12.10 Aerodynamischer Flug

Fliegen zu können wie ein Vogel, ist ein uralter Menschheitstraum und die Geschichte der Luftfahrt ist dementsprechend lange. Schon in der griechischen Mythologie fertigt Dädalus Flügel für sich und seinen Sohn Ikarus aus Vogelfedern an, um sich in die Lüfte zu erheben.

Es dauerte noch einige Jahrhunderte bis um 1900 die ersten Menschen mit „Maschinen schwerer als Luft“ fliegen konnte (Otto Lilienthal, Brüder Wright, Igo Etrich und viele andere Flugzeugpioniere).

Formationsflug der Red Arrows beim Rückenflug

Bild 12.63: Formationsflug der Red Arrows beim Rückenflug

Obwohl die Physik des aerodynamischen Flugs sehr schwierig ist, schaffen wir es heute Flugzeuge zu bauen, mit denen erfahrene Piloten akrobatische Flugmanöver am Himmel vollführen können, ohne abzustürzen (Bild 12.63). In diesem Kapitel wirst du erfahren, wie man der Auftrieb und die Steuerung von Flugzeugen funktioniert.

12.10.1 Kräfte beim Flug

Bewegt sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit auf gleicher Höhe durch die Luft, heben sich die folgenden vier Kräfte auf (Bild 12.64):

  • die vorwärts gerichtete Schubkraft \(F_T\) des Triebwerks (engl. thrust)
  • die rückwärts gerichtete Luftwiderstandskraft \(F_D\) (engl. drag)
  • die aufwärts gerichtete dynamische Auftriebskraft \(F_L\) (engl. lift)
  • die abwärts gerichtete Gewichtskraft \(F_W\) des Fluggeräts (engl. weight)
Kräfte beim aerodynamischen Flug

Bild 12.64: Kräfte beim aerodynamischen Flug

12.10.2 Der Anstellwinkel

Der Anstellwinkel (engl. angle of attack) eines Flügels beschreibt, wie stark er gegen die anströmende Luft geneigt ist. Da ein Tragflächenprofil gebogen ist, nimmt man meist den Winkel zwischen der angeströmten Luft und der sogenannten Profilsehne des Tragflächenprofils (Bild 12.65).

Anstellwinkel bei unterschiedlichen Tragflächenprofilen

Bild 12.65: Anstellwinkel bei unterschiedlichen Tragflächenprofilen

Je nach gewähltem Anstellwinkel ändern sich Auftriebs- und Luftwiderstandskraft.

12.10.3 Die Unterseite der Tragfläche

Strömt Luft gegen ein Brett mit einem Anstellwinkel größer Null, werden die Luftteilchen nach unten abgelenkt. Nach der Impulserhaltung muss der Gesamtimpuls vor und nach dem Stoß aber gleich bleiben. Die Tragfläche erfährt daher einen Impuls \(P^\prime\) nach oben rechts (Bild 12.66).

lift-by-change-of-momentum

Bild 12.66: lift-by-change-of-momentum

Es wäre tatsächlich möglich mit einem geraden Brett als Tragfläche (genügend Schubkraft vorrausgesetzt) zu fliegen. Allerdings ist dies enorm ineffizient.

12.10.4 Die Oberseite der Tragfläche

Im Abschnitt Anhaften der Grenzschicht (12.9.3) hast du schon erfahren, dass Fluidteilchen der Oberfläche von Körpern folgen. In Bild 12.67 siehst du, wie sich die Fluidteilchen um ein Flügelprofil bewegen.

Luftströmung um ein Tragflächenprofil (Zeitlupe)

Bild 12.67: Luftströmung um ein Tragflächenprofil (Zeitlupe)

Wie du siehst werden auch die Teilchen oberhalb der Tragfläche durch Anhaften der Grenzschicht nach unten abgelenkt. Die Oberseite liefert damit ebenfalls einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtauftrieb. Die Gesamtablenkung der Luftteilen nach unten wird im englischen auch als downwash bezeichnet.

12.10.5 Der Strömungsabriss

Wie wichtig der Beitrag der Oberseite zum Gesamtauftrieb ist, sieht man beim Strömungsabriss (engl. stall). Wird die Tragfläche zu steil gegen die anströmende Luft gestellt, geht die sonst laminare Strömung (12.9.1) auf der Oberseite des Flügels in eine turbulente Strömung mit Verwirbelung (12.9.4) über (Bild 12.68).

Strömungsabriss und Wirbelbildung bei zu großem Anstellwinkel

Bild 12.68: Strömungsabriss und Wirbelbildung bei zu großem Anstellwinkel

In diesem Moment verliert das Flugzeug einen großen Teil seines Auftriebs und sackt ab. Verkehrsflugzeuge sind so konstruiert, das ein Strömungsabriss zu einem Abkippen (Abtauchen) der Maschine nach vorne bewirkt, wodurch die laminare Strömung wiederhergestellt wird.

12.10.6 Höhen-, Quer- und Seitenruder

Um die Lage eine Flugzeuges im Raum zu verändern gibt es Höhen-, Quer- und Seitenruder (Bild 12.69).

Rotationachsen und Ruder eines Flugzeug

Bild 12.69: Rotationachsen und Ruder eines Flugzeug

Die Höhenruder (engl. elevators) befindet sich im Heck der Maschine und bewirken ein Senken oder Heben die Nase des Flugzeugs, also eine Drehung um die Querachse (engl. pitch).

Das Seitenruder (engl. rudder) befindet sich ebenfalls im Heck der Maschine und bewirkt ein drehen nach links oder rechts, also eine Drehung um die senkrechte Achse (engl. yaw).

Die Querruder (engl. ailerons) befinden sich auf den Tragflächen der Maschine und bewirken ein Drehen des Flugzeugs um die Längsachse (engl. roll).

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