sogenannte Anstellwinkel. Bei einem Anstellwinkel von über 14° wird der Luftstrom zuerst turbolent und reißt schließlich. Auf diese Weise geht der Auftrieb verloren. Man nennt dies den "überzogenen" Flugzustand, welcher auch zum Absturtz führen kann. Das Abreißen der Strömung bei einem solchen ,,überzogenen" Flugzustand führt 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 gewählt, daß sie der vorbeiströmenden Luft einen möglichst kleinen Widerstand bieten und gleichzeitig der sog. Auftriebsbeiwert den gegebenen Anforderungen entspricht. Der Auftriebsbeiwert ist eine dimensionslose Größe (CA), die von der Form des Profils, seinem Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit abhängt und wird am Tragflächenmodell im Windkanal ermittelt. Über das Verhältnis von Auftrieb (CA) zu Widerstand (CW) gibt die CA/cw-Kurve für verschiedene Anstellwinkel Auskunft. Im der optimale Anstellwinkel für 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 Tragflächen aus. Um einen hinreichend großen Auftrieb zu erhalten, ist also eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit der Tragflächen, 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 äußeren Merkmalen, die bei jedem Flugzeug (bis auf einige Ausnahmen) vorhanden sind in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, Tragflächen, Leitwerk, Fahrwerk
In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. Später führte der Wunsch nach größerer Stabilität und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, Rümpfen, die den Strömungswiderstand verringerten.
Heute ist Hauptaufgabe des Rumpfes die Nutzlast aufzunehmen.
Eigentlich sind die Tragflächen nicht am Rumpf befestigt, sondern der Rumpf wird um die Tragfläche gebaut. Die Tragfläche besteht aus einem Stück! Neben der Aufgabe für Auftrieb zu sorgen, sind in ihr eine Menge von Hydraulik Systemen für Klappenfunktionen und Querruder (siehe ). Der größte Teil ihres Volumens ist jedoch für den Treibstoff.
Deutlich demonstriert wird die konstruktive Bedeutung der Tragfläche bei der Entwicklung des so genannten Nurflügelflugzeuges, ein Luftfahrzeug, bei dem Rumpf und Leitwerk nahezu ganz verschwunden sind.
Es besteht aus zwei Ruderflächen, einer waagerechten und einer senkrechten Fläche. 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 Tragfläche oder dem Rumpf verbindet, um die Erschütterung bei der Landung zu dämpfen; der Einfahrmechanismus, der das Fahrwerk einholt und ausfährt; die Räder und die Radbremsen. Übrigens kommt es heute kaum noch vor, daß ein Flugzeug Treibstoff ablassen muß. Bei vorzeitiger Landung (Notfall) war es früher üblich Treibstoff abzulassen, weil die Fahrwerke das Gewicht beim Aufsetzen nicht ausgehalten hätten. Heute sind die Fahrwerke sehr stabil konstruiert, so daß es fast möglich ist mit einem volbetanktem Flugzeug zu Landen.
2. Technik einer modernen Verkehrsmaschine
Grundsätzlich gibt es drei Antriebsarten:
Propellerantrieb mit Kolbentriebwerk
Strahltriebwerk
Turboprop
Wird nur praktisch nur für kleine Flugzeuge (Sportflugzeuge) verwendet, weil die Maximalgeschwindigkeit auf etwa 650 km/h begrenzt ist und die Leistung fällt in großen Höhen stark ab. Deshalb sind sie für den Zivilluftverkehr ungeeignet.
Als Strahl- oder Düsentriebwerke bezeichnet man Flugzeugtriebwerke, bei denen der erforderliche Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt wird. Der früher gebräuchlichste 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 führt 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 Schubdüse.
Für den Antrieb von Großraumflugzeugen (Jumbo-Jet, Airbus u. a.) werden sogenannte Fan-Triebwerke (Bläsertriebwerke, Zweikreistriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis) verwendet. Das äußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein großer, von der Turbine angetriebener ,,Bläser'' (Fan) von fast 2,50 m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist. Er bewirkt mit der ihn umgebenden Verkleidung, daß der überwiegende Teil (70 bis 80%) der angesaugten Luftmassen (rund 650 kg pro Sekunde, d.h. rund 500 m³/s) als kalter Sekundärluftstrom um das eigentliche Triebwerk herumgeführt und dabei hoch beschleunigt wird. Dies hat zur Folge, daß auch der überwiegende Teil des Triebwerkschubs durch den Nebenstrom erzeugt wird.
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, äußerst zuverlässig und wartungsarm. Da ihre Maximalgeschwindigkeit bei etwa 850 km/h liegt werden sie meist nur für Kurzstreckenflugzeuge (Inlandsflüge) mit weniger als 80 Sitzplätzen verwendet. Zum Beispiel Saab 2000, oder Dash-8 (Rheintalflug).
