Technik des Fliegens

[TEC01] Flugzeugstruktur

Dieses Modul aus der Kategorie: Technik des Flugzeuges beschreibt die allgemeine Struktur eines Flugzeuges. 

Einführung

In diesem Modul werden die wesentlichen Strukturelemente des Flugzeuges erarbeitet und beschrieben. Ein Flugzeug ist ein Luftfahrzeug welches schwerer als Luft ist. Der zum Fliegen benötigte dynamische Auftrieb wird mit nicht rotierenden (im Gegensatz zum Hubschrauber) Auftriebsflächen erzeugt.

Den Betrieb von Flugzeugen die zum Luftverkehr zugelassen sind regeln Luftverkehrsgesetze, diese werden in diesem Modul nicht besprochen.

Wer über diese Grundeinführung hinaus Informationen sucht findet diese in vielen Wikipedia Beiträgen und Dokumentation zum Thema "Wie baue ich ein Flugzeug", insofern kann dieses Modul nur eine Grundeinführung darstellen als Voraussetzung für die darauf aufbauenden Module.

Luftfahrzeuge lassen sich generell in mehrere Kategorien einteilen:

Schwerpunkt dieses Moduls sollen die Starrflügler darstellen, da das P1-Rating auf VATSIM mit einer solch einem Luftfahrzeug absolviert wird.


Baugruppen eines Flugzeugs

Flugwerk (auch als "Zelle" bezeichnet) Triebwerk Ausrüstung
  • Rumpf
  • Tragwerk
  • Leitwerk
  • Fahrwerk
  • Kolbenmotor/Strahltriebwerk (evtl. Propeller)
  • Treibstoffsystem
  • Standartausrüstung
  • Sonderausrüstung

Dieses Modul fokussiert sich auf die Bauformen von Flugzeugen und die Anordnung der verschiedenen Baugruppen.

Funktionsweise von Triebwerk und Ausrüstung werden in separaten Modulen zum Thema Flugzeugsysteme besprochen.


Rumpf

Der Rumpf ist das zentrale Bau- und Konstruktionselement. Dieser beherbergt die Tanks sowie die Nutzlast eines Luftfahrzeugs. Zudem sind an ihm das Tragwerk sowie das Fahrwerk angebracht.

Der Flugzeugrumpf hat äusserlich keine grosse Varianz. Dies liegt mit unter daran, dass die Struktur so gebaut sein muss dass diese den Drücken standhalten kann, dies auch in allen Öffnungsbereichen. Fenster, Türen, Frachttüren stellen hier eine besondere Anforderung an die Konstruktion. Deshalb sieht man selten oder nie Mehrrumpfflugzeuge. Beispiele sind die alte Noratlas oder Jagdflugzeuge aus WWII, wobei hier die Seitenrümpfe die Motoren getragen haben und zum Leitwerk verlängert wurden mit einem Höhenleitwerk zwischen den Seitenleitwerken. Hinweise : das Flugzeug Stratolaunch (2018) oder Lockheed P38 (1939).

Bauweise

Vorrangig kommen zwei Konstruktionsweisen zur Anwendung: die Gerüstbauweise und die Schalenbauweise

Bei der Gerüstbauweise wird durch die Verbindung von Streben an Knotenpunkten ein Gerüst konstruiert, welches die auftretenden Kräfte aufnehmen kann. Dieses ist dann in der Regel mit Blechen beplankt und vernietet oder verklebt.

Bei der Schalenbauweise hingegen besteht das "Gerüst" aus Spanten. Um die Drücke und Kräfte besser aufnehmen zu können, gibt es eine Längsversteifung.

Materialien

Werkstoffe für die Elemente eines Flugzeuges müssen eine möglichst große Festigkeit gegenüber statischen und dynamischen Beanspruchungen aufweisen. Werkstoffe müssen als Eigenschaften einerseits eine hohe Stabilität und andererseits ein geringes Gewicht besitzen, da das Gesamtgewicht (statisches Gewicht) von den Antriebs- und Auftriebssystemen bewegt werden muss (zum Fliegen gebracht werden).

Als Werkstoffe kamen anfänglich Holz und Metall zum Bau von Luftfahrzeugen zum Einsatz. Mit der Entwicklung von Faser-Verbundwerkstoffen und speziellen Metalllegierungen wurden diese für besonders beanspruchte Bauteile verwendet.

Seit langem geht der Trend zu leichteren Werkstoffen. Neben Aluminium kommen auch neu entwickelte Aluminium-Lithium-Legierungen und Faserverbundwerkstoffe sowie Kombinationen daraus (Glasfaserverstärktes Aluminium) zur Anwendung. Ihr Vorteil liegt in der hohen Integrierbarkeit und Leichtbaupotentialen. Das Hauptfügeverfahren ist nach wie vor das Nieten. Weitere Verfahren sind Kleben und Laserschweißen.

Tragwerk

Das Tragwerk besteht aus einer oder mehreren Tragflächen als Hauptkomponenten um den notwendigen Auftrieb zu liefern. Am Tragwerk (Flügel) sind Klappensysteme verbaut die den Auftrieb erhöhen (Landeklappen) oder verringern (Störklappen).

Sehr oft kommen bespannte Rippen zum Einsatz, die an einem Holm angebracht sind. Dadurch kann man sehr effektiv die durchaus sehr großen Querkräfte und Biegemomente aufnehmen.

Häufige Ausführungen sind  Hochdecker und Tiefdecker. Mitteldecker sind nur sehr selten anzutreffen. Manchmal wird noch bei den Hochdeckern der Schulterdecker unterschieden. Häufig verwendet man hierbei allgemein den Begriff "Hochdecker".

Tragwerk_Ausführungen.png

[Quelle: Wikipedia]

Bei den verschiedenen Ausführungen sind einige Eigenschaften zu beachten, die einen Einfluss auf die Flugdynamik und die Konstruktion des Luftfahrzeugs haben:

Hochdecker Tiefdecker
  • Bessere Aussicht
  • Größere Querstabilität auf der Rollachse
  • Aufnickendes Drehmoment bei Schubsteigerung
  • Einfachere Konstruktion
  • Zugänglicher für Arbeiten/Checks am Boden
  • Abnickendes Drehmoment bei Schubsteigerung

Leitwerk

Das Leitwerk ist in der Regel am Rumpfende angebracht und besteht aus der Höhenflosse und der Seitenflosse. Die beiden Flossen sind mit beweglichen Steuerflächen ausgestattet. Es gibt dabei einige Ausführungen:

StandartLeitwerk.PNG VLeitwerk.PNG TLeitwerk.PNG KreuzLeitwerk.PNG
"Standard-Leitwerk" "V-Leitwerk" "T-Leitwerk" "Kreuzleitwerk"

[Quelle: Wikipedia]

Beim V-Leitwerk sind Höhenleitwerk und Seitenleitwerk kombiniert. Vorteile dieser Bauart sind unter anderem weniger Gewicht und weniger Widerstand aufgrund der niedrigeren Oberfläche. Jedoch ist deswegen auch eine geringere Wirkung des Leitwerks zu erwarten.

Fahrwerk

Zur Bewegung am Boden braucht es Räder z.B. für Rollen zum Start, von der Landung zu Park und natürlich zum Start selbst. Bodenwellen werden absorbiert und Landestöße abgefangen.

Fahrwerke können starr angebracht (z.B. Cessna 172) oder als Einziehfahrwerk ausgelegt sein dies ist insbesondere für hohe Reisegeschwindigkeiten unerlässlich da die Bremswirkung des ausgefahrenen Fahrwerks enorm hoch ist. Die Räder des Fahrwerkes werden nach dem Einziehen oft mit Klappen zur Wirbelvermeidung abgedeckt. Auch hier gibt es mehrere Ausführungen, die hier sogar Einfluss auf Start- bzw. Landetechnik haben:

SpornradFahrwerk.png BugradFahrwerk.png TandemFahrwerk.png
Spornradfahrwerk Bugradfahrwerk Tandemfahrwerk
  • Schwierige Start-/Landetechnik
  • Gefahr des Überschlags
  • Dreipunktlandung
  • Eingeschränkte Sicht beim Rollen
  • Geringere Masse
  • Einfache Start-/Landetechnik
  • waagerechte Ausgangslage
  • Für sehr schmale Rümpfe (z.B. Segelflugzeuge oder B-52)

[Quelle: Wikipedia]

Triebwerk

Die Weise, wie die Triebwerke angebracht sind, kann einem auch einige Vorteile bringen. Bringt man sie beispielsweise am Heck an (z.B. CRJ-Familie) so ist der Einlass vor Fremdkörper besser geschützt. Zudem liegt der Schwerpunkt weiter hinten und man erhält einen "sauberen Flügel" da kein Pylon, der klassischerweise das Triebwerk mit der Tragfläche verbindet, stört. 

Aber auch die Anbringung der Triebwerke auf der Tragflächen(unter)kante hat Vorteile. Beispielsweise befinden sie sich näher an den Treibstofftanks und benötigten im Idealfall nicht einmal eine Treibstoffpumpe, die im obigen Fall den Treibstoff erst in das Heck befördern müsste. Jedoch sei gesagt dass durch diese Anbringungsweise auch ein größeres Giermoment bei einem Triebwerksausfall entsteht. Zudem ist auch die Bodenfreiheit eigeschränkt. Gerade da man in der letzten Zeit immer größere, effizientere Triebwerke verbauen möchte, stößt man mittlerweile häufig an Grenzen.

Masse und Schwerpunkt

Da die Gewichtskraft häufig an einer anderen Stelle wie die Auftriebskraft des Tragwerks angreift, muss das Leitwerk eine Kraft ausüben, damit die resultierende Kraft sowie das resultierende Drehmoment aufgehoben wird. Um nicht kontinuierliche Steuereingaben machen zu müssen, kann man durch die Trimmung den Ausgangspunkt des Höhenleitwerk verstellen. Verändert sich der Schwerpunkt (häufig abgekürzt mit CG - Center of gravity), so muss das Flugzeug erneut eingetrimmt werden

CenterOfGravity.png

[Quelle: Wikipedia]

Weitere Informationen

https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeugbau

https://de.wikipedia.org/wiki/Druckkabine

https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeugrumpf

https://de.wikipedia.org/wiki/Winglet

[TEC02] Flugzeugsysteme von einfachen Propellerflugzeugen

Zur Vervollständigung der Seite steht die Präsentation zur Verfügung

Der Motor

Gängige Bauarten

Reihenmotor

V-Motor

Boxermotor

Sternmotor

Treibstoff

Zündung

Vergaser / Gemischregelung

Abgasnachbehandlung

Ölsystem

Elektrische Systeme

Variable Pitch Propeller

Retractable Undercarriage

Turbo- oder Supercharged engines

EFIS

Single Lever Power Control

Primäre Flugsteuerung

Sekundäre Flugsteuerung

Landeklappen

Störklappen und Bremsklappen

Trimmung

[TEC03] Flugzeugsysteme von komplexen Propellerflugzeugen

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[TEC04] Flugzeugsysteme von strahlgetriebenen Flugzeugen

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Einführung

Allgemein gesehen kann man ein Flugzeug in drei Hauptgruppen einteilen :

Flugzeugsysteme umfassen alle mechanischen, elektrischen und elektronische Geräte oder Komponenten, die in einem Flugzeug für verschiedene Zwecke installiert oder verbaut sind.

Nachfolgend werden die wichtigsten Komponenten beschrieben.

Bei der Betrachtung eines Flugzeuges ist primär die Flugzeugzelle und das/die Triebwerke zu sehen, die Zelle als Hülle verleiht dem Flugzeug die notwendige Festigkeit um die Systeme zu tragen. Die Struktur der Flügel - aerodynamisch geformt - erzeugen den Auftrieb. Für detaillierte Beschreibung verweisen wir hier auf das Modul Flugzeugstruktur (TEC01).

Diese zwei Komponenten reichen im Grunde für ein Segelflugzeug aus um einen Flug zu ermöglichen, für einen anhaltenden Horizontalflug oder zum Erreichen einer gewählten Höhe ist ein Triebwerk notwendig, welches die notwendige Kraft aufbringt um den Luftwiderstand zu überwinden.

Zusätzliche Einrichtungen zur Handhabung sind notwendig um z.B. das Flugzeug zu steuern oder am Boden zu bewegen. Für die Kommunikation und Navigation sind ebenfalls Systeme notwendig die einen reibungslosen Flug ermöglichen.

In der Summe sind eine grosse Anzahl Systeme notwendig um ein Flugzeug sicher von Ort A nach B zu bringen.


Bedeutung und Einordnung

Systeme

Im Rahmen dieses Dokuments werden nur die absolut notwendigen Systeme aufgeführt. Wer darüber hinaus wissbegierig ist, den verweisen wir auf die Klassifizierung nach ATA-100 und auf einschlägige Wikipedia Seiten die alle nachfolgenden Themen ausführlich und detailliert darsstellen z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/ATA-Kapitel ebenso wird die Browser Suche nach Flugzeugsysteme mit einem breiten Ergebnis belohnt. Wer sein Wissen extrem vertiefen möchte kann Bücher zu diesem Thema suchen und finden.

Für das Verständnis kann auch die Dokumentation des virtuellen Lieblingsflugzeug beitragen, da hier zum Erreichen eines Zustandes - z.B. laufende Triebwerke - eine Reihe von Systemen notwendig sind um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.

wird ergänzt / Reihenfolge

Klima

Sauerstoff

Bordstrom

Kraftstoff

Hydraulik

Pneumatik

Feuerschutz

Eis- und Regenschutz

allgemeine Ausrüstung

Flugsteuerung

Beleuchtung

APU

RAT

Triebwerk

Strahltriebwerk allgemein

Kolbenmotor

Turboprop

Jet

Elektro

Quellenangaben

[TEC05] Instrumentenkunde

Dieses Modul wird über Moodle unterrichtet und ist dort dauerhaft unter dem Abschnitt PTD -> P1 verfügbar.

[TEC06] Instrumentenkunde IFR

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