Die allgemeine Luffahrzeugkunde behandelt verschiedene Aspekte des Flugzeugbaus. Es geht zunächst um die verschiedenen Komponenten eines Flugzeugs. Anschliessend werden die wichtigsten Bordsysteme in Kleinflugzeugen, die elektrische Anlage und die Unterdruckanlage behandelt. Es geht weiter mit dem Aufbau und der Funktion eines einfachen Kolbentriebwerks, einschließlich Kraftstoffversorgung, Systemkreisläufen und dem Propeller sowie der Gemischregulierung durch den Piloten.
Außerdem befasst sich dieser Bereich mit verschiedenen Cockpit-Instrumenten, die für Sichtflüge notwendig sind.
Rumpf, Leitwerke, Tragwerke, Steuerungssystem und Fahrwerk
Hier geht es zunächst um die verschiedenen Komponenten eines Flugzeugs, wie Rumpf, Leitwerke, Tragwerke, Steuerungssystem und Fahrwerk. Die Konstruktion muss extreme Situationen und Kräfte berücksichtigen, weshalb Präzision und umfangreiche Tests erforderlich sind. Auch die regelmäßige Überprüfung und Berücksichtigung der begrenzten Lebensdauer der verwendeten Teile sind wichtig.
Es werden verschiedene Baumaterialien wie Holz, Metall und Verbundwerkstoffe sowie Konstruktionsmethoden beschrieben. Unterschieden wird zwischen Primär- und Sekundärstruktur. Bei Verbindungen werden Nieten, Klebstoffe und lösbare Verbindungen eingesetzt. Die Lufttüchtigkeit ist ein weiteres zentrales Thema, mit besonderem Fokus auf die Vorflugkontrolle und Wartungsvorschriften.
Die Tragflächen, eines der wichtigsten Elemente, werden hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Anordnung und Formen diskutiert. Das Leitwerk dient zur Stabilisierung und Steuerung des Flugzeugs. Verschiedene Steuerungskomponenten, wie Höhen- und Querruder, Trimmruder und Bremsklappen, werden erläutert.
Schließlich wird auf die Belastungen eingegangen, denen die Flugzeugstruktur ausgesetzt ist, inklusive der Behandlung von statischen und dynamischen Belastungen sowie des Lastvielfachen. Verschiedene Konstruktionsansätze wie „Safe Life“ und „Fail Safe“ werden vorgestellt, um die Langlebigkeit und Sicherheit der Flugzeugstrukturen zu gewährleisten.
Des Weiteren wird spezifisch auf das Fahrwerk eingegangen. Es gibt verschiedene Fahrwerksvarianten, abhängig vom Untergrund und Einsatzort des Flugzeugs. Die meisten Flugzeuge in der Allgemeinen Luftfahrt haben drei Fahrwerksbeine: zwei Hauptfahrwerke und ein Bug- oder Heckfahrwerk. Das Hauptfahrwerk trägt die Hauptlast bei der Landung und ist nahe am Flugzeugschwerpunkt montiert.
Das Bugfahrwerk, meist mit einem oder zwei Rädern, beinhaltet das Federbein und den Stoßdämpfer für ein sanftes Absetzen bei der Landung. Es ist für kleinere Belastungen ausgelegt und sollte erst nach dem Hauptfahrwerk den Boden berühren. Die Steuerung am Boden erfolgt über das Bugrad. Ein Flatterdämpfer verhindert unruhigen Lauf des Bugrades.
Ein Einziehfahrwerk dient zur Reduzierung des Luftwiderstands und somit zur Erhöhung von Geschwindigkeit und Reichweite, bringt aber zusätzliches Gewicht mit sich. Bei einem Systemausfall gibt es die Möglichkeit des manuellen Notausfahrens. Das Fahrwerk wird durch Kontrollleuchten im Cockpit überwacht.
Die Bremsen, meist am Hauptfahrwerk angebracht, wandeln kinetische Energie in Wärmeenergie um und sind hitzebeständig ausgelegt. Die meisten Kleinflugzeuge verwenden Trommel- oder Scheibenbremsen, die hydraulisch oder mechanisch betätigt werden. Die Parkbremse dient dazu, ein ungewolltes Wegrollen zu verhindern.
Die Reifen, die direkten Bodenkontakt haben, müssen regelmäßig auf Reifendruck und Oberflächenzustand überprüft werden. Sie sind mit Luft oder Stickstoff gefüllt und können mit oder ohne Schlauch sein. Wichtig ist der feste Sitz des Reifens auf der Felge und der Zustand der Karkasse. Die Felgen, meist aus Leichtmetall, sollten ebenfalls auf Risse überprüft werden.