2.3 Klappen
Da der Auftrieb von der Geschwindigkeit abhängt, wurden für Start und Landung diverse Klappen am Tragflügel angebacht. Landeklappen (am Tragflügelende) und Nasenklappen (an der Tragflügelvorderkante) erlauben gerinere Start und Landegeschwindigkeiten. Sie sorgen für 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
Primär besteht die Stromversorgung aus Wechselstrom mit einer Spannung von 115 Volt und einer Frequenz von 400 Hertz. Durch diese für 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 beträgt 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 Sicherheitsgründen 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 größtmöglicher Sicherheit unabhängig von den jeweils gegebenen meteorologischen Bedingungen nach Instrumentenflugregeln
durchgeführt.
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 für den örtlichen statischen Luftdruck genommen und über 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 für 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 über einen Strömungswiderstand (Kapillare, Schlitz, Stauscheibe) mit dem statischen Druck der Außenluft in Verbindung. Bei Höhenänderung ändert sich der statische Druck; der Druckausgleich kann wegen des Strömungswiderstandes nur langsam erfolgen. Die Druckdifferenz am Stömungswiderstand ist ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit.
3.1.3 Trägheitsnavigationssystem
Eines der wichtigsten Instrumente ist das Trägheitsnavigationssystem. Es heißt INS (intertial navigation system). Es errechnet den Weg über Grund mit großer Präzision. Das Prinzip beruht auf den Kreiselgesetzen. Das typische an Kreiseln ist ihre Richtungsstabilität. Im INS sind dazu drei frei hängende Kreisel schnell drehende Kreisel angeordnet. Die Lage der Kreisel ändert sich, im Gegensatz zum Flugzeug, während des gesamten Fluges nicht. Dadurch lassen sich Lageänderungen 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 für 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 erhält die Geschwindigkeit über Grund. Ohne diese Geschwindigkeitsangabe käme man nie zum gewünschten 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 Ausführung ist hedoch sehr kompliziert.
3.1.4 Geschwindikeitsmessung
Die Bestimmung der Eigengeschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft geschieht über Staudruckmessung mit dem Fahrtmesser. Meßgeber ist das außerhalb vom Rumpf im freien Luftstrom angebrachte Staudruckrohr. Die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und statischem Druck wird über eine Membrandose gemessen und angezeigt. Zur Ermittlung der genauen Werte wird der Einfluß der momentanen Luftdichte berücksichtigt.
3.1.5 Instrumentenlandesystem
Die Landung wird vom Instrumentenlandesystem (ILS) unterstützt.
Von zwei Antennensystemen am Boden werden Funksignale abgestrahlt, welche sogenannte Leitebenen für die horizontale und vertikale Führung bilden. Eine grobe Entfernungsanzeige ergibt sich beim Durchfliegen der Markierungfeuer Outer Marker (OM), Middle Marker (MM) und Boundary Marker (BM). Der Bordempfänger 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 geführt.
3.1.6 Autolanding
Moderne Flugzeuge haben die Möglichkeit automatisch zu landen. Es ist dem Piloten überlassen ob er das Landen dem Autopiloten überlässt, 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 Kapitän dann in einer Flughöhe von etwa 7m die Landebahn sieht, darf der Autopilot landen. Andernfalls muß der Kapitän 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 Unfälle zu verhindern, wurde ein weitgefächertes 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 beträgt im unteren Luftraum 300 Meter, im oberen, das heißt in Höhen über 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 Sicherheitsgründen sind alle für 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 führt.
4.2 TCAS
Infolge der dramatischen Zunahme des Luftverkehrs stellen Kollisionen und Beinah-Zusammenstöße, 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 Tragfläche hatte schon einige Abstürze zur Folge. Besonders beim Durchfliegen von Wolken bildet sich Eis auf der Vorderkante der Tragfläche. Dies führt zu einer Veränderung des Profils, was zu einem verringertem Auftrieb führt zudem erhöht sich der Luftwiderstand. Schwere Vereisung kann die Leistung eines Flugzeugs soweit verschlechtern,daß es nicht mehr flugfähig ist. Neben der Enteisung auf dem Flugplatz gibt es zwei Verfahren, die Tragfläche eisfrei zu halten:
Anbringung von aufblaßbaren Schläuchen auf der Vorderkante der Tragfläche, welche das Eis aufbrechen.
Heranführen warmer Luft von den Triebwerken.
Quellenverzeichnis:
1997: 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8
1998: 1, 3, 4, 6
1999: 1
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 Jürgen 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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