Flugzeugtechnik: Wie ein Flugzeug funktioniert
Der Ursprung der heutigen Flugzeugtechnik liegt in den Pionierleistungen, die Anfang des 20. Jahrhunderts zu den ersten Motorflugzeugen führten. Die Maschinen der Frühphase waren meist aus Holz, zum Teil stoffbespannt und hatten oft rechteckige Flügel. Eine häufige Bauform war der Mehrfachdecker mit übereinander angeordneten Tragflügeln. Die Holzflugzeuge wurden schon bald durch stabilere Metallkonstruktionen ersetzt. Mit dem Kolbenmotor hatte man eine geeignete Quelle zum Antrieb der Propeller, die aber wegen der Forderung nach immer höheren Geschwindigkeiten bald an ihre Grenzen stieß. Der Propeller musste bei Militär- und Linienverkehrsflugzeugen Strahl- und Turbinentriebwerken weichen. Als Fluggast in der klimatisierten Passagierkabine eines Großraumjets bekommt man von der Flugzeugtechnik kaum mehr als einen Blick auf eine triebwerkbestückte Tragfläche mit. Von außen sind zwar der grobe Aufbau — Rumpf, Flügel und Leitwerk — sowie einige Details — Steuerruder, Landeklappen und Fahrgestell — zu sehen, doch schon die Überwachungs- und Navigationsinstrumente bleiben für die Passagiere normalerweise hinter den Kulissen verborgen. Die Funktionsweise der meisten flugzeugtechnischen Einrichtungen erschließt sich dem Betrachter nicht. Was also bringt ein Flugzeug zum Fliegen und wie wird es gesteuert?
Tragflügel
Die Tragflügel eines Flugzeugs, ob motorbetrieben oder frei segelnd, sind seine wichtigsten Bestandteile, da sie für den Auftrieb sorgen, der es in der Luft hält.Diese Auftriebskräfte entstehen, wenn ein Flügel von Luft umströmt wird. Bei Tragflügeln mit spiegelbildlich gewölbtem Profil muss die Luft dazu schräg von unten in einem flachen Anstellwinkel heranströmen. Bei Tragflügeln von unsymmetrischem Querschnitt, beispielsweise bei flacher Unter- und gewölbter Oberseite, entsteht auch bei frontaler Anströmung Auftrieb. Die heranströmende Luft beschreibt auf der Flügeloberseite einen Bogen, weshalb dort ein geringerer Druck als auf der Unterseite herrscht und der Flügel nach oben gesaugt wird. Die Wölbung der Tragflügeloberseite ist bei langsamen Flugzeugen größer; bei schnellen genügen flache, dünne Flügel von relativ kleiner Fläche. Bei gegebenem Anstellwinkel wächst nämlich der Auftrieb mit dem Quadrat der Geschwindigkeit der heranströmenden Luft. Bei gleich bleibender Geschwindigkeit steigt der Auftrieb mit größerem Anstellwinkel. Dies gilt bis zu einem bestimmten, kritischen Anstellwinkel, oberhalb dessen sich die Strömung von der Flügeloberseite ablöst und sich Luftwirbel bilden, die den Auftrieb zunichte machen.
Da man für Start und Landung besonders viel Auftrieb braucht, ist in dieser Situation ein stark gewölbtes Profil erforderlich. Dieses besitzt aber im Reiseflug zu viel Luftwiderstand. Das Tragflügelprofil lässt sich daher durch bewegliche, segmentierte Klappen verändern, die sich an der rumpfwärts gelegenen Hälfte der Flügel befinden. Die Auftriebsklappen verleihen einem Flügel während Start und Landung mehr Auftriebswirkung, indem die Flügelhinterkante abwärts gebeugt wird. Bei höheren Geschwindigkeiten werden die Klappen wieder eingefahren, um den Strömungswiderstand zu verringern.
Auch die Streckung — das Verhältnis von Spannweite zur Flächentiefe —, die Gestalt der Flügelspitze und der Anschluss an den Rumpf beeinflussen die Flugeigenschaften. Die Geometrie der Tragflügel bietet eine große Variationsbreite. Flugzeuge niedriger Geschwindigkeit haben rechteckige bis trapezförmige Flügel mit großer Streckung. Bei schnellen Flugzeugen findet man pfeil- oder deltaförmige Tragflügel, bei Militärmaschinen auch Schwenkflügel.
Steuereinrichtungen
Zur Steuerung und Stabilisierung des Flugzeugs in der Luft dienen Höhen-, Seiten- und Querruder. Die Querruder befinden sich meist an der äußeren Hinterseite der Flügel, neben den weiter innen liegenden Auftriebsklappen, und dienen dazu, die seitliche Neigung des Flugzeugs einzustellen. Sie werden üblicherweise durch Schwenken des Steuerknüppels oder Steuerhorns gesteuert. Die Übertragung der Steuerbewegungen auf die Lenkeinrichtungen erfolgt heutzutage in der Regel nicht mehr über Gestänge und Hydraulikadern, sondern über elektrische Leitungen und Servomotoren, was dieser Technik den Namen »fly-by-wire« (Fliegen per Draht) eingetragen hat. Um den Piloten beim Steuern eine Rückmeldung zu geben, sind in die Manipulatoren und Pedale Motoren eingebaut, mit denen das Verhalten unter analoger, direkter Steuerung simuliert wird, wie beispielsweise Druckwiderstand oder Rütteln. Doch zurück zu den Rudern: Das Seitenruder ist, ebenso wie die Höhenruder, an der Hinterseite des Leitwerks angebracht, das sich am Heck des Flugzeugs befindet. Mit dem Seitenruder lässt sich der Kurs ändern, ausgelöst über Fußhebel des Piloten. Die Höhenruder schließlich werden verwendet, um das Flugzeug steigen oder sinken zu lassen. Dazu zieht der Pilot das Steuer zu sich beziehungsweise drückt es von sich fort.
Am hinteren Ende der Ruder sind bei kleineren Maschinen zum aerodynamischen Ausgleich und zur Herabsetzung der Steuerkräfte Trimm- oder Hilfsruder eingebaut. Im ausgetrimmten Zustand ist das Flugzeug so stabil, dass es keiner Steuerkräfte mehr bedarf, um den aktuellen Flugzustand aufrecht zu erhalten, oder anders ausgedrückt, das Flugzeug kann dann sich selbst überlassen werden.
In größeren, mit Computerhilfe gesteuerten Flugzeugen ist es nicht mehr erforderlich, einen stabilen Flugzustand herstellen zu können, da die Elektronik alle Abweichungen unverzüglich korrigiert. Problematisch könnte es allerdings werden, wenn diese Aufgabe beim Ausfall des Computers vom Piloten selbst übernommen werden muss.
Antrieb
Zum Antrieb, genauer Vortrieb, von Flugzeugen dienten bereits in den ersten Maschinen Luftschrauben (Propeller). Sie waren damals noch aus Holz gefertigt. Die zwei bis fünf Blätter eines Propellers sind so geformt und angebracht, dass sich beim Rotieren auf ihrer Rückseite ein erhöhter Druck ergibt, woraus eine vorwärts gerichtete Kraft resultiert. Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip, das den Tragflügeln Auftrieb verleiht, und sind in der Drehebene um einen kleinen Winkel verkippt montiert. Da ein Flugzeug beim Start und im Steigflug mehr Antriebsleistung als im Dauerbetrieb benötigt, gibt es Verstellpropeller, deren Einstellwinkel sich je nach Situation so verändert, dass dem Motor stets eine möglichst gleich bleibende Leistung abverlangt wird.
Angetrieben werden Propeller bei kleineren Flugzeugen von leistungsstarken Kolbenflugmotoren mit großen Hubräumen. Die Zündanlage ist doppelt ausgeführt, da sie der störungsanfälligste Teil eines Ottomotors ist. Der Propeller wurde in der Frühzeit der Motorfliegerei direkt angetrieben; heute wird meist ein Getriebe verwendet, um die Luftschraube langsamer und damit wirkungsvoller anzutreiben. Als Motorbauarten findet man Reihen-, Boxer- oder Sternmotoren, die luft- wie auch wassergekühlt sein können. Lageunempfindlichere mechanische Benzineinspritzungen lösten schon in den 1930er-Jahren die zuvor verwendeten Vergaser ab.
Auf einem gänzlich anderen Antriebsprinzip beruhen die Strahltriebwerke (englisch: jet engines, auch Düsentriebwerke genannt), welche den Rückstoß eines Abgasstrahls zum Erzielen des Schubs nutzen. Damit erreichen sie eine größere Beschleunigung und höhere Spitzengeschwindigkeiten als kolbenmotorgetriebene Propeller. In reinen Staustrahltriebwerken herrschen bei niedriger Geschwindigkeit aufgrund des mangelnden Staudrucks nicht die Brennbedingungen, um ausreichend Schub zu erzeugen: Das Triebwerk springt erst bei hoher Fluggeschwindigkeit an. Da zum Start also ein Hilfsantrieb benötigt wird, sind sie für herkömmliche Flugzeuge ungeeignet. Um hier eine Abhilfe zu schaffen, wurden Triebwerke entwickelt, die von einer Turbine »aufgeladen« werden. In einem solchen Turboluftstrahltriebwerk (TL-Triebwerk) wird Luft an der Vorderseite angesaugt, durch rotierende Verdichterturbinenschaufeln komprimiert und in die Brennkammern gepresst. Dort wird Kerosin eingespritzt und kontinuierlich verbrannt. Der heiße Abgasstrom treibt über einen Kranz weiterer Turbinenschaufeln die Verdichter an und erzeugt beim Austritt aus der Düse den Vortrieb des Flugzeugs. Zur Leistungssteigerung sind zwischen Turbine und Düse bisweilen Nachbrenner eingebaut, in die weiterer Treibstoff eingespritzt wird, der von dem Restsauerstoff in den Verbrennungsgasen verbrannt wird. TL-Triebwerke besitzen den besten Wirkungsgrad im Überschallbereich; sie finden vorwiegend in Militärmaschinen Verwendung.
Eine neuere Variante der Turbinenluftstrahltriebwerke sind die Mantelstrom- oder Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke (ZTL-Triebwerke), welche auch bei Unterschallgeschwindigkeit eine hohe Effizienz aufweisen. Sie besitzen zwei Verdichterstufen. Der heiße Gasstrahl, der den Hauptbeitrag des Schubs liefert, ist ringförmig von einem Mantel kühlerer Luft, der Nebenstrom- oder Bypass-Luft, umgeben, die aus der ersten Verdichterstufe kommt. Die zweite Stufe komprimiert, ebenso wie beim TL-Triebwerk, die Brennkammerluft.
Gebläsetriebwerke, auch Turbofan-Triebwerke genannt, sind Zweistromtriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis. Darunter versteht man das Massenverhältnis zwischen der Luft im Nebenstrom und den ausgestoßenen Verbrennungsgasen. Bei Großraumflugzeugen beträgt dieses Verhältnis sechs bis zehn. Gebläsetriebwerke sind am großen Durchmesser des Bläsers (Fans) erkennbar, der dem Triebwerk vorgeschaltet ist und von der Turbine angetrieben wird. Der überwiegende Teil des Triebwerkschubs wird von der Bypass-Luft erzeugt. Der Nebenstrom hat die zusätzlichen Vorteile, dass er das Triebwerksgehäuse kühlt und den Schall dämpft. Mit Fan-Triebwerken sind heute fast alle großen Unterschallflugzeuge für den Massentransport ausgerüstet.
Bei den Turboprop-Triebwerken hingegen handelt es sich um technische Hybride aus Propeller- und Strahlmaschinen. In den auch als Propellerturbinenluftstrahltriebwerke (PTL-Triebwerke) bezeichneten Antrieben wird das Drehmoment der Turbine zum Teil — wie gehabt — zur Verdichtung der Brennkammergase verwendet, zum anderen Teil aber über ein Getriebe auf eine Luftschraube übertragen. Lediglich etwa zehn Prozent des Vortriebs stammen aus dem Rückstoß der Verbrennungsgase, der Rest wird durch die Propellerbewegung erzeugt. Bei Propellerturbinen beträgt die Höchstgeschwindigkeit, ebenso wie bei Propellerkolbenmotoren, prinzipiell bedingt etwa 600 Kilometer pro Stunde. Die Turbopropmaschi- nen werden vorwiegend für Kurz- und Mittelstreckenflüge verwendet.
Die Vorteile von Gasturbinen gegenüber Kolbenmotoren liegen im ruhigeren Lauf, geringerer Störanfälligkeit und im geringeren Gewicht bei vergleichbarer Leistung. Da sich mit Strahltriebwerken größere Flugzeuge antreiben lassen, ist ihr Brennstoffverbrauch pro Kilogramm Nutzlast und Flugkilometer geringer. Was den Schadstoffausstoß und die Lärmemission anbelangt, so schneiden die Jets weniger günstig ab.
Um sich gegen die Gefahr eines Triebwerksausfalls zu schützen, haben Verkehrsflugzeuge beidseitig meist mehrere Triebwerke.
Fahrgestell
Flugzeuge dienen zwar in erster Linie der Fortbewegung in der Luft, sie müssen sich aber beim Starten und Landen auch auf dem Boden bewegen können. Dazu benötigen sie ein Fahrgestell. Um den Luftwiderstand während des Fluges zu reduzieren, verwendet man seit den 1930er-Jahren Einziehfahrwerke. Diese wurden früher über Drahtzüge oder Gestänge in den Rumpf oder die Tragflügel eingefahren; heute erfolgt dies in der Regel hydraulisch. Nur kleine Maschinen haben noch einfache, starre Fahrwerke. Das Zweibeinfahrgestell mit Spornrad am Heck, bei dem die Maschine am Boden charakteristisch schräg stand, findet man heute ebenfalls nur noch bei kleineren Flugzeugen. Seit den 1930er-Jahren werden meistens Dreibeinfahrgestelle gebaut, bei denen sich das Hauptfahrwerk hinter dem Schwerpunkt der Maschinen befindet.
Ein Fahrgestell muss, besonders beim Landen, einer Reihe von starken Belastungen widerstehen: nicht nur dem eigentlichen Landestoß, sondern auch starken frontalen Kräften beim Abbremsen der Maschine. Beim Rollen am Boden muss es — meist in Zusammenwirkung mit dem Seitenruder — lenkbar sein. Bei sehr schweren Maschinen, wie etwa der Boeing 747, gibt es nicht nur das übliche System, bestehend aus dem Hauptfahrwerk unter den beiden Tragflügeln und dem Bugrad, sondern noch zusätzliche Fahrgestelle unter dem Rumpf. Manche Maschinen, die ebenfalls harte Landungen aushalten müssen, wie der britische Harrier-Senkrechtstarter, haben Tandemfahrwerke mit kleinen Stützrädern unter den Flügeln. Durch die zusätzlichen Fahrgestelle wirkt der Landestoß nicht auf die Tragflügel, sondern auf den stabileren Rumpf.
Die Reifen des Fahrgestells sind immensen Belastungen ausgesetzt, denn sie müssen den Landestoß bei Geschwindigkeiten von etwa 280 Kilometern pro Stunde aushalten und anschließend zur Bremsung der Maschine beitragen. Da sie sich dementsprechend rasch abnutzen, sind sie so konstruiert, dass sie mehrmals runderneuert werden können.
Instrumente
Gesteuert werden die Bewegungen eines Flugzeugs vom Cockpit aus, in dem sich die Bedienelemente und Bordinstrumente befinden. Hierzu gehören die Flugüberwachungsinstrumente, welche Daten über Geschwindigkeit, Höhe, Steigen oder Fallen und Lage des Flugzeugs liefern, die Überwachungsanzeigen für den Antrieb, wie etwa Drehzahl-, Abgastemperatur- oder Öldruckanzeigen, und die Navigationsinstrumente, wie Kompass, Funk- oder Satellitennavigationsgeräte, aber auch die Kommunikationsgeräte, insbesondere die Sprechfunkanlage.
Die Flugzeuge der Anfangszeit besaßen kaum Instrumente, außer einfachen Vorrichtungen zur Motorüberwachung. Mit der Zeit wurde eine Vielzahl von Überwachungsgeräten entwickelt, die sich als unverzichtbar erwiesen. Die meisten analogen Geräte sind inzwischen durch modernere digitale, zum Teil auf Lasertechniken beruhende Sensorelektronik ersetzt, die heute unter dem Begriff Avionik zusammengefasst wird. Anschaulicher zu beschreiben sind jedoch die »alten« und doch raffiniert konstruierten Geräte.
Höhenmesser wie das Aneroiddosenbarometer sind hier exemplarisch. Es besteht aus einer weitgehend luftleer gepumpten, federelastischen Dose, die der Außenatmosphäre ausgesetzt ist und sich beim Aufsteigen mit fallendem Druck ausdehnt. Über ein Messwerk wird diese Bewegung auf einen Zeiger übertragen. Da sich der statische Luftdruck der Außenluft als Maß für die Flughöhe eignet, ist die Skala der Anzeige so eingeteilt, dass man direkt die Höhe ablesen kann. Die so erhaltene Druckhöhe entspricht allerdings nicht der tatsächlichen Höhe. Sie dient dennoch als Bezugsgröße, anhand welcher Start- und Landemanöver koordiniert werden und Flugzeuge voneinander vertikalen Abstand halten.
Funkhöhenmesser arbeiten nach dem Prinzip des Echolots. Dabei wird die Laufzeit eines ausgestrahlten, von der Erde reflektierten und wieder empfangenen Funksignals zur Höhenmessung ausgewertet. Über unebenem Untergrund ergeben sich aber ständig wechselnde Höhen, weshalb dieses Instrument nur über ebenem Terrain oder über Wasser eine verwertbare Anzeige liefert. Zur Koordination des Flugverkehrs verwendet man daher weiterhin die Druckhöhe.
Zur Bestimmung der Steig- oder Sinkgeschwindigkeit wird das Variometer herangezogen, ein modifiziertes Dosenbarometer, bei dem die Membrandose an ein Vorratsgefäß angeschlossen ist, das über eine enge Öffnung mit der Außenluft in Verbindung steht. Da der Druckausgleich über die Kapillaröffnung nur langsam erfolgt, werden hier die Änderungen des Außendrucks von der Membrandose wiedergegeben. So lässt sich feststellen, ob und wie rasch man steigt oder sinkt.
Ergänzend gibt es einen Längsneigungsmesser, ein geschlossenes Glasröhrendreieck, das zur Hälfte mit einer gefärbten Flüssigkeit gefüllt und im Flugzeug fest eingebaut ist. Wenn sich das Flugzeug in Längsrichtung neigt, bewegt sich der Flüssigkeitsspiegel im Standrohr, woraus sich die Flugzeugneigung ablesen lässt.
Die Fahrgeschwindigkeit misst man über den Staudruck an einem außerhalb des Rumpfes angebrachten Prandtl-Staurohr, das ähnlich gebaut auch in der Schifffahrt verwendet wird. Mit einem solchen Fahrtmesser lässt sich nur die Geschwindigkeit relativ zur umgebenden Luft messen, die sich in der Regel aber selbst in Bewegung befindet. Windgeschwindigkeit und -richtung relativ zum Erdboden sind Angaben, welche die Wetterwarte liefern kann. Die Grundgeschwindigkeit des Flugzeugs und sein Kurs über Grund können somit durch Auftragen des Winddreiecks ermittelt werden.
Zur Bestimmung des Kurses braucht man einen Richtungsbezug. Dies wird durch verschiedene Kompasssysteme ermöglicht: Magnet-, Kreisel- und Radiokompass. Magnet- und Kreiselkompass sind aus der Schifffahrt bekannt. Beim Radiokompass wