Aufbau der Atmosphäre

  • Atmos-phäre = atmós-sfaira = Dampf-Kugel
  • Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle eines Planeten.
  • In der Erdamosphäre spielt sich das Wettergeschehen nur in den unteren 10 km statt. Darüber liegende Schichten haben praktisch keinen Einfluss auf das Wetter.
  • Man sagt Schicht, aber da die Erde eine Kartoffel Kugel ist, ist eigentlich Schale der bessere Ausdruck. Ich bleibe hier jedoch wie offenbar überall woanders bei dem Begriff Schicht.
  • Die folgende Tabelle zeigt den Aufbau der Atmosphäre.
Ungefährer HöhenbereichName der Schicht bzw. Schale
Exosphäre
80 – 600 kmIonosphäre / Thermosphäre
Mesopause
50 – 80 kmMesosphäre
Stratopause
11 – 50 kmStratosphäre
Tropopause
0 – [7 – 17] kmTroposphäre
  • Die Troposphäre ist die bodennahe Luftschicht. Sie reicht an den Polargebieten bis zu einer Höhe von 7 km und in den Tropengebieten bis zu einer Höhe von 17 km. Zwischen den Polargebieten und Tropen verändert sich ihre Höhe mit der Jahreszeit. Die Temperatur in ihr sinkt mit zunehmender Höhe kontinuierlich bis zur Tropopause.
  • Die Stratosphäre liegt über der Troposphäre bis zu einer Höhe von ca. 50 km. In den untersten 25 km bleibt die Temperatur annähernd gleich, danach steigt sie an, bis sie auf der Höhe der Stratopause wieder annähernd der Temperatur auf dem Erdboden entspricht.
  • Die Mesosphäre liegt über der Stratosphäre bis zu einer Höhe von ca. 80 km. In ihr nimmt die Temperatur kontinuierlich ab.
    • In diesem Bereich entstehen die Nordlichter.
  • Die Ionosphäre oder Thermosphäre liegt über der Mesosphäre und bildet einen kontinuierlichen Übergang zu dem Weltraum. Es gibt mehrere Definitionen, bis zu welcher Höhe sie reicht.
    • Nach der weithin akzeptierten Kármán-Linie liegt sie bei einer Höhe von 100 km. Ab ungefährt dieser Höhe ist die Teilchendichte so gering und die Zentrifugalkraft größer als aerodynamische Kräfte, so dass Luft-fahrt hier nicht mehr möglich ist und auch luft-betriebene Triebwerke keinen Schub mehr geben können.
  • Die Exosphäre bezeichnet den luftleeren Raum, der auf einer Höhe von ca. 600 km beginnt.

Propeller / Luftschraube

  • Der Propeller ist wie ein rotierender Tragflügel.
  • Der Anstellwinkel (Blattwinkel) bestimmt den erzeugten Schub und die Steigleistung
    • Je größer der Anstellwinkel, desto kleiner die Steigung und desto größer die Maximalgeschwindigkeit.
      • Reiseflugzeuge, benötigen längere Startbahnen.
    • Je kleiner der Anstellwinkel, desto größer die Steigung und desto kleiner die Maximalgeschwindigkeit.
      • Schleppflugzeuge, viel Schub auf kurzer Startbahn möglich
  • Bei einer starren Luftschraube sind diese Eigenschaften fest, bei verstellbaren Luftschrauben kann man je nach Fluglage deren Anstellwinkel verändern.
  • Es gibt folgende Propellereffekte:
    • Torque-Reaktion bezeichnet die Gegenreaktion des Drehmoments der Flugschraube. Dreht sich das Triebwerk nach rechts, erfährt das Flugzeug damit gleichzeitig ein Drehmoment nach links.
      • Beim Start sorgt dies für eine stärkere Belastung der Räder auf einer Seite.
      • Beim Start entsteht deswegen eine Tendenz zum Ausbrechen in die Richtung des Drehmoments.
      • Die Stärke der Torque-Reaktion hängt von der Leistung des Motors und der Masse des Flugzeuges ab.
    • Korkenzieher-Effekt bezeichnet ein Moment um die Hochachse, da sich die Luft des Propellers um das Flugzeug herum windet und am Heck einen anziehenden Effekt hat.
    • Kreiselwirkung bezeichnet eine durch die Veränderung der Lage des Propellers entstehende Kraft. Wenn sich z.B. das Flugzeug dreht/giert, ändert dies die Lage des Propellers, wodurch gleichzeitig eine Nickbewegung entsteht.

