In “Grundlagen des Fliegens” geht es um die grundsätzlichen aerodynamischen Vorgänge die dazu führen das ein Luftfahrzeug fliegt. Zuerst wird die Luft als Element und die Atmosphäre behandelt, sowie der Luftwiderstand und wie dieser sich verändert. Es werden Aspekte rund um Strömung, Auftrieb und Widerstand erläutert und wie sich diese in den verschiedenen Flugphasen verhalten. Es geht außerdem um die Steuerung des Flugzeugs um die drei Achsen, sowie um besondere Flugzustände wie «Stall» oder Trudeln.
Luft und Widerstand
Hier geht es um grundlegende Prinzipien der Aerodynamik und deren Anwendung im Flugzeugbau. Er ist wichtig, dass Luft weit mehr als „Nichts“ ist und ihre Eigenschaften wesentlich für das Fliegen sind. Die Zusammensetzung der Atmosphäre, bestehend hauptsächlich aus Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen, beeinflusst die Konstruktion von Tragflächen und Triebwerken. Mit zunehmender Höhe sinken Luftdruck und -dichte exponentiell. Luftfahrzeuge bewegen sich hauptsächlich in der Troposphäre, wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt.
Es wird der Luftwiderstand erklärt, der entsteht, wenn ein Körper sich durch Luft bewegt. Wichtige Einflussfaktoren auf den Luftwiderstand sind die Form des Körpers, seine Größe, Luftdichte und die Geschwindigkeit des Körpers. Der Luftwiderstand wird mathematisch durch eine Formel beschrieben, in die die Geschwindigkeit, die Stirnfläche, die Luftdichte und der Widerstandsbeiwert enthalten sind.
Der Widerstandsbeiwert wird experimentell oder in Simulationen bestimmt und ist von der Form und Anströmrichtung des Körpers abhängig. Eine effiziente Umströmung minimiert den Luftwiderstand.
Die Grenzschicht, ein Bereich nahe der Oberfläche eines umströmten Körpers, hat zwei Formen: laminar und turbulent. Laminare Strömung tritt bei niedrigeren Geschwindigkeiten auf und hat geringeren Widerstand, während turbulente Strömung bei höheren Geschwindigkeiten auftritt und trotz höheren Widerstands Vorteile bei der Umströmung gekrümmter Oberflächen bietet.
Die Bernoulli-Gleichung, ein fundamentales Konzept der Aerodynamik, erklärt den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Druck in einer Strömung. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit führt zu einem Sinken des statischen Drucks. Dieses Prinzip wird bei der Konstruktion von Tragflächen genutzt, um Auftrieb zu erzeugen.
Auftrieb und Strömung
Dieser Theoriebereich beschreibt, wie unterschiedliche Formen und Merkmale von Tragflügeln die Aerodynamik von Flugzeugen beeinflussen. Es wird erklärt, dass nahezu jeder Körper Auftrieb erzeugen kann, wenn er passend angeströmt wird, aber Tragflügelprofile besonders effizient Auftrieb erzeugen. Die Bedeutung des Anstellwinkels für das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand und die Auswirkungen der dreidimensionalen Flügelgeometrie auf die Strömung und den durch Auftrieb erzeugten Widerstand werden hervorgehoben.
Verschiedene Arten von Widerstand, die bei der Umströmung eines Tragflügels auftreten, werden erläutert, darunter Profilwiderstand (Form- und Reibungswiderstand), induzierter Widerstand und Interferenzwiderstand. Es wird betont, dass der gesamte Luftwiderstand eines Flugzeugs aus der Summe dieser Widerstandsarten resultiert.
Konstruktionsmerkmale von Tragflügeln, wie Profilformen, Flügelformen, Schränkung und aerodynamische Hilfen (Grenzschichtzäune, Winglets, Abrisskanten und Wirbelgeneratoren), werden diskutiert. Diese Merkmale sind entscheidend, um bei hohem Auftrieb den Widerstand minimal zu halten und gute Flugeigenschaften zu gewährleisten.
Insgesamt behandelt dieser Bereich detailliert, wie die Form und die Eigenschaften von Tragflügeln die Leistung und Effizienz von Flugzeugen beeinflussen, und erörtert verschiedene Methoden, um den Widerstand zu minimieren und die Flugleistung zu optimieren.
Des weiteren werden die Kräfte, die während des Fluges auf ein Luftfahrzeug wirken, detailliert erläutert. Im unbeschleunigten Horizontalflug halten sich vier Hauptkräfte im Gleichgewicht: Auftriebskraft und Gewichtskraft sowie Schubkraft und Widerstandskraft. Dieses Gleichgewicht kann jedoch leicht durch äußere Einflüsse oder Steuerbewegungen gestört werden, was zu Steig- oder Sinkflügen oder zu Kurvenflügen führt.
Zur Steuerung des Luftfahrzeugs muss der Pilot die Kräfteverhältnisse aktiv beeinflussen, was hauptsächlich durch Veränderungen der Motorleistung, des Auftriebs und der Kurvenlage erreicht wird. Die Reaktion des Luftfahrzeugs auf solche Veränderungen hängt von seiner Konstruktion ab. Es wird zudem beschrieben, wie Auftrieb und Gewicht, Schub und Widerstand zusammenwirken und welche Rolle der Bodeneffekt in geringer Flughöhe spielt.
Besondere Flugzustände wie Steig- und Sinkflug sowie Kurvenflug werden ebenfalls thematisiert. Im Steigflug muss beispielsweise die Auftriebskraft die Gewichtskraft übertreffen, was durch Erhöhung der Geschwindigkeit oder des Anstellwinkels erreicht werden kann. Im Sinkflug hingegen wird die Auftriebskraft reduziert. Im Kurvenflug tritt zusätzlich die Zentrifugalkraft auf, die durch eine horizontale Komponente der Auftriebskraft ausgeglichen werden muss.
Es wird auch der Gleitflug erläutert, der vor allem für Segelflugzeuge relevant ist, und es werden die Gleitflugpolare beschrieben, die die Sinkrate in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit zeigen. Diese Informationen sind wichtig, um die optimale Geschwindigkeit für das beste Gleiten zu bestimmen, was insbesondere bei einem Triebwerksausfall von Bedeutung ist.
Der Bodeneffekt, der in geringer Flughöhe auftritt, führt zu erhöhtem Auftrieb und verringertem induzierten Widerstand, was bei der Landung berücksichtigt werden muss. Abschließend werden verschiedene Luftfahrzeugkategorien basierend auf dem sicheren Lastvielfachen vorgestellt.
Steuerung um die drei Achsen
In diesem Theorie-Kapitel geht es um die Flugzeugkonstruktion und die Sicherstellung der Stabilität in den normalen Betriebszuständen. Die Anordnung der Steuerflächen wie Tragflächen, Höhen- und Seitenleitwerk spielt eine wichtige Rolle für die Stabilität, die durch Merkmale wie V-Form der Tragflächen unterstützt wird. Es wird zwischen statischer und dynamischer Stabilität unterschieden. Statische Stabilität sorgt dafür, dass das Flugzeug nach einer Störung wieder in den ursprünglichen Bewegungszustand zurückkehrt, während dynamische Stabilität gewährleistet, dass nach dem Erreichen der Ausgangslage keine ungewollten weiteren Bewegungen stattfinden.
Das Flugzeug kann Bewegungen in drei Raumrichtungen ausführen, die um die Längs-, Quer- und Hochachse stattfinden. Die Steuerung dieser Bewegungen erfolgt über verschiedene Ruder: das Höhenruder für Steig- und Sinkflug (Nicken), das Querruder für das Rollen und das Seitenruder für das Gieren. Der Schwerpunkt des Flugzeugs ist entscheidend für die Drehachsen, und der Druckpunkt, an dem die Luftkräfte angreifen, ändert sich mit dem Anstellwinkel.
Die Herausforderung besteht darin, dass der Druckpunkt nicht immer mit dem Schwerpunkt übereinstimmt, was ungewollte Drehungen um die Querachse verursachen kann. Das Höhenleitwerk erzeugt daher oft Abtrieb, um ein Gleichgewicht zu schaffen und einen stabilen Flugzustand zu ermöglichen. Weiterhin werden die Effekte von negativem Wendemoment und Schiebe-Rollmoment beim Betätigen der Quer- und Seitenruder diskutiert und die Notwendigkeit einer koordinierten Ruderbewegung betont.
Ausserdem behandelt dieser Bereich die Stabilität und Steuerung von Flugzeugen, konzentriert sich auf die Bedeutung der Stabilität um die drei Hauptachsen (Längs-, Quer- und Hochachse) und erläutert die Prinzipien der Stabilität. Die Längsstabilität (Stabilität um die Querachse) ist besonders wichtig, da der Schwerpunkt je nach Beladung variieren kann. Hier spielt das Höhenleitwerk eine zentrale Rolle. Die Querstabilität (Stabilität um die Längsachse) wird durch Faktoren wie die V-Form der Tragflächen beeinflusst. Diese Form hilft, das Flugzeug automatisch in eine horizontale Flügelhaltung zurückzuführen, wenn eine Flügel z.B. durch eine Böe angehoben wird. Richtungsstabilität (Stabilität um die Hochachse) wird größtenteils durch die Rumpfform und das Seitenleitwerk erreicht.
Der Bereich behandelt auch die Rudersteuerung und ihre Einsatzbereiche. Die Trimmung, die Nulllage der Ruder für den stabilisierten Flugzustand, wird diskutiert. Zudem wird auf die aerodynamischen Ruderausgleiche und die Limitierungen der Ruder bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten eingegangen. Schließlich werden verschiedene Landehilfen wie Landeklappen, Vorflügel und Störklappen vorgestellt und ihre Funktionen im Zusammenhang mit der Verbesserung der Langsamflugeigenschaften und der Bremswirkung bei der Landung erklärt.
Gefährliche Flugzustände
Dieser Bereich beschäftigt sich mit den Grenzflugzuständen und deren Auswirkungen im Flugbetrieb. Er betont die Wichtigkeit, diese Zustände während der Ausbildung zu verstehen und korrekt darauf reagieren zu können. Besonders hervorgehoben werden der Strömungsabriss (Stall) und das Trudeln.
Strömungsabriss / Stall:
Der Strömungsabriss tritt auf, wenn bei steigendem Anstellwinkel die Luftströmung nicht mehr dem Profil folgen kann, was zum Zusammenbruch des Auftriebs führt. Piloten müssen die Anzeichen eines Strömungsabrisses erkennen und ausleiten können. Zu den Warnsignalen gehören Buffeting, eine Überziehwarnung und spezielle Markierungen am Fahrtmesser. Beim Ausleiten wird das Höhenruder nachgelassen und die Triebwerkleistung erhöht, um die Geschwindigkeit zu steigern und den Auftrieb wiederherzustellen.
Trudeln:
Trudeln ist ein komplexer Flugzustand, bei dem das Flugzeug um eine vertikale Achse dreht, oft verursacht durch einseitigen Strömungsabriss. Das Ein- und Ausleiten des Trudelns variiert je nach Flugzeugtyp. Es ist wichtig, die spezifischen Anweisungen im Flugbetriebshandbuch zu befolgen. Beim Einleiten des Trudelns werden Quer- und Seitenruder gegensinnig ausgeschlagen. Zum Ausleiten wird das Seitenruder gegen die Drehrichtung betätigt, um die Drehung zu stoppen, gefolgt von einer Korrektur des Höhenruders. Das Trudeln birgt das Risiko eines enormen Höhenverlusts, besonders im Flachtrudeln, welches schwerer auszuleiten ist und daher unbedingt vermieden werden sollte.
Zusammenfassend geht es um das Verständnis und die korrekte Reaktion auf Grenzflugzustände als wichtigen Bestandteil der Pilotenausbildung, um die Sicherheit während des Fluges zu gewährleisten.