3. Fluggerät & Flugzeugsysteme

An einem Flugzeug greift wie an jedem massebehafteten Körper die Schwerkraft an. Diese äußert sich als eine Kraft in Richtung des Erdmittelpunkts (Gewicht). Dieses muss durch einen Auftrieb ausgeglichen werden, der im einfachsten Flugzustand exakt gleich groß wie das Gewicht und diesem entgegen gerichtet ist. Um den Auftrieb zu erzeugen, muss sich ein Flugzeug (anders als etwa ein Hubschrauber) durch die Luft bewegen, da die Tragflügel nur dann Auftrieb erzeugen, wenn sie von Luft umströmt werden (ein Hubschrauber löst dies über die auch im Schwebeflug ständig umströmten Rotorblätter). Wird das Flugzeug von Luft umströmt, entsteht jedoch auch ein strömungsmechanischer Widerstand (der sich auf verschiedenste Effekte zurückführen lässt und auch von der Auftriebserzeugung abhängt). Dieser wird abermals durch eine gleich große aber entgegengerichtete Kraft ausgeglichen: Den Schub.

Also vereinfacht wird der stationäre Flugzustand erreicht, wenn:

Die Auftriebserzeugung an den Tragflügeln fällt in das Fachgebiet der Aerodynamik. Zur Auftriebserzeugung gibt es zahlreiche Mythen, Halbwahrheiten und "urban legends". Eines gilt jedoch sicher: Ein Flügel, der Auftrieb erzeugt, erzeugt Auftrieb, indem der Luftdruck oberhalb des Flügels geringer ist als unterhalb des Flügels. Da Druck mal Fläche eine Kraft bedeutet, entsteht der Auftrieb als Kraft, die an den Tragflügeln angreift. Wie die Druckdifferenz am Flügel erzeugt wird, wird teils auch von vermeintlichen Fachleuten falsch hergeleitet und lässt sich verschieden erklären. Je nach Flügelprofil sind manche Aussagen "mehr oder weniger falsch".

Entscheidend ist eine Umlenkung der den Tragflügel umströmenden Luft (vgl. Zirkulation). Diese ist verbunden mit der Impulsdifferenz, die der umströmenden Luft aufgeprägt wird.

Eine Erklärung ausschließlich über verschieden lange Wege der Luft über beziehungsweise unter der Tragfläche ist bestenfalls als unvollständig zu bezeichnen. Kunstflugzeuge oder Jagdflugzeuge mit symmetrischen Flügelprofilen könnten sonst nicht fliegen.

Weitere Themen zu Auftrieb, Widerstand, Tragflügelgeometrien, etc. werden später genauer beleuchtet.

Momentengleichgewicht im Reiseflug oder "Warum fliegt ein Flugzeug? (Teil 2)

Überdies muss um jede der Flugzeugachsen ein Momentengleichgewicht herrschen, damit ein stabiler Gleichgewichtszustand herrscht. Andernfalls würde sich das Flugzeug drehen und in Folge dessen die Flugrichtung ändern.

Das heißt, dass die

Zu beachten ist, dass eine Trimmung insbesondere um die Nickachse stattfindet und hier eine Abhängigkeit von der Schwerpunktlage besteht. Üblicherweise sind die Steuerflächen für Trimmung beziehungsweise Steuerung um die Nickachse getrennt. Bei größeren Verkehrsflugzeugen ist es dabei üblich, das gesamte Höhenleitwerk zu trimmen (THS - Trimmable Horizontal Stabilizer), während die aktive Steuerung etwa mit dem Steuerhorn üblicherweise nur auf ein Höhenruder am hinteren Teil des Höhenleitwerks wirkt.

Rollstabilität bedeutet, dass ein Flugzeug bei Auslenkung aus der stabilen Gleichgewichtslage um die Rollachse die Tendenz zeigt, in eine stabile Gleichgewichtslage zurückzukehren. Zu unterscheiden ist zwischen statischer und dynamischer Rollstabilität. Zur statischen Rollstabilität trägt die V-Stellung der Flügel bei. Insbesondere bei Tiefdeckern ist diese oft gut zu erkennen. Zur dynamischen Rollstabilität (Rolldämpfung) trägt eine große Spannweite bei.

Gierstabilität bedeutet, dass ein Flugzeug bei Auslenkung aus der stabilen Gleichgewichtslage um die Gierachse die Tendenz zeigt, in eine stabile Gleichgewichtslage zurückzukehren. Zu unterscheiden ist zwischen statischer und dynamischer Gierstabilität. Zur statischen Gierstabilität trägt ein großes und weit hinten liegendes (Hebelwirkung) Seitenleitwerk bei. Der Rumpf hingegen wirkt destabilisierend um die Gierachse. Nurflügler können daher auf ein Seitenleitwerk verzichten. Zudem besteht ein stabilisierender Einfluss der Pfeilung um die Gierachse.

Nickstabilität bedeutet, dass ein Flugzeug bei Auslenkung aus der stabilen Gleichgewichtslage um die Nickachse die Tendenz zeigt, in eine stabile Gleichgewichtslage zurückzukehren. Zu unterscheiden ist zwischen statischer und dynamischer Nickstabilität. Zur statischen Nickstabilität tragen die Lage des Flugzeugschwerpunkts entlang der Flugzeuglängsachse sowie die dortige Lage der Auftriebsnormalpunkte an Tragflügel, Höhenleitwerk und deren Resultierende bei. Zudem besteht ein Einfluss von Pfeilung und Schränkung der Flügel hinsichtlich des Strömungsabrissverhaltens um die Nickachse. Die Lage von Höhenleitwerk und Höhenruder hinter dem Tragflügel trägt zur statischen Nickstabilität bei. Höhenleitwerk und Höhenruder vor dem Tragflügel findet man daher in der Regel nur bei Jagdflugzeugen, die eine besonders hohe Wendigkeit erfordern. Die Eigenschwingung eines stabilen Flugzeugs um die Nickachse wird als Phygoide bezeichnet.

Als Roll-Gier-Kopplung werden die Wechselwirkungen zwischen Roll- und Gierbewegungen bezeichnet. Diese bestehen über verschiedene Kopplungsmechanismen. Zu nennen sind hier insbesondere die Kopplungen über die Pfeilung sowie über die Lage des Seitenleitwerksnormalpunktes (üblicherweise deutlich oberhalb der Lage des Flugzeugschwerpunkts). Hier kann die Taumelschwingung (Dutch-Roll) als Eigenschwingung der Roll-Gier-Kopplung induziert werden.