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Fragen rund ums Fliegen

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Wie startet ein Flugzeug?

Nehmen wir an, das Flugzeug ist auf die Startbahn gerollt. Vielleicht muss es noch für kurze Zeit warten. Obwohl die Triebwerke mit ihrer niedrigsten Drehzahl laufen, liefern sie ausreichend Schub, um das Flugzeug rollen zu lassen. Um das zu verhindern, sind die Bremsen an den Rädern angezogen. Zum Start werden sie gelöst. Gleichzeitig stellt die Cockpitcrew die Leistung der Triebwerke auf einen vorher sehr genau berechneten Wert. Nur in wenigen Fällen entspricht dieser dem maximal möglichen. Es folgt eine scheinbar gleichbleibende Beschleunigung. Für diese kurze, aber sensible Phase des Starts gibt es selbst in den modernsten Flugzeugen keine Automatik im Cockpit. Von der Crew wird große Aufmerksamkeit verlangt, um etwaige Störungen sofort zu erkennen und ihnen unverzüglich zu begegnen. Ein möglicher Fehler wäre der Ausfall eines Triebwerks. Dazu wurde vorher unter Einbeziehung vieler aktueller Umstände eine Geschwindigkeit ausgerechnet, die diesem sehr seltenen Fall zwei mögliche Folgen zuordnet. Geschieht der Ausfall nämlich vor dieser Geschwindigkeit, wird der Start abgebrochen und die verbleibende Bahnlänge reicht zum Abbremsen. Erfolgt ein Motordefekt nach der Entscheidungsgeschwindigkeit, wird der Start fortgesetzt und das Flugzeug wird am Ende der Bahn und über allen nachfolgenden Hindernissen eine berechnete Mindesthöhe einhalten. Eine typische Bahnlänge beträgt vier Kilometer. Ein Fußgänger braucht für diese Strecke bekanntermaßen eine Dreiviertelstunde. Das Flugzeug wird das Bahnende nach etwa einer Minute überfliegen. Dazu wird eine für uns Autofahrer vergleichsweise sportliche Beschleunigung gehören. Sie wird unter entsprechenden Bedingungen auch von einem Jumbo, der Boeing 747, von 0 bis 100 Kilometer pro Stunde in sechs Sekunden erledigt sein. Mögen einige der mit starken Motoren ausgestatteten Pkws bis 100 Kilometer pro Stunde dabei sein, sie bleiben alle zurück, wenn es mit weiterhin hoher Beschleunigung über 100 hinausgeht. Endlich ist es soweit. Das Flugzeug nimmt mit genügend Tempo die Nase hoch und hebt ab. Nun fliegt der ganze Apparat und beginnt sofort zu steigen. Ist schließlich und endlich auch das leichte Rumpeln der einfahrenden Fahrwerke verklungen, ist der Start, den der Fachmann Take-Off nennt, zu Ende. Jetzt beginnt der Steigflug.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Wie alt wird ein Flugzeug?

Wollte man das Alter in Betriebsstunden angeben, so ist diese Zahl enorm hoch. Vergleicht man diese Betriebszeit gar mit der eines Autos, kommt man leicht ins Staunen. Verkehrsflugzeuge bringen es nicht selten auf über 5000 Stunden pro Jahr. Zur Erinnerung: Das Jahr hat gerademal 8760 Stunden. In dieser Zeit erreicht ein Privatauto magere 300 Stunden. Das sind weniger als zwei Wochen Betriebszeit pro Jahr. Dazu kommt, dass viele Pkws bereits nach etwa 3000 Betriebsstunden für immer stillgelegt werden - eine Zeit für die ein Verkehrsflugzeug nur sieben Monate benötigt. Da ein solcher Einsatz viel mehr Stunden pro Monat beträgt, als ein Mensch arbeiten kann, benötigt eine Luftfahrtgesellschaft sieben bis zehn Besatzungen pro Flugzeug, um es personell ausreichend zu versorgen. Es gibt keinen Grund zur Annahme, dass ein großes Flugzeug auch nach 75000 Betriebsstunden gegenüber einem neuen anfälliger gegen Störungen ist. Nicht das Alter ist entscheidend, sondern seine regelmäßige Wartung. Bereits vor jedem Flug wird eine Kontrolle durchgeführt, die mit der jährlichen Inspektion eines Autos vergleichbar ist. Eine größere Inspektion folgt im Abstand von 24 Stunden, die nächst größere ist in einer Woche fällig. Dann gibt es weitere mit noch größerem Abstand. Die größte aller Untersuchungen wird nach ein paar Jahren durchgeführt. Wird schon für eine kleinere Untersuchung ein haushohes Dock benötigt, so wird das Flugzeug beim größten Wartungsereignis in diesem Dock völlig auseinandergenommen, und zwar so gründlich, als würde man ein fertiges Wohnhaus bis zum ursprünglichen Rohbau rückbauen. Bei einer Boeing 747, dem Jumbo, nennt er sich D-Check. Er bindet 250 Techniker fünf Wochen, das macht 50000 Arbeitsstunden. So etwas funktioniert nur mit großem logistischen Einsatz, der dem Mangel keine Chance lässt. Warum die renommierten Fluggesellschaften dennoch ihre Flugzeuge im allgemeinen nach 15 bis 20 Jahren bereits verkauft haben, ist weniger eine Frage des Alterns als eine von Prestige und stillem Kundenwunsch. Diese Einstellung mag löblich sein, denn neue Flugzeuggenerationen verbrauchen nicht nur weniger Kraftstoff, sie sind auch leiser.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Wie fliegt ein großes Verkehrsflugzeug?

Drei Dinge braucht ein Flugzeug: Genügend Auftrieb - eine Einrichtung zum Lenken - und einen Antrieb. - - Der Auftrieb - durch die Tragflächen erzeugt - lässt sich auf dreierlei Weise vergrößern. Durch größere Tragflächen, durch schnelleres Fliegen oder durch ein schrägeres Anstellen der Tragflächen gegen den Wind. Startet ein Flugzeug, und hat es bei seinem Startlauf die nötige Geschwindigkeit erreicht, steuert der Pilot das Flugzeug so, dass es die Nase hochnimmt. Die fest verbundenen Tragflächen bekommen so einen größeren Anstellwinkel: Das Flugzeug steigt auf. Eigentlich ist die Größe der Tragflächen für die ungefähr dreimal so hohe Reisefluggeschwindigkeit von etwa 850 km/h ausgelegt. Um nun aber doch langsam fliegen zu können, hat der Konstrukteur ausfahrbare Klappen vorgesehen, die bei Start und Landung die Tragflächen vergrößern. Sie werden nach dem Start mit zunehmender Geschwindigkeit eingefahren. Für die Höhenregulierung steht das Höhenruder zur Verfügung. Das Höhenruder ist eine kleine Tragfläche am Heck des Flugzeugs. Sein Anstellwinkel ist so verstellbar. dass es Auftrieb, wie auch Abtrieb erzeugen kann. Abtrieb erzeugte es, als der Pilot noch auf der Startbahn an seiner Steuersäule zog. Dadurch wurde das Heck runtergedrückt und die Nase kam hoch. Ist das Flugzeug erst einmal in der Luft, wird es auch alsbald eine Kurve fliegen wollen. Dazu muss es sich auf die Seite legen. Das geschieht mit Hilfe der Querruder. Sie befinden sich an beiden Tragflächen. Sie sind wiederum kleine Tragflächen, die je nach Verstellung gegenläufig einen Auf- oder Abtrieb erzeugen. Erzeugt das linke Querruder einen Auftrieb, hebt sich die linke Tragfläche. Gleichzeitig erzeugt aber das rechte Querruder einen Abtrieb. Die rechte Tragfläche senkt sich. Damit dreht sich das Flugzeug auf die Seite und leitet eine Kurve ein. Während des Kurvenfluges stehen die Querruder wieder in Normal - anderenfalls würde das Flugzeug immer weiterdrehen - was der Kunstflieger dann Rolle nennt. Um alles in Schwung zu halten, bedient man sich der Strahltriebwerke. Diese erzeugen den nötigen Rückstoß - genauso wie der Luftballon, der durch den Raum saust und sich dabei entleert.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Wie funktioniert ein Strahltriebwerk?

Sein Wirkungsprinzip ist der Rückstoß. Die gleiche Wirkung treibt den durchs Zimmer fliegenden Luftballon an, der sich dabei blubbernd entleert. Was der Luftballon nur kurz kann, macht das Strahltriebwerk viel länger. Es bläst auch hinten Luft heraus. Dazu saugt es aber ständig vorne Luft ein. Für einen großen Rückstoß - dessen Wirkung man Schub nennt - muss möglichst viel Luft - und diese Luft - was noch wichtiger ist - möglichst schnell hinten aus dem Triebwerk ausströmen. Dies erreicht man, indem im Triebwerk die Luft mit brennendem Kraftstoff aufgeheizt wird. Dadurch dehnt sich die Luft enorm aus, und ein viel größeres Luftvolumen als vorne einströmt, verlässt nun hinten das Triebwerk. Das schafft die Luft nur, indem sie mit außerordentlich großem Tempo durch die Düsenöffnung strömt. Bei einem Jumbotriebwerk kann das 2250 km/h betragen. Nur wegen der dabei herrschenden Temperatur von 575 °C ist diese Geschwindigkeit noch unterhalb der Schallgeschwindigkeit. Im Inneren dieses Triebwerks befindet sich vorne ein drehender Kompressor. Er ist es, der die Luft vorne einsaugt und zur Brennkammer führt. Nachdem der brennende Kraftstoff durch seine Wärme das Luftvolumen in genannter Weise vergrößert hat, strömt es nicht sofort hinten heraus, sondern treibt noch schnell eine Turbine an. Diese Turbine sitzt nicht zufällig auf der gleichen Welle mit dem Kompressor - der dadurch angetrieben wird. Außerdem - von der gleichen Welle angetrieben - und noch vor dem Kompressor sitzend ist ein übergroßes Gebläserad, der Fan. Er besteht aus vielen nebeneinanderliegenden Propellerblättern. Man sieht diese sogenannten Fanschaufeln, wenn man vorne in das Triebwerk schaut. Dieser Fan wirkt wie der Propeller an einem kleinen Flugzeug. Interessant ist, dass er das Triebwerk leise macht und beim Start den größten Schub liefert.


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Wie ist das denn nun mit dem Kraftstoffverbrauch?

Wer diese Frage stellt, muss eigentlich eine andere Frage schon gestellt haben: Nämlich die: Warum fliegt überhaupt ein Flugzeug? Meine Antwort darauf: Weil die Leute irgendwo hin wollen. Daraus folgt: Wir sind es, die über den Kraftstoffverbrauch entscheiden, nicht die Triebwerke. Seien wir mal ehrlich: Unser Geldbeutel bestimmt zum großen Teil unser Freizeitverhalten und damit die Entfernung zum Urlaubsziel. Dazu kommt, dass oftmals die Urlaubsreisen nach dem Zielgebiet und nicht in erster Linie nach dem Reiseanlass ausgesucht werden. Daraus resultiert oft das entferntere Ziel. Flüge von 12 oder gar 14 Stunden sind keine Seltenheit. Diese Flüge werden heute im allgemeinen Nonstop - also ohne Zwischenhalt - angeboten. Wer macht sich da Gedanken über den Kraftstoffverbrauch? Er kann ja tatsächlich ausgesprochen niedrig sein. Auf einem gut gefüllten Jumboflug - beispielsweise von New York nach Frankfurt - beträgt der Verbrauch pro Passagier ganze 3,5 Liter auf 100 km. Aber - was kaum ein Passagier berücksichtigt: Mit der Länge der Flugzeit steigt der Verbrauch enorm an. Würde man einen 14-Stunden-Flug - anstatt Nonstop zu fliegen - in der Mitte unterbrechen, so könnte ein Jumbo auf dieser einen Reise 25000 Liter Kraftstoff sparen. Ein gewaltiges Sparpotential für eine nur eineinhalb Stunden längere Reise. Diese Menge könnte reichen, um ein deutsches Standardeinfamilienhaus fünf Jahre lang zu heizen. Unterm Strich aber ist das zwar kein billigerer Flug, weil die Landegebühren happig sein können - und möglicherweise die Crew gewechselt werden muss. Aber: Wie steht es mit dem Katalysator? Er kostet Geld und das Auto hat auch noch einen höheren Verbrauch.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Wie schnell fliegt ein Verkehrsflugzeug?

Für heutige Jetflugzeuge lautet die Antwort: ziemlich schnell! Zumindest im Reiseflug. Der Reiseflug ist die Zeit vom Ende des Steigflugs bis zum Zeitpunkt des Sinkflugs. Dieser Zeitraum kann 15 Minuten betragen. Er kann sich aber auch auf 13 Stunden ausdehnen. Eine solch lange Zeit fliegen die sogenannten Langstreckenflugzeuge. Sie sind im allgemeinen von Haus aus für eine höhere Geschwindigkeit konstruiert als die Kurzstreckenflugzeuge. Verglichen mit den Höchstgeschwindigkeiten verschiedener Autotypen, unterscheiden sich diese Reisefluggeschwindigkeiten allerdings nur geringfügig. Sie sind schon vom Konstrukteur des Flugzeugs festgelegt und werden in Prozenten der Schallgeschwindigkeit angegeben. Diese Schallgeschwindigkeit wird im Cockpit angezeigt. Der Jumbo, die Boeing 747, fliegt mit 86 % der Schallgeschwindigkeit. Da die Umrechnung in Kilometer pro Stunde vor allem von der Lufttemperatur abhängt, kann man übersetzt nur sagen: Das sind ungefähr 920 km/h. Die typische Reisegeschwindigkeit eines Kurzstreckenflugzeugs beträgt dagegen um 830 km/h. Wollte der Jumbo schneller fliegen - um vielleicht eine Verspätung aufzuholen - so kann er mit vertretbarem Aufwand lediglich 20 km/h zulegen. Für diese 20 km/h mehr, die auf einer Strecke von FRA nach New York nur ganze 11 min Zeitersparnis einbringt, steigt der Kraftstoffverbrauch um beachtliche 4000 Liter an.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Wie gefährlich ist ein Gewitter?

Wolken sind gleichbedeutend mit mehr oder weniger turbulenter Luft. Wenn ich nun sage, dass man besonders heftige Turbulenz in Gewitterwolken findet, dann ist das genaugenommen praxisfremd. Kein Flugzeug sucht Gewitterwolken. Im Gegenteil: man macht alles, um den Kontakt mit ihnen zu vermeiden. Fliegt man des nachts in ihrer Nähe vorbei, so hat ihr Aussehen - von oben aus betrachtet - sogar etwas Gemütliches. Sie leuchten so schön auf, wenn sie ihre elektrische Ladung in Form eines Blitzes an die Erde abgeben. Dieses Schauspiel ist sogar oft von einem völlig ruhigen Flug begleitet. Ist aber die Gewitterwolke - es können auch mehrere sein - eingebettet in andere Wolken, so sieht man vom Blitz höchstens einen hellen Schein. Dazu gibt es dann die Unannehmlichkeit eines mehr oder weniger wackelnden Flugzeugs. "Wir flogen durch ein Gewitter", erzählen viele später. Richtiger wäre: "Wir flogen an einem Gewitter vorbei". Auf jeden Fall aber haben sie dann noch mehr zu erzählen, wenn ein knallvoller Blitz auf seinem Weg zu einer anderen Wolke oder zur Erde das Flugzeug traf. Dieses Phänomen ist selten, eindrucksvoll und ungefährlich. Ein kurzer heller Schein, der sofort akustisch begleitet wird, und der Blitz ist irgendwo außen am Flugzeug angekommen, hat seinen Weg außen über die Blechhaut genommen, und ist schließlich irgendwo wieder in die Luft ausgetreten. Später wird man eine schmale Spur finden. War das Flugzeug an dieser Stelle lackiert, ist dort der Lack ab.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)

Welchen Vorteil haben Jetflugzeuge gegenüber Flugzeugen mit Propellerantrieb?

Die Antwort ist ganz einfach: Bei einem Flugzeug mit Jetantrieb frohlockt der Gast. Würden die Passagiere die Wahl zwischen einem alten Jet und einem hochmodernen Propellerflugzeug haben, der überwiegende Teil von ihnen würde den Jet bevorzugen. Das ist sicherlich ein beachtlicher Grund, warum eine große Gesellschaft unter den kleinen deutschen sich von all seinen Propellerflugzeugen verabschiedet hat. Der Kunde glaubt nämlich, er sei im Jet besser aufgehoben. Sicherlich hat er nicht Unrecht, wenn es über weite Strecken geht. Der Jet fliegt höher und damit meistens über den Wolken. Das bringt den ruhigeren Flug. Hinzu kommt, dass Düsentriebwerke vibrationsärmer laufen. Und: Der Jet ist einfach schneller. Alle heutigen Langstreckenflugzeuge mit ihren zwei bis vier Düsentriebwerken fliegen mit einer Reisegeschwindigkeit von etwa 900 km/h. Eine solch hohe Geschwindigkeit ist schon aus physikalischen Gründen mit dem üblichen Propeller nicht zu erreichen. Wohl schafft man aber Geschwindigkeiten, die für kurze Strecken völlig ausreichend sind. Schließlich ist doch für den Fluggast die gesamte Reisezeit - also die von Haus zu Haus - das Wichtige und nicht die Zeit, die er im Flug verbringt. Und die dürfte sich bei einer Entfernung von beispielsweise 200 km um unbedeutende Minuten unterscheiden. Ist nun auf solch einer Strecke das Passagieraufkommen gering, braucht man ein kleines Flugzeug. Und das ist am preiswertesten zu bauen und auch zu unterhalten, wenn es einen Propellerantrieb hat.


Expert: Jürgen Heermann (http://www.flugingenieur.de/)


Strahltriebwerke

Für besonders wirtschaftlichen Betrieb im mittleren Unterschallbereich werden Turboproptriebwerke (Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerke, PTL) verwendet, bei denen ein Propeller über ein Getriebe von der Turbinenwelle angetrieben wird (Abb. 1). Bei dieser Triebwerksart werden die Gase in der Turbine weitgehend entspannt und geben einen großen Teil ihrer Energie ab, da sowohl der Verdichter als auch die Luftschraube angetrieben werden müssen. Die ausströmenden Gase ergeben jedoch noch einen Restschub, der genutzt wird.
Da das reine Turboluftstrahltriebwerk (Einkreistriebwerk) im Unterschallbereich und im Bereich kleiner Überschallgeschwindigkeiten keinen guten Vortriebswirkungsgrad erreichen kann, wurden Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke (ZTL) entwickelt, die die Lücke zwischen dem Anwendungsbereich des Turboproptriebwerks und des reinen Turboluftstrahltriebwerks schließen. Beim sogenannten Mantelstromtriebwerk (Abb. 2) wird ein Teil der angesaugten Luft hinter dem Niederdruckverdichter abgezweigt und als Kaltluftstrom (Mantel-, Sekundärluftstrom oder Bypass) um das Grundtriebwerk herumgeführt. Der äußere Luftstrom expandiert in einer eigenen Ringdüse oder wird dem inneren, heißen Primärstrom zugemischt und in einer gemeinsamen Düse entspannt.

Abb. 1: Turboproptriebwerk:

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Sind nur ein Verdichter und eine Turbine auf einer einzigen, gemeinsamen Welle angeordnet, so spricht man von einem Einwellentriebwerk. Zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit des Triebwerks an die wechselnden Betriebsbedingungen wird die Mehrwellenbauweise angewendet, bei der zwei oder drei mechanisch unabhängige Verdichter-Turbine-Einheiten mit verschiedenen Drehzahlen koaxial laufen. Diese werden als Nieder-, gegebenenfalls Mittel- und Hochdruckteil des Triebwerks bezeichnet (vgl. Abb. 2).
Für den Antrieb von Großraumflugzeugen (Jumbo-Jet, Airbus u. a.) werden sogenannte Fan-Triebwerke (Bläsertriebwerke, Zweikreistriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis) verwendet. Das äußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein großer, von der Turbine angetriebener "Bläser" (Fan) von fast 2,50m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist (Abb. 3). Er bewirkt mit der ihn umgebenden Verkleidung, daß der überwiegende Teil (70 bis 80%) der angesaugten Luftmassen (rund 650 kg pro Sekunde, d. h. rund 500 m3/s) als kalter Sekundärluftstrom um das eigentliche Triebwerk herumgeführt und dabei hoch beschleunigt wird. Dies hat zur Folge, daß auch der überwiegende Teil des Triebwerkschubs durch den Nebenstrom erzeugt wird.

Abb. 2: Mantelstromtriebwerk:

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Sind nur ein Verdichter und eine Turbine auf einer einzigen, gemeinsamen Welle angeordnet, so spricht man von einem Einwellentriebwerk. Zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit des Triebwerks an die wechselnden Betriebsbedingungen wird die Mehrwellenbauweise angewendet, bei der zwei oder drei mechanisch unabhängige Verdichter-Turbine-Einheiten mit verschiedenen Drehzahlen koaxial laufen. Diese werden als Nieder-, gegebenenfalls Mittel- und Hochdruckteil des Triebwerks bezeichnet (vgl. Abb. 2).
Für den Antrieb von Großraumflugzeugen (Jumbo-Jet, Airbus u. a.) werden sogenannte Fan-Triebwerke (Bläsertriebwerke, Zweikreistriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis) verwendet. Das äußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein großer, von der Turbine angetriebener "Bläser" (Fan) von fast 2,50m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist (Abb. 3). Er bewirkt mit der ihn umgebenden Verkleidung, daß der überwiegende Teil (70 bis 80%) der angesaugten Luftmassen (rund 650 kg pro Sekunde, d. h. rund 500 m3/s) als kalter Sekundärluftstrom um das eigentliche Triebwerk herumgeführt und dabei hoch beschleunigt wird. Dies hat zur Folge, daß auch der überwiegende Teil des Triebwerkschubs durch den Nebenstrom erzeugt wird.

Abb.3: Fan-Triebwerk:

 

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