Konstruktionsgruppen eines Flugzeuges

  • Ein Flugzeug besteht aus folgenden Konstruktionsgruppen:
    • Flugwerk
    • Triebwerk
    • Mindestausrüstung
    • Zusatzausrüstung
  • Zu dem Flugwerk gehören
    • Rumpfwerk
    • Tragwerk
    • Leitwerk
    • Steuerwerk
    • Fahrwerk
  • Das Leitwerk besteht aus
    • Höhenleitwerk
    • Seitenleitwerk
    • Flügelleitwerk
  • Als differenzierte Querruder werden Querruder bezeichnet, bei denen ein Ausschlag nach oben größer ist als ein gleich hoher Ausschlag nach unten.
  • Durch die Trimmung werden die Handkräfte am Steuerknüppel an den Flugzustand angepasst. Es bestimmt die Feinabstimmung der Fluglage.
    • Bei einer guten Trimmung hält das Flugzeug seine Lage im Horizontal-, Steig- oder Sinkflug auch ohne Eingreifen des Piloten bei.
    • D.h. wenn man den Steuerknüppel nicht betätigt und die Flugzeugnase absinkt, dann ist es kopflastig bzw. wenn die Flugzeugnase sich erhebt, schwanzlastig. Durch Justierung der Trimmung stellt man den Winkel eines Quer-, Höhen- oder Seitenruders so, dass bei den aktuellen Umgebungsbedingungen das Flugzeug in stabiler Lage bleibt.
  • Es ist schädlich, den Motor in kaltem Zustand sofort auf hohe Drehzahlen zu bringen, da das kalte = sehr zähe Öl noch nicht die erforderlichen Schmiereigenschaften hat.

Willkommen bei meiner persönlichen Notizsammlung über die Fliegerei. Hier sammle, ordne und organisiere ich Lerninhalte als Vorbereitung auf die Schulung und Prüfung zur LAPL, die ich Mitte 2021 (so es Corona will…) anstrebe. Gerne dürfen Anmerkungen und Kommentare zu den Inhalten eingestellt werden.

Andreas Marc Klingler, München

Flugleistungen des Motorflugzeuges

  • Gestartet wird grundsätzlich mit höchster Triebswerksleistung.
  • Startrollstrecke bezeichnet die benötigte Pistenlänge bis zum Abheben.
  • Startstrecke bezeichnet die benötigte Länge bis min eine Höhe von 15 Metern erreicht hat.
  • Die Steigrate sinkt mit zunehmender Höhe und Temperatur.
  • Dienstgipfelhöhe bezeichnet diejenige Höhe, bei der noch unter Standardbedingungen eine Steigleitung von 0,5 m/s erreicht wird.
  • Die Mindestgeschwindigkeit eines Flugzeuges hängt ab von seiner
    • Masse,
    • Querneigung,
    • Lage des Schwerpunktes und der
    • Klappenstellung.
  • Die Faustformel für UL-Flugzeuge: 1 KM Gleitstrecke pro 100m Höhe

Klappen

  • Die Landeklappen verändern das Profil des Tragflügels und verändern dadurch seinen Auftriebs- und Widerstandswert.
    • Im Reiseflug hat man sie i.d.R. bei 0°.
    • Beim Startflug senkt man sie z.B. auf 10° ab, um höheren Auftrieb zu erhalten.
    • Beim Landeflug senkt man sie stärker ab, z.B. auf 45°, um sehr hohen Widerstand zu erzeugen.
  • Eine Spaltklappe ist eine Form der Landeklappe, bei der zwischen der Klappe und dem Flügel Luft durchströmen kann. Dies ermöglichst besseren Langsamflug.
  • Eine Fowlerklappe fährt erst nach hinten und dann erst nach unten aus. Sie vergrößert beim Ausfahren also auch die Flügelfläche. Sie wird nur bei sehr großen Flugzeugen eingesetzt.
  • Eine Störklappe oder Bremsklappe fährt etwas an der Flügeloberfläche aus, das die Strömung über den Flügeln bricht und sehr hohen Widerstand erzeugt.

