Luft und Raumfahrt

Der Traum von Fliegen

Der Traum vom Fliegen

Einleitung - Anfänge der Fliegerei - Die Gebrüder Wright - Steuerung des Flugzeugs - Der Wright Flyer 1 - Triebwerksarten - Funktionsweise Auftrieb - Fluginstrumente - Landeanflug - Luftfahrtaufkommen

Einleitung


Otto Lilienthal....begeistete schon Jahrhunderte lang die Menschen. Schon der Künstler Leonardo da Vinci ( * 1452 + 1519 ) beschäftige sich ernsthaft mit der bemannten Fliegerei. Gegen Ende 19. Jahrhunderts fingen die Menschen an, Flugaparate zu bauen und versuchten damit zu fliegen. Otto Lilienthal war einer der ersten, dem es gelungen ist zu fliegen. Ein paar Jahre später, es war das Jahr 1904,begannen die Gebrüder Wright mit einen motorgetriebenen Gleiter namens "Flyer 1" in die Lüfte zu gehen. Nach vielen Entwicklungen in der Luftfahrt kann heute jeder in ein Flugzeug steigen und fast jeden Ort in der Welt besuchen. "Über den Wolken muss die Freiheit wohl grenzenlos sein!", so nach dem Lied vom Reinhard May, stimmt heute leider nicht mehr. Man kann noch niemals mehr landen, wo man man möchte.

 

Anfänge der Fliegerei

Bernoulli PrinzipHeutzutage fragt man sich kaum noch, wie es Menschen geschafft haben,Flugzeuge zu bauen, die bis zu 7250 Km/h (Raketenflugzeug X-15) fliegen können, mehr als 500 Passagiere ( Airbus A 380 ) oder Lasten (Nutzlasten von bis zu 250.000 kg) (Antonow AV 225) tragen können, oder in einer sagenhaften Höhe von 25900m fliegen wie die Lookhead SR-71 Blackbird. Alle diese Leistungen sind den Menschen zu verdanken, die die Luftfahrtforschung soweit gebracht haben. Um zu verstehen wie die "Luftfahrt" entstand, muss man zu der Zeit zurückgehen wo sie ihren Ursprung hat. Denn der am 23.03.1849 geborene Deutsche Ingenieur Otto Lilienthal war derjenige, der erste Erkenntnisse sammelte. Er nahm sich den Vogelflug als Vorbild, um herauszufinden, wie Sie fliegen. Er Studierte das Gleiten der Vögel und bekam heraus, das die Flügel ein bestimmtes Profil hatten. Dieses Profil sorgt für den richtigen Auftrieb ( Bernoulli-Prinzip ). Dieses tropfenförmiges Profil sorgt für eine bessere Umströmung der Luft um die Tragfläche, da es den geringsten Reibungswiederstand bildet. Beim Flug muss sich die Luft teilen. Auf der gekrümmten Oberseite des Profils erreichen die Luftteilchen eine höhere Geschwindigkeit

Druckverteilung an der Tragfläche, während sie auf der Unterseite gebremst werden in der Strömung. Auf der Oberseite entsteht ein Überdrck, der Sog, auf der Unterseite ein Überdruck. Der Sog auf der Oberseite und der Überdruck auf der Unterseite sorgen zusammen für den Auftrieb. Da Luft aber das Bestreben hat, Druckunterschiede auszugleichen, findet an den Tragflächenprofilkanten ein mehr oder weniger großer Ausgleich statt. Durch die Vorwärtsbewegung entstehen dann Wirbelzöpfe ( Wirbelschleppen ), zu deren Bildung dann Energie verbraucht wird. Dieser Randwiderstand kann durch die Flügelform oder auch durch Winglets ( nach oben abgewinkelte Flügelkanten )günstig beeinflusst werden zum Beispiel bei Segelflugzeugen oder dem "Airbus A330". Otto Lilienthal baute nach dem Vorbild der Vögel mehrere Gleiter. Im Jahre 1891 gelang ihm der erste Menschenflug. Doch nach mehr als 1000 Flügen kam Otto Lilienthal am 10.09.1896 ums Leben. Er war einer der ersten wirklichen Pioniere der Luftfahrt!

 

 

 


 

Die Gebrüder Wright

Nach Lilienthal gab es noch andere Gleitflüge von anderen Flugpionieren. Als die Gebrüder Wright ( Wilbur und Orville Wright ) im Jahre 1896 in Dayton/ Ohio von Lilienthals Tod erfahren hatten, machten sich die Gebrüder daran, seine Arbeit fortzusetzen. Sie studierten die Arbeit der frühen Pioniere und ihren Zeitgenossen. Im Jahre 1899 begannen die Gebrüder Wright eine Reihe von Versuche und Experimenten. Sie unternahmen Flugversuche mit ihren selbst gebauten Gleitern und machten Windkanaltests mit verschiedenen Flügelprofilen mit Hilfe von Windpropellern und angeklebten Gänsefedern an den Flügeln.

Steuerung des Flugzeugs

Achsen eines FlugzeugsUnter anderem konstruierten sie die Dreiachssteuerung mit einen Seitenruder zur Kontrolle der Flugrichtung ( Gieren ), ein Höhenruder zur Kontrolle des Anstellwinkels ( Steig- und Sinkflug ) sowie eine Querneigung über die Verwindung der Flügel ( Rollen). Diese Dreiachssteuerung wurde bei den bemannten Segelflügen von 1900 - 1902 getestet. Diese Form der Steuerung findet man heute in jedem Flugzeug wieder. Ein Teil der Steuerungselemente ist der Joystick bzw. der Steuerknüppel im Segelflugzeug. Der Joystick hat zwei Aufgaben: einmal wird er zum "Rollen" und zum anderen zum "Nicken" des Flugzeugs gebraucht. Um diese Bewegungen hervorzurufen, bedarf es einer Mechanik, womit die Querruder an den Tragflächen sowie auch das Höhenruder hinten am Höhenleitwerk bewegt wird. Diese Mechanik ist ein einfaches System von Führungsseilen und Rollen, was die Ruder in bestimmte Richtungen zieht. In modernen Flugzeugen erledigen dieses hydraulisch geregelte Elemente, die über einen Rechner und dem Autopiloten diese Arbeit auch automatisch erledigen können. Wenn man den Joystick nach links bewegt, bewegt sich das rechte Querruderr nach unten und das linke nach oben. An der rechten Seite wird die Luftströmung nach unten gelenkt, dort steigt die Tragfläche, während die linke sinkt. Das Flugzeug rollt nach links. Das Höhenruder wird gesteuert, wenn man den Joystick zieht oder drückt ( ähnlich dem Steuerknüppel oder dem Steuerhorn von damals ). Die Steuerung ist so gebaut, das wenn man den Joystick zieht, das Höhenruder dann nach oben geht. Dort wird die Luftströmung so umgelenkt, das die Tragflächen mit dem Ruder einen Winkel von >=20° zur anströmenden Luft bilden, kann es je nach Flugzeugtyp bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu einen Strömungsabriss kommen. Dieser Strömungsabriss bewirkt ein "Trudeln" des Flugzeugs, unkontrollierte Bewegungen führen zu einem Spiralsturz, der wiederum meistens mit Schrott beim Flugzeug und zum Tode des Flugzeugführers und der Insassen führt. In diesen entscheidenden Sekunden muss der Flugzeugführer durch kontrollierte Steuerbewegungen und Geschwindigkeits- und Klappenbewegungen versuchen das Flugzeug aus dem Trudeln wieder abzufangen. Wenn man das rechte Pedal betätigt, bewegt sich das Seitenruder nach Rechts. Der Luftstrom wird am Ruder nach Rechts umgeleitet. Das Flugzeug giert und rollt nach rechts.

Wirkung und Prinzig QuerrudersteuerungWirkung und Prinzig Höhenleitwerk
Wirkung und Prinzig Seitenrudersteuerung



 
Der Wright Flyer 1

Wright Flyer 1Die Fliegerei steckte am am 17.12.1903 noch in den Kinderschuhen als die Gebrüder in Kitty Hawk North Carolina erste bemannte Motorflüge durchführten. Beim vierten Flug erreichte das Flugzeug "Flyer 1" eine Geschwindigkeit von 48 km/h und legte dabei eine Strecke von 260m  in 59 Sekunden zurück. Angetrieben wurde der "Flyer 1" von einem 12 Ps starken Motor mit einen 2. Propellerantrieb, den die Gebrüder Wright aus Flugzeugteilen und eigenen Schlosserarbeiten hergestellt hatten. Die Deutsche Lufthansa setzte ab 1935 schon das erste Ganzmetallflugzeugen als Fracht- bzw. Passagierflugzeug ein. Es war die Junkers 52, wovon 4800 Exemplare produziert wurden. Sie wurde auch Liebevoll von den Berlinern "Tante Ju" getauft. Mit Ihren 3-BMW-132-A Dreissternmotoren mit je 725 PS Leistung konnte sie ein Gewicht von bis zu 500 Kg und drei Mann Besatzung transportieren. Unter Hitler Regime wurde sie im Krieg als Bomber und Aufklärungsflöugzeug missbraucht. Nach dem Krieg kam sie in 32 Ländern unter der Regie der Aeroloyd zum einsatz. Mit Hilfe dieser 12 Zylinder - Sternmotoren konnten sie Reichweiten bis zu 1300 km bewältigen ( wenn der Tankinhalt reichte ). In den 30er jahren war dieses eine große Leistung.

Triebwerksarten

Triebwerksarten Erklärung
Heute gibt es viele verschiedene Flugzeuge mit vielen verschiedenen Antrieben. Die Prinipien dieser Antriebe sind aber eigentlich nur in 3 Gruppen zu unterscheiden ( nämlich Turboprop- Turbojetstream- und Turbofantriebwerke ) Nur bei den kleinen Flugzeugen findet man noch die alten Propeller und Sternmotorantriebe.

Das Turboproptriebwerk wird in kleinen Sportmaschinen wie die Robin-DR-400 bis in die großen Passagier- und und / oder Frachtflugzeugen eingebaut. Nur die Leistung und die Größe sind natürlich anders bemessen. ( z.B. DO-228 oder - 328 oder die Antonov-An-12 ) Das Turboproptriebwerk besitzt 2-6 Propellerblätter mit einen tropfenförmigen Profil. Wen diese Blätter sich drehen, saugen sie die Luft an und drücken sie nach hinten. Dieser Druck erzeugt einen Rückstoß, um die Maschine mit der Nötigen Geschwindikeit vorwärts zu katapultieren. Das Turbofantriebwerk hat ein ähnliches Prinzip, nur dass statt der Propellerblätter Schaufeln benutzt werden. Die Geschwindigkeitseigenschaften aberändern bereits dadurch. Die Schaufeln saugen die Luft direkt in eine Brennkammer im inneren des Triebwerks. Dort wird die Luft erhitzt und komprimiert um dann nach hinten raus gedrückt zu werden. Der Rückstoß dieser erhitzten Luft sorgt für einen Rückstoß von bis zu 0,6 Mach ( 1 Mach = 330 m/sec ), also 700 bis 720 km/ h. Bei einer Kombination aus Turbopror- und Turbofantriebwerk kann der Pilot über die Brennkammer steuern, ob er eine langsame Geschwindigkeit ( zum Landen oder Gleitfliegen ) oder eine schnelle Geschwindigkeit ( Startphase und Langstreckenüberflüg, Reisegeschwindigkeit ) haben möchte. Hätte der Pilot der Concorde in Paris ein Iijuschin Triebwerk statt eines Rolls-Royce Triebwerks besessen, wäre das Unglück glimpflicher verlauf en oder vermieden werden können. Das Turbojetstream hat mehrere Schaufeln hintereinander, die die Luft ansaugen und komprimieren zu einer Brennkammer leiten, wo die Luft erhitzt wird Danach wird wie beim Turbofantriebwerk die komprimierte erhitzte Luft zum rückstoß über eine kleinere Ausstoßöffnung, komprimiert zu einen Mach.Auch teiweise bis zu 3 bis 4 Mach mittlerweile. Also vierfache Schallgeschwindigkeit. Dieses Triebwerk sorgt für einen Schub von bis zu 4,8 Mach. Dieses Triebwerk wurde in der Concorde, aber auch in den Jets Lookhead F117 Nighthawk und Lookhead F212 Deltafigter "Falconhawk" eingesetzt oder beim neuen Eurofighter.
Den treibstoff bekommen die Triebwerke aus den Tanks in den Tragflügeln.

Funktionsweise Auftrieb

Flugzeugaufbau ErklärungDiese in einem tropfenförmigen 10 - 15° gegossenen Tragflächen haben Wölbklappen an - oder eingebaut ( "verkürzte Flügel"), die beim Ausfahren einen Winkel von 15 bis 45° erzeugen können, zum Steigflug sind bis zu 20° erforderlich. Durch diese Winkelstellung wird ein zusätzlicher Auftrieb erzeugt. Welche Kräfte wirken eigentlich auf das gesamte Flugzeug und halten es in der Luft? Hinter dem Flugzeug, erzeugt durch durch die Triebwerke, entsteht die Vortriebs- oder Schubkraft, vor dem Flugzeug entsteht an den Vorderflächen durch die Reibung eine Widerstandskraft. Dann haben durch die Erde bedingt und durch das Eigengewicht erzuegt noch von oben wirkend die Schwerkraft, und durch die Luftströmung, das Profil der Tragflächen und durch die Wölbklappen erzeugt von unten noch den Auftrieb, der sich gegen diese Schwerkraft behaupten muss. Wir sehen, nicht der Treibstoff, das Können des Piloten, sondern nur diese vier gegengesetzt gepolte, vom Piloten beherrschen, Kräfte, halten das Flugzeug in der Luft. Eigentliche also ganz simpel oder?? Nur für die Beherrschung dieser Elemente braucht es ein bisschen mehr als nur das Wissen. Das muss man immer wieder üben üben und ....üben. Daher muss jeder Pilot, um seinen Schein zu behalten, immer wieder Fliegen.


 

Fluginstrumente

Cockpit eines Passagierflugzeugs
Im Cockpit eines heutigen Flugzeugs herrscht Ruhe, der Pilot kontrolliert und checkt mit seinen Copiloten und mit seinem ( falls noch vorhanden ) Bordingenieur die Instrumente und überlässt das Fliegen während dieser Zeit dem Autopiloten ( nicht die eine Gummipuppe, die in einer Komödie aus den 80ern gezeigt wurde ), der heutzutage sogar landen und starten kann. Der Pilot sollte aber trotzdem nicht wegrationalisiert werden, denn beim Fliegen kann es immer mal wieder zu unvorhergesehenen Betriebsausfällen, des Rechners oder der Elektronik kommen und dann ist es besser, wen noch ein Mensch dort ist, der das Fliegen auch beherrscht. ( PS: Auch die Flugbegleiter haben heutzutage einen Kursus von einigen Stunden Fliegen hinter sich. Sie nennen sich dann "Flight Assistent", wenn sie diesen Kurs erfolgreich absolviert haben ) Der Pilot gibt dem Bordcomputer anhand des GPS, der eingegebenen Software mit den ICAO Karten ( Luftwege und Lauftraumkarten ) und der Flughöhe und des Schubs aus. Dieser Bordcomputer gibt dann über den Autopiloten elektronischen Befehle an Kleinstmotoren, die die Hydraulik der Seile bedienen und somit natürlich dann auch die Ruder, Klappen, Brennstoffsteuerung und Fahrwerk. Im Flugzeug gibt es viele Instrumente, die dann auch noch zur Sicherheit doppelt oder dreifach vorhanden sind. Diese Instrumente machen heute einen Großteil der Luftfahrthilfen aus, die im modernen Cockpit gebraucht werden. Es gibt dort einen Künstlichen Horizont, von Piloten auch "das Auge" genannt, den kreiselkompass ( unmagnetisch in Öl gelagert oder schon elektronisch gesteuert ), den Schubmesser ( ein "Tachometer fürs Flugzeug"), den Höhenmesser, die Treibstoffanzeige, eine Anzeige für die Drehzahl und in ganz großen Flugzeugen einen Monitor zum Einparken, denn ein Pilot kann nciht mal eben in den Rückspiegel schauen! Alle diese Instrumente helfen dem Piloten nur das Flugzeug zu fliegen. Sie sind kein Ersatz für den Menschlichen Instinkt.

Landeanflug

ConcordeBeim Landeanflug werden die Wölbklappen auf eine 30°- Stellung gebracht, damit die Luftströmung abgebremst abgebremst wird. Gleichtzeitig muss die Geschwindigkeit aber gehalten werden um korrekt landen zu sinken. In einer Checkupliste stehht eine genaue Sinkgeschwindgeit bei den wenn man nicht unkontrolliert schneller sinken, und, durch einen Strömungsabriss kurz über dem Boden, nicht unkontrolliert schneller sinken, und, durch einen Strömungsabriss kurz über dem Boden, nicht den Acker pflügen wollte. Nach der Landung werden zusätzlich zu den Fahrwerksbremsen auch noch die Triebwerke auf Umkehrschub ( d.h. umgekehrte Laufrichtung und dadurch umgekehrte Strömung ) geschaltet. Die Wölbklappen können dann auf 45° gestellt werden, wenn man auf einer kurzen Bahn landen will. Aber dieses sollten die Piloten nur im Notfall tun.
Flugzeuge sind heute die wichtigsten Transprotmittel für weite Strecken, um schneller und besser Menschen oder Fracht zu transportieren.

 

Luftfahrtaufkommen

Luftraum Ruhrgebiet ICAO KarteJährlich wächst das Luftfahrtaufkommen, womit wir wieder bei der Einleitung wären, "Über den Wolken....-aber....
Am Frankfurter Flughafen gibt es mittlerweile 80 Starts und Landungen in einer Stunde. Das macht in 21 Stunden 1680 Starts und Landungen. Somit steht heute die Welt des Fliegens jedem offen, sofern er den Flug noch bezahlen kann.
Am Düsseldorfer Flughafen arbeiten mehr als 2000 Menschen. Im Tower der Deutschen Flugsicherung ( DFS ), wo der Luftraum vor dem Start und vor der Landung sowie auch der Roll- und Taxibetrieb am Boden überwacht. wird, herrscht Hochbetrieb. Den überregionalen Luftraum überwacht übrigens Eurocontrol aus Maastricht ( Belgien ), wo 2350 Lotsen ( stand 2004 ) aus gant Europa in Englischer Sprache zusammenarbeiten. Im Tower von Düsseldorf weren Starts und Landungen freigegeben, das Flugzeugen zum Rollen oder hin zum Gate freigegeben und dirigiert, sowie auch die Hilfsfahrzeuge des Bodens mit dem Luftverkehr koordiniert.
Dort wird nach den Starts oder vor den Landungen auch in den Internationalen Lauftraum hinein koordiniert. Eine falsche Angabe bei einer Kreuzung, in der Luft bei der Höhe oder Richtung, oder beim Überqueren eines Taxiways, kann Hunderten von Menschen das Leben kosten. Also ist es eigentlich der Lotse und der Pilot, die miteinander den Flugverkehr sicher machen. Allein über dem Ruhrgebiet gibt es vier große Lufträume, die für den Segelflieger und anderne Sportflugzeugen gesperrt sind. Es sind A) Zivilflugrechtlich genutzte Flächen für Großraumflugzeuge und b) Militärechtlich genutzte Flächen für Tieflieger und andere militärische Zwecke. Auch hier in Lünen müssen die Segelfleiger immer wieder sich beim Tower melden, denn auch die haben einen gesperrten Luftraum, nämlich über den Start und Landeplatz des Rettungshubschraubers "Christoph 8" der am St. Marien Hospital Lünen stationiert ist. Bei weiteren Ausbau  von Flughäfen wird es, wenn es so weiter geht keinen Raum mehr für Sport - und Hobbyflieger geben.
Damit ist dann mit dem Traum vom Fliegen wohl vorbei und die grenzenlose freiheit für immer vorüber.
"Über den Wolken muss die Freiheit wohl grenzenlos sein, alle Ängste, alle Sorgen, sagt man werden verblassen und klein...! ist dann nur noch ein alter Song von Reinhard May!!

 

Diesen Text habe ich 2004 für ein Referat in Naturwissenschaftlichen Physikunterricht geschrieben, wo wir in der Schule das Thema "Fliegen" hatten. Zu dem Zeitpunkt war ich selber noch ein Segelflieger in der Flugsportgruppe Lünen e.V.! Und ein sehr begeisteter Luftfahrtfan. Was ich übrigen auch heute noch bin.

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