Aerodynamik

Aerodynamik
1.Einführung
Dieses Handout gehört zum Theorieabend „Aerodynamik“. Es ist als Nachschlagewerk gedacht, um
Zusammenhänge zu wiederholen.
2.Physikalische Effekte
Die beiden wichtigsten Effekte die ein Flugzeug im Flug beeinflussen sind einerseits der Bernoulli
Effekt und der Venturi Effekt. Der Bernoulli Effekt besagt, dass wenn ein Körper umströmt wird und
auf der Ober- und Unterseite verschiedene Geschwindigkeiten herrschen ein Druckunterschied
entsteht, der sich dann in einer Kraft äußert. Dies ist Auf- bzw. Abtrieb.
3.Widerstand
- Formwiderstand
- Reibungswiderstand
- Induzierter Widerstand
3.Steuerung eines Flugzeugs
Ein Flugzeug kann um drei Achsen gesteuert werden: Längs-, Quer-, und Hochachse. Jeder dieser
Achsen ist ein Ruder zugeordnet:
Ruder
Steuerung um
Name der Bewegung
Querruder
Längsachse
Rollen
Höhenruder
Querachse
Nicken
Seitenruder
Hochachse
Gieren
Die Steuerung erfolgt in dem durch die Ruder Druckunterschiede erzeugt werden, so wird z.B. wenn
das Höhenruder gedrückt wird die Höhenflosse nach unten bewegt, was am Höhenruder einen
Auftrieb erzeugt und dafür sorgt, dass das Flugzeug nach vorne nickt. Zusätzlich zu den Rudern gibt
es auch noch verschiedene Arten von Klappen. Diese wirken entweder nur
Widerstandserhöhend(Brems- oder Störklappen) oder erzeugen auch Auftrieb(z.B. Fowler-Flaps). Die
widerstandserhöhenden Klappen sind meistens als Bleche oder Bretter ausgelegt, die sich auf der
Flügeloberseite in die Strömung drehen und somit Widerstand erzeugen und auch Auftrieb
verringern. Diese werden meistens als „Speedbrakes“ bzw. Flight Spoiler im Flug verwendet, um
steilere Sinkflüge zu ermöglichen oder als Ground Spoiler um das Flugzeug nach der Landung auf den
Boden zu drücken.
Anders hingegen die auftriebserhöhenden Klappen. Hier beruht der Wirkungsmechanismus meist auf
eine Erhöhung der Wölbung des Flügels, was zu einer Erhöhung des Auftriebs führt. Als
Nebenprodukt erhöht sich auch der Widerstand. Bei kleinen Klappenstellungen steht eher die
Auftriebserhöhung im Vordergrund, bei hohen Klappenstellungen wird mehr Widerstand erzeugt.
Aus diesem Grund werden die Klappen zum Start meist auch nur in kleine Stellungen(z.b. 1° oder 5°)
gefahren, zur Landung hingegen in große(z.B. 30° oder 40°). Je größer die Klappenstellung beim Start
ist, desto geringer wird die Rollstrecke am Boden, aber desto schlechter ist auch die Steigleistung
direkt nach dem Start. Aus diesem Grund wird auf kurzen Bahnen, die aber im Abflugbereich keine
Hindernisse aufweisen eher eine große Klappenstellung gewählt, auf langen Bahnen mit
Hindernissen eher eine kleine.
4.Geschwindigkeiten
Es gibt im Flugzeug verschiedene aerodynamisch bedingte Geschwindigkeiten, in diesem Skript wird
auf alle gebräuchlichen Geschwindigkeitsbegriffe eingegangen

Wie wird Geschwindigkeit im Flugzeug gemessen und welchen Fehlern ist diese Messart
unterworfen?
Die Geschwindigkeit im Flugzeug wird nach dem barometrischen Prinzip ermittelt, d.h. über
Druckmessung. Die Grundannahme hierbei ist, dass der Luftdruck der von vorne auf das
Flugzeug wirkt(der sogenannte „Staudruck“-denn er entsteht durch Aufstau der
Luftströmung am Flugzeug) proportional zur Geschwindigkeit ist. Dieser Druck könnte nun
einfach durch ein Rohr gemessen werden, in das die Luft (möglichst ungestört) strömt-wenn
der Umgebungsdruck nicht wäre. Denn dieser würde in dem Rohr mit gemessen werden und
die Anzeige verfälschen. Dieser Fehler muss nun also noch ausgeglichen werden. Dazu misst
man den Umgebungsdruck(den sogenannte „statische Druck“) und zieht in vom gemessenen
Druck ab(Gesamtdruck). Heraus kommt der Staudruck, denn es gilt das Bernoulli Gesetz:
Pt=Ps+Pd
(Pt=Gesamtdruck, Ps=statischer Druck, Pd=Staudruck)
Wie jedes System ist auch dieses nicht ohne Fehler. Deshalb gibt es verschiedene
„Geschwindigkeitsbegriffe“(Anmerkung: Die hier erwähnten Geschwindigkeitsbegriffe gehen
sehr ins Detail und sind praktisch nicht zwingend relevant-deswegen unten nochmal eine
Kurzfassung):
IAS: Indicated Airspeed: Die IAS ist die Geschwindigkeit die am Fahrtmesser angezeigt wird.
Sie ist unkorrigiert und am fehlerbehaftesten.
CAS: Calibrated Airspeed: Es wird zwar versucht das Staurohr an einer Stelle anzubauen, an
dem die Strömung möglichst ungestört ist(z.B. vorne an der Nase des Flugzeugs), dennoch
sind Messfehler durch Verwirbelungen u.ä. nicht auszuschließen. Dadurch entsteht auch ein
Anzeigefehler. Dieser wird bei der Musterzulassung in Tabellen erfasst, die dann im
Flughandbuch zu finden sind.
EAS: Equvivalent Airspeed: Bei hohen Geschwindigkeiten und großen Höhen tritt ein Fehler
durch Kompressibilität auf(die Luft wird vor dem Flugzeug „zusammengedrückt“, wodurch
sich der Druck verändert). Hierfür gibt es Tabellen.
DAS: Density Airspeed: Da die Luftdichte mit der Höhe abnimmt, wird der gemessene Druck
ebenfalls abnehmen, was zu einer zu niedrigen Anzeige führt. Dies wird durch die Density
Airspeed ausgedrückt.
TAS: True Airspeed: Wahre Eigengeschwindigkeit. Um Temperaturfehler korrigierte DAS.
Eine Faustformel um von der IAS zur TAS zu kommen ist, TAS=IAS+2%/1000ft Höhe, Beispiel:
Gegeben: IAS=230kts FL340 Gesucht: TAS
Rechnung: 230*1,68=386kts
GS: Ground Speed: Die Geschwindigkeit über Grund. Dies ist die TAS korrigiert um Rückenoder Gegenwind. Dies ist keine „aerodynamisch wirksame“ Geschwindigkeit, aber nützlich
für die Navigation(wann bin ich wo?). Man kann sie ausrechnen, in dem man die TAS um die
Rücken- oder Gegenwindkomponente addiert oder subtrahiert.

Welche für mich als Pilot relevanten „Geschwindigkeiten“ gibt es?
Die Geschwindigkeiten in der Luftfahrt werden mit dem Buchstaben „V“ und einem
Designator bezeichnet, z.B. V1. Hier eine kleine Sammlung an relevanten Geschwindigkeiten:
I.Aerodynamisch relevante Geschwindigkeiten
Vs: Strömungsabrissgeschwindigkeit in Clean Configuration. Das ist die Geschwindigkeit bei
der die Strömung abreißt wenn Klappen und Fahrwerk eingefahren sind.
Vsx: Stallspeed in einer bestimmten Konfiguration, hierbei wird statt dem x i.d.r. eine Zahl(0,
1, 2…) verwendet, und vom Hersteller festgelegt auf welche Konfiguration sich z.B. Vs0
bezieht.
Va: Manövriergeschwindigkeit: Geschwindigkeit bis zu der noch volle Ruderausschläge
gegeben werden dürfen. Über der Manövriergeschwindigkeit dürfen alle Ruder nur noch bis
zu 1/3 ausgeschlagen werden.
Vb: Maximalgeschwindigkeit bei starker Turbulenz. Bei starker Turbulenz(Gewitter,
Leewellen etc.) darf diese Geschwindigkeit nicht überschritten werden.
Vne: Höchstgeschwindigkeit bei ruhigem Wetter(ne=never exeed). Diese Geschwindigkeit
darf in keinem Fall überschritten werden, da über dieser Geschwindigkeit die
Festigkeitsreserven des Flugzeugs nicht mehr gewährleistet sind oder eine Flatterneigung
auftritt(Flattern=Aerodynamisch angeregte Schwingung von Flugzeugteilen, die so stark sein
kann, dass das entsprechende Bauteil(Flügel, Ruder, Höhenflosse…) zerstört werden kann.
Laut Bauvorschrift darf das Flugzeug unter Vne keine Flatterphänome aufweisen). Je nach
Bauvorschrift kann diese Geschwindigkeit auch Vmo(maximum operation) genannt werden.
Vfe: Höchstgeschwindigkeit mit ausgefahrenen Landeklappen(fe=flaps extended). Über
dieser Geschwindigkeit dürfen die Klappen nicht ausgefahren sein, da sonst Schäden an den
Klappen auftreten könnten.
Vfo: Höchstgeschwindigkeit um die Landeklappen aus- oder einzufahren(fo=flap operation).
Diese Geschwindigkeit kann von der Vfe abweichen, da der Aus- oder Einfahrmechanismus
der Landeklappen möglicherweise anderen Beschränkungen unterlegen ist als die eigentliche
Landeklappe.
Vle und Vlo: Analog zu Vfe und Vfo, bezieht sich hier aber auf das Fahrwerk(Le=Landing Gear
Extended, Lo=Landing Gear Operation).
II. Für die Leistung eines Flugzeugs relevante Geschwindigkeiten
V1: Entscheidungsgeschwindigkeit beim Start. Bis zu V1 kann der Start bei Ausfällen von
Flugzeugsystemen noch abgebrochen werden, darüber muss der Start fortgesetzt werden, da
sonst die verfügbare Startbahnlänge nicht mehr für einen sicheren Startabbruch ausreicht.
Vmcg: Dies ist die Geschwindigkeit über der das Flugzeug nur mit Verwendung des
Seitenruders bei Triebwerksausfall auf der Bahn gehalten werden kann(mcg=Minimum
Control, Ground).
Vmbe: Wenn über Vmbe(Maximum Brake Energy) das Flugzeug zum Stillstand gebremst
wird, können die Bremse versagen(z.B. wegen zu hoher thermischer Belastung)
Vr: Rotationsgeschwindigkeit: Dies ist die Geschwindigkeit bei der Angefangen wird zu
Rotieren und das Bugrad vom Boden abgehoben wird.
V2: Sichere Geschwindigkeit nach dem Abheben bei einem Triebwerkausfall. Diese muss
nach dem Abheben eingehalten werden, wenn ein Triebwerk ausfällt.
Vmca: Mindestgeschwindigkeit bei der das Flugzeug bei Triebwerksausfall in der Luft noch
gerade gehalten werden kann ohne große Richtungsabweichung. Die Geschwindigkeit liegt
immer unter V2.
Vx: Geschwindigkeit für den besten Steigwinkel. Bei dieser Geschwindigkeit wird pro
Raumeinheit die meiste Höhe gewonnen. Diese Geschwindigkeit ist nützlich, wenn im Abflug
Hindernisse stehen, die überflogen werden müssen.
Vy: Geschwindigkeit für die beste Steigrate. Bei dieser Geschwindigkeit wird pro Zeiteinheit
die meiste Höhe gewonnen. Diese wird z.B. für Lärmschutz verwendet, um möglichst schnell
vom Boden wegzukommen.
Vref: Geschwindigkeit die dem 1,3fachen der Stallspeed entspricht. Dies ist die
Referenzgeschwindigkeit für den Landeanflug, optimalerweise erreicht man diese
Geschwindigkeit beim Aufsetzen. Die tatsächliche Anfluggeschwindigkeit(für diese gibt es
verschiedene Begriffe: Vref+ bei Boeing, Vtgt bei Piper, Vapp bei Airbus) errechnet sich wie
folgt:
Vtgt=Vref+halbe Windgeschwindigkeit+volle Böen, der Zuschlag beträgt mindesten 5kts,
maximal 15kts.
Beispiel: Eine Pa28 hat eine Vref von 64kts mit vollen Klappen(34°). Der Tower meldet uns
nun einen Wind von 190° mit 12kts, in Böen 18kts. Die Vtgt beträgt nun 64+(12/2)+(1812)=64+6+6=76kts. Wenn Windstille herrschen würde wäre unsere Vtgt 69kts, da der
Zuschlag mindesten 5kts beträgt. Andererseits wäre auch bei 34kts Wind unsere Vtgt nur
79kts, da der Zuschlag maximal 15kts beträgt(bei einigen Flugzeugen sind es auch 20kts).
5. Der Höhenmesser
Kernstück ist eine geschlossene Membrandose mit verringertem Innendruck. Sie lässt sich unter
erhöhtem äußerem Druck zusammendrücken und dehnt sich bei Druckverringerung aus. Diese
Bewegungen der Membrandose werden von einer Mechanik auf ein Zeigerwerk übertragen. Die
Skala ist entweder in Meter oder Fuß geeicht.