Schränkung

  • Eine Schränkung bezeichnet eine „Verformung“ eines Flügels entlang seiner Länge.
    • Hätte ein Flügel komplett die gleiche aerodynamische Form, dann würde bei einem Strömungsabriss der Auftrieb sofort komplett zusammenbrechen.
    • Durch eine Verformung hat der Flügel an verschiedenen Stellen verschiedene Auftriebs- und Widerstandswerte.
    • Ein Strömungsabriss kann dann auf einem Teil des Flügels auftreten, während ein anderer Teil des Flügels weiterhin Auftrieb erzeugt
  • Bei einer geometrischen Schränkung wird die Profilbezugslinie/-sehne gedreht, so dass der Einstellwinken am Flügelende kleiner ist als innen.
    • Dadurch reißt die Strömung zuerst innen am Flügel ab, während außen der Flügel weiterhin trägt.
  • Bei einer aerodynamischen Schränkung wird das Profil kontinuierlich verändert und ineinander übergeleitet.

Aerodynamische Steuerung

  • Folgende Ruder bewegen das Flugzeug um seine Achsen.
AchseRuderBewegung
LängsachseQuerruderRollen
HochachseSeitenruderGieren
QuerachseHöhenruderNicken
  • Ein Flugzeug ist statisch stabil, wenn es nach einem Steuerungsausschlag den neuen Gleichgewichtszustand beibehält.
  • Ein Flugzeug ist labil, wenn es nach einem Steuerungsausschlag diesen weiter verstärkt und nicht in einen Gleichgewichtszustand übergeht.
  • Eine leichte V-Stellung erzeugt bei einem Rollen in die eine Richtung einen höheren Auftrieb in die andere Richtung, was das Flugzeug längsstabil macht.
  • Je tiefer der Schwerpunkt unterhalb des Angriffspunktes des Auftriebs liegt, desto stabiler ist das Flugzeug um die Längsachse.
    • Der Angriffspunkt des Auftriebes liegt bei den Flügeln.
    • Bei Hochdeckern ist dieser weiter vom unten liegenden Schwerpunkt entfernt.
    • Bei Tiefdeckern ist er sehr nah am Schwerpunkt, weswegen man bei ihnen stärkere V-Stellungen hat.
  • Unter dem Ruderausgleich versteht man eine Maßnahme, die es dem Piloten ermöglicht, eine höhere Kraft auf die Ruder auszuwirken.
    • Bei einem aerodynamischen Ruderausgleich wird der Drehpunkt nicht in der Mitte, sondern versetzt im Ruder angelegt, so dass eine Hebelwirkung die Kraft des Piloten verstärkt.
    • Bei einem statischen Ruderausgleich wird der Drehpunkt in der Mitte platziert, jedoch gegenüber des Ruders ein Gewicht montiert, das der Ruderkraft entgegenwirkt.
      • Dies reduziert außerdem ein Flattern des Ruders, da sich dessen Trägheit erhöht.

Beladung und Schwerpunkt

  • Der Schwerpunkt (Center of Gravity) ist der gedachte Massenmittelpunkt.
  • Der Schwerpunkt ist der Angriffspunkt der Gewichtskraft
  • Die Lage des Fluggewichtsschwerpunktes ist von entscheidender Bedeutung für die Flugeigenschaften.
    • Schwerpunkt zu weit vorne: Anstellwinkel für Höchstauftrieb kann nicht mehr erreicht werden.
    • Schwerpunkt zu weit hinten: Labilität um die Querachse und Trudelneigung steigt stark an.
  • Der Leermassenschwerpunkt ist ein gedachter Massemittelpunkt eines leeren Flugzeuges.
  • Der aktuelle Flugmassenschwerpunkt hängt von der Beladung und ihrer Position ab und muss vor jedem Flug ermittelt werden.
    • Der Hersteller gibt im Flughandbuch die Hebelarme an für zu beladende Positionen.
      • Sitze für Passagiere
      • Raum für Kraftstoff
      • Gepäckraum
    • Bei der Flugvorbereitung ermittelt man diese Werte und trägt sie in eine Tabelle ein, die teilweise mit Werten des Flugmusters vorausgefüllt ist.
    • Jeder Umbau / Ausbau / Einbau eines Teils am Flugzeug kann seinen Schwerpunkt verändern. Daher muss jede Veränderung dokumentiert werden und der neue Schwerpunkt immer neu berechnet werden.
  • Jeder Umbau / Ausbau / Einbau eines Teils am Flugzeug kann seinen Schwerpunkt verändern. Daher muss jede Veränderung dokumentiert werden und der neue Schwerpunkt immer neu berechnet werden.

Vorlage: Berechnung des Flugmassenschwerpunktes

Eine Vorlager solcher Art kann für ein Muster verwendet werden zur Berechnung des Flugmassenschwerpunktes vor jedem Flug. Hierin sind bereits etliche feste Werte eingetragen. (Hinweis: Das Massenmoment berechnet sich durch die Multiplikation der Masse mit dem Abstand vom Schwerpunkt.)

MasseAbstand vom SchwerpunktMassenmoment
Leermasse300 kg+43cm12900kgcm
Passagier 1+40cm
Passagier 2+40cm
Gepäck+95cm
Kraftstoff+130cm
Gesamte Flugmasse< 472,5 kg< 24570 kgcm
Aktueller Schwerpunkt< 52 cm

Beispiel: Berechnung des Flugmassenschwerpunktes

Folgendes Beispiel zeigt eine ausgefüllte Vorlage für einen Passagier. Die Gesamtmasse ist im gültigen Bereich. Das Massemoment befindet sich jedoch mit 52,77 cm zu weit hinten, da es für dieses Muster kleiner als 52 cm sein muss. Mit dieser Beladung darf nicht gestartet werden, da das Flugzeug sonst kippinstabil werden kann.

MasseAbstand vom SchwerpunktMassenmoment
Leermasse300 kg+43cm12900 kgcm
Passagier 190 kg+40cm3600 kgcm
Passagier 20 kg+40cm0 kgcm
Gepäck20 kg+95cm2600 kgcm
Kraftstoff60 kg+130cm5700 kgcm
Gesamte Flugmasse470 kg24800 kgcm
Aktueller Schwerpunkt24800 kgcm / 470 kg = 52,77 cm

Leistungsgrenzen während des Fluges

  • Ein V-n-Diagramm zeigt die Lastvielfache bei verschiedenen Geschwindigkeiten an und damit gleichtzeitig, in welchen Bereichen das Flugzeug betrieben werden darf.
  • Die Manövergeschwindigkeit VA ist die maximale Geschwindigkeit, bei der noch das Höhenruder maximal bewegt werden darf.
  • Je geringer die Flugmasse, desto kleiner die Manövergeschwindigkeit.
    • Je leichter das Flugzeug, desto stärker wirkt die vertikale Beschleunigung.
    • Und desto eher werden die Belastungsgrenzen des Höhenruders erreicht.
  • Die Grenzgeschwindigkeit Vno (normal operating speed) ist die konstruktiv maximal zulässige Geschwindigkeit.
  • Die Maximalgeschwindigkeit Vne (never exceed speed) ist die maximale Geschwindigkeit, die niemals überschritten werden sollte.
  • Es gilt also
    • Manövergeschwindigkeit < Grenzgeschwindigkeit < Maximalgeschwindigkeit
    • VA < Vno < Vne