Bordsysteme in Kleinflugzeugen
In diesem Abschnitt wird die Bedeutung der elektrischen und Unterdruckanlagen in modernen Luftfahrzeugen, insbesondere in Sportflugzeugen, hervorgehoben. Diese Systeme sind entscheidend, um verschiedene technische Hilfen und Überwachungsinstrumente mit Energie zu versorgen.
Die elektrische Anlage ist ein Schlüsselsystem, das eine Vielzahl von Verbrauchern versorgt, darunter Sprechfunk- und Navigationsinstrumente, manchmal auch Trimmruder und Landeklappen. Diese Anlage besteht aus einer Batterie und einem Generator, die zusammen eine konstante Stromversorgung sicherstellen. Der Pilot muss über die Betriebsart der an Bord befindlichen Instrumente gut informiert sein, um bei Problemen angemessen reagieren zu können. Bei einem Ausfall des Generators übernimmt die Bordbatterie die Stromversorgung.
Die Unterdruckanlage wird häufig für die Energieversorgung von Kreiselinstrumenten verwendet. Sie funktioniert mittels einer Unterdruckpumpe, die mit der Motordrehzahl verbunden ist und einen konstanten Unterdruck im System aufrechterhält. Diese Anlage ist vor allem für den künstlichen Horizont und den Kurskreisel verantwortlich, während der Wendezeiger in der Regel elektrisch betrieben wird.
Das Theorie-Kapitel erklärt auch elektrotechnische Grundlagen wie Atommodelle, Strom und Spannung, Widerstand und die Funktionsweise von Gleichstromgeneratoren. Die Bedeutung von Sicherungen wird betont, da sie einen zu hohen Stromfluss verhindern und somit Brandgefahr ausschließen. Verschiedene Arten von Sicherungen, einschließlich Schmelzsicherungen und Sicherungsautomaten, werden diskutiert.
Zusammenfassend geht es hier um eine umfassende Einführung in die elektrischen und pneumatischen Systeme von Sportflugzeugen, die für die Funktionalität und Sicherheit an Bord von entscheidender Bedeutung sind.
Triebwerke und Kraftstoffversorgung, Propeller
Hier wird die Arbeitsweise eines Flugzeugmotors beschrieben. Der Viertakt-Ottomotor, der in kleineren und mittleren Luftfahrzeugen vorherrscht, funktioniert durch die zyklische Wiederholung von vier Arbeitstakten: Ansaugen, Verdichten, Zünden und Ausstoßen. Jeder dieser Takte spielt eine entscheidende Rolle in der Kraftentwicklung des Motors. Eine besondere Herausforderung stellt das Klopfen dar, eine unkontrollierte Verbrennung, die durch den Einsatz von Kraftstoffen mit niedriger Oktanzahl verursacht werden kann und zu Schäden am Motor führen kann. Die Kernkomponenten des Motors, wie Zylinder, Kolben, Kolbenringe, Ventile und Zündkerzen, sind für die ordnungsgemäße Funktion des Motors unerlässlich.
Das Kühlsystem, meist durch Luftkühlung in Sportflugzeugmotoren realisiert, nutzt Luftströmungen und Kühlrippen zur Wärmeableitung. Überhitzung, oft durch beschädigte Kühlrippen verursacht, kann schwerwiegende Schäden am Motor verursachen und erfordert eine ständige Überwachung der Zylinderkopftemperatur.
Das Schmierstoffsystem hat mehrere wichtige Aufgaben wie Schmierung, Kühlung, Abdichtung, Reinigung und Korrosionsschutz. Es wird unterschieden zwischen Trocken- und Nasssumpfschmiersystemen, wobei letzteres in Boxermotoren häufiger verwendet wird. Die Wahl des richtigen Öls, sei es Mineralöl oder ein teil-/vollsynthetisches Öl, ist entscheidend für die Leistung und den Schutz des Motors.
Das Zündsystem in Flugzeugen basiert in der Regel auf einer Magnetzündung, die unabhängig vom Bordnetz arbeitet. Jeder Zylinder ist mit zwei unabhängigen Zündsystemen ausgestattet, um Leistung und Betriebssicherheit zu erhöhen. Der Zündfunke, erzeugt durch Hochspannungsfunken der Zündkerzen, ist für den Verbrennungsvorgang unerlässlich.
Beim Anlassen und Abstellen des Motors spielt der Anlasser, ein an die Batterie angeschlossener Elektromotor, eine wichtige Rolle. Er sollte nur kurzzeitig eingeschaltet werden. Das Abstellen des Motors sollte durch Verarmung des Gemischs erfolgen und nicht durch Abschalten der Zündung, um Glühzündungen zu vermeiden.
Schließlich ist die regelmäßige Überprüfung und Wartung des Motors von entscheidender Bedeutung. Dazu gehört die Überprüfung der Zündanlage vor jedem Flug sowie die regelmäßige Kontrolle und der Wechsel von Öl und Ölfiltern. Diese Maßnahmen sind entscheidend, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit des Flugzeugs zu gewährleisten.
Des Weiteren wird die Kraftstoffversorgung behandelt. Die Kraftentwicklung in den Zylindern von Luftfahrzeugen, die als Antriebskraft dient, resultiert aus der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches. Dabei wird der Sauerstoffgehalt der Luft zur Oxidation des Kraftstoffs genutzt. Je nach Flugzeugkonstruktion und Motor gibt es unterschiedliche Methoden, um das Gemisch in die Zylinderräume zu führen und die Mischung von Luft und Kraftstoff zu regulieren. Bei Sportflugzeugen muss das Mischungsverhältnis oft manuell eingestellt werden.
Der für Luftfahrzeuge genutzte Kraftstoff ist speziell für Flugmotoren konzipiert und unterscheidet sich von herkömmlichem Automobilkraftstoff. Entscheidend für die Eignung des Kraftstoffs ist die Klopffestigkeit, die durch die Oktanzahl bestimmt wird. Die Verwendung eines nicht geeigneten Kraftstoffs kann zu Leistungseinbußen oder Motorschäden führen.
Es gibt zwei Hauptsysteme zur Kraftstoffanlage in Sportflugzeugen: die Schwerkraft-Anlage und die Kraftstoffpumpenanlage. Bei der Schwerkraft-Anlage nutzen Hoch- und Schulterdecker die Schwerkraft, während Tief- und Mitteldecker eine motorgetriebene Kraftstoffpumpe und eine zusätzliche elektrische Kraftstoffpumpe (Boost Pump) verwenden.
Die Gemischbildung in den Motoren erfolgt entweder durch Vergaser oder Einspritzsysteme. Vergaseranlagen mischen Kraftstoff und Luft im Vergaser, bevor das Gemisch in den Zylinderraum gelangt, während Einspritzsysteme den Kraftstoff direkt zu den Zylindern leiten. Einspritzsysteme bieten Vorteile wie einen ruhigeren Motorlauf und geringeren Kraftstoffverbrauch.
Die manuelle Gemischregelung ist notwendig, um ein optimales Verhältnis von Kraftstoff zu Luft zu erreichen, besonders in unterschiedlichen Flughöhen. Ein zu fettes Gemisch kann zu unerwünschten Ablagerungen und Überhitzung führen, während ein zu mageres Gemisch die Motorleistung beeinträchtigen kann. Die Einstellung erfolgt über den Gemischregler im Cockpit und wird durch die Abgas- und Zylinderkopftemperatur überwacht.
Zusätzlich gibt es spezielle Herausforderungen wie Vergaservereisung, die bei bestimmten Temperaturbereichen auftreten kann und durch die Vergaservorwärmung verhindert wird. Auch die richtige Behandlung des Kraftstoffs, wie das Entfernen von Wasser und die Überprüfung auf Verunreinigungen, ist entscheidend für einen sicheren Flugbetrieb.
Auch wird die Funktionsweise des Propellers beschrieben. Der Propeller eines Kolbentriebwerks wandelt die während des Verbrennungsvorgangs im Motor erzeugte Kraft in Vortrieb um. Die Form eines Propellers ähnelt der einer Tragfläche, wobei der erzeugte Auftrieb in Flugrichtung wirkt. Ein Propeller besteht aus einer Nabe und mehreren Blättern, deren Anzahl und Material variieren können. Die Nabe ist durch einen Spinner verkleidet, der aerodynamisch geformt ist und Schutz bietet.
Die Propellerblätter erzeugen durch ihre Rotation Auftrieb in Flugrichtung. Der Einstellwinkel der Blätter ist dabei entscheidend. Dieser Winkel verringert sich vom Inneren zum Äußeren des Blattes, um eine gleichmäßige Schubkraft über das gesamte Blatt zu gewährleisten. Diese Anpassung wird als geometrische Schränkung bezeichnet.
Der theoretische Weg, den ein Propeller bei einer Umdrehung in einem festen Medium zurücklegen würde, ist die geometrische Steigung. Die tatsächliche Strecke, die der Propeller in der Luft zurücklegt, ist die aerodynamische Steigung. Die Differenz zwischen beiden ist der Schlupf. Der Wirkungsgrad eines Propellers hängt von der Steigung und der Fluggeschwindigkeit ab. Bei starren Propellern ist der beste Wirkungsgrad nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit erreichbar.
Der Verstellpropeller (Constant-Speed-Propeller) ermöglicht die Anpassung des Einstellwinkels an verschiedene Flugphasen, sodass ein hoher Wirkungsgrad über einen breiten Geschwindigkeitsbereich erreicht wird. Die Leistungseinstellung bei Verstellpropellern erfolgt über die Drehzahl und den Ladedruck. Der Propellerregler (Governor) steuert die Verstellung des Propellers hydraulisch, elektrisch, mechanisch oder pneumatisch. Bei Ausfall des Reglers stellt sich der Propeller auf die kleinste Steigung ein.
Der Torque-Effekt beschreibt die Kraftentwicklung entgegen der Drehrichtung des Propellers, was zu einer Giertendenz führt. Während des Steigfluges kann sich der Anstellwinkel ändern, was zu einer ungleichen Schubverteilung führt und ebenfalls Giertendenzen verursacht.
Zusammenfassend ist der Propeller ein wesentlicher Bestandteil eines Kolbentriebwerks, dessen Design und Funktionsweise auf die Umwandlung von Drehbewegung in Vortrieb optimiert sind. Die Anpassung des Einstellwinkels durch Verstellpropeller ermöglicht eine effiziente Leistungserzeugung über verschiedene Flugphasen hinweg.
Bordinstrumente
Die Instrumentierung von Luftfahrzeugen variiert je nach deren Verwendungszweck. Wichtige Flugüberwachungsinstrumente sind der Fahrtmesser für die Geschwindigkeitsmessung, der künstliche Horizont für die Lagebestimmung, der Höhenmesser für die Höhenangabe und der Kurskreisel zur Flugrichtungsanzeige. Diese sollten idealerweise in einem „T“-Layout angeordnet sein. Weitere wichtige Instrumente sind der Wendezeiger und das Variometer, welches Steig- oder Sinkgeschwindigkeiten anzeigt.
Navigationsinstrumente unterstützen die Navigation, auch ohne Sicht nach außen, während Triebwerküberwachungsinstrumente Informationen über den Zustand des Triebwerks liefern. Systemüberwachungsinstrumente überwachen elektrische, pneumatische und hydraulische Systeme.
Die Druckanlage misst statischen Druck und Staudruck für die Instrumentenanzeige. Statischer Druck wird über kleine Öffnungen am Rumpf gemessen, der Gesamtdruck durch das Staurohr. Blockaden in der Druckanlage können zu Fehlanzeigen führen.
Der barometrische Höhenmesser zeigt die Höhe über einer eingestellten Bezugsdruckfläche an, wobei der Referenzdruckwert durch einen Einstellknopf variiert werden kann. Die Höhenmessung basiert auf der Abnahme des Luftdrucks mit zunehmender Höhe. Die Anzeige ist in Fuß oder Metern.
Der Fahrtmesser zeigt die Geschwindigkeit auf Basis einer Druckdifferenzmessung zwischen Gesamtdruck und statischem Druck an, üblicherweise in Knoten. Farbliche Markierungen auf dem Fahrtmesser zeigen wichtige Geschwindigkeitsbereiche oder -grenzen.
Das Variometer zeigt die vertikale Geschwindigkeit aufgrund der Änderung des statischen Drucks mit der Höhe an. Es misst die Vertikalgeschwindigkeit mittels einer Membrandose, die direkt mit dem statischen Drucksystem verbunden ist.
Fehler in der Druckanlage, wie Blockaden, beeinflussen die Genauigkeit dieser Instrumente erheblich und müssen daher sorgfältig überprüft werden.
Die Kreiselinstrumente in der Luftfahrt, wie der Kurskreisel, der Künstliche Horizont und der Wendezeiger, nutzen die Eigenschaften rotierender Kreisel, um die Lage eines Luftfahrzeugs im Raum zu beschreiben. Kreisel sind Körper, die um eine Achse drehbar sind und deren Masse gleichmäßig verteilt ist. Sie behalten aufgrund der Masseträgheit ihre Lage im Raum bei. Die Rotationsebene ist senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet, und der Gesamtdrehimpuls bleibt konstant, solange keine äußeren Kräfte wirken. Die Stabilität eines Kreisels hängt von seiner Masse, dem Abstand zum Drehmittelpunkt und der Drehzahl ab. Der Antrieb erfolgt entweder pneumatisch oder elektrisch.
Bei Einwirkung einer äußeren Kraft reagiert der Kreisel mit einer Ausweichbewegung, die als Präzession bezeichnet wird und senkrecht zur angreifenden Kraft steht. Die Präzessionsstärke hängt von der angreifenden Kraft und der Masseträgheit des Kreisels ab. Ein perfekter Kreisel würde seine Lage im Raum beibehalten, doch in der Realität kommt es durch verschiedene Ursachen wie Reibung an Lagern oder die Erddrehung zu einem Wandern des Kreisels.
Der Kurskreisel zeigt den geflogenen Kurs an und muss vor jedem Flug und regelmäßig während des Fluges nachgestellt werden. Der künstliche Horizont gibt die Fluglage um die Längs- und Querachse im Verhältnis zur Erdoberfläche an, was besonders für den Instrumentenflug wichtig ist. Beim Wendezeiger können die Drehrichtung und -geschwindigkeit um die Hochachse sowie die Koordination der Kurve abgelesen werden. Eine Kugellibelle zeigt, ob im Kurvenflug ein Kräftegleichgewicht herrscht.
Diese Instrumente sind anfällig für verschiedene Fehler wie den Beschleunigungsfehler, Parallaxefehler und den Kardanfehler. Sie müssen regelmäßig überprüft und korrekt eingestellt werden, um präzise Informationen zu liefern.
Die Triebwerksüberwachungsinstrumente im Cockpit liefern dem Piloten essenzielle Informationen über den Zustand des Triebwerks. Eine gründliche Vertrautheit mit diesen Instrumenten ist daher unerlässlich, da sich die Ausstattung je nach Flugzeugmodell unterscheidet. Wichtige Standardinstrumente sind der Drehzahlmesser (eventuell mit Ladedruckanzeige), Öldruck- und Öltemperaturanzeigen, Zylinderkopftemperatur- und Abgastemperaturanzeigen sowie Kraftstoffdurchfluss- und -vorratsanzeigen.
Der Drehzahlmesser zeigt die Umdrehungen der Kurbelwelle an. Es gibt mechanische Nahdrehzahlmesser für einmotorige Kolbenflugzeuge und elektrische Ferndrehzahlmesser für größere oder mehrmotorige Flugzeuge. Ein Betriebsstundenzähler ist oft integriert. Der Drehzahlmesser ist jedoch kein exakter Gradmesser für die Motorleistung, besonders in größeren Höhen.
Die Ladedruckanzeige ist bei Flugzeugen mit Verstellpropeller notwendig und zeigt den Druck im Ansaugstutzen an. Sie arbeitet nach dem barometrischen Prinzip und ist ein wichtiger Indikator für die Motorleistung.
Die Öldruckanzeige überwacht den Ölkreislauf und ist besonders wichtig, um frühzeitig Probleme mit dem Triebwerk zu erkennen. Der minimale und maximale erlaubte Öldruck sind durch rote Striche gekennzeichnet. Die Öltemperaturanzeige ergänzt die Druckanzeige und hilft bei der Interpretation von Triebwerksproblemen. Beide Werte sollten gemeinsam betrachtet werden, da sie in direktem Zusammenhang stehen.
Die Zylinderkopftemperaturanzeige (CHT) misst die Temperatur am kritischsten Zylinder und reagiert schneller auf Triebwerkstemperaturänderungen als die Öltemperatur.
Die Abgastemperaturanzeige (EGT) ist relevant für die Gemischeinstellung und die Maximierung der Motorleistung. Sie misst die Temperatur in den Abgasen und hilft bei der Kontrolle der Verbrennung.
Die Kraftstoffdurchflussanzeige misst den Kraftstoffverbrauch pro Stunde und hilft bei der Berechnung der verbleibenden Flugzeit. Die Kraftstoffvorratsanzeige zeigt den verfügbaren Kraftstoff an, wobei jeder Tank normalerweise eine separate Anzeige hat.
Neben diesen Hauptinstrumenten gibt es weitere wichtige Anzeigen wie den Unterdruckmesser zur Kontrolle der Unterdruckanlage und das Amperemeter, das entweder den Ladestrom der Batterie oder den Gesamtstromverbrauch anzeigt.
Farbige Markierungen auf den Instrumenten ermöglichen ein schnelles Erfassen des Betriebszustandes: Grün signalisiert normalen Betrieb, Gelb steht für Vorsicht und Rot indiziert ein Problem.
Wichtig ist, dass sich Piloten vor jedem Flug gründlich mit den spezifischen Instrumenten ihres Flugzeugmodells vertraut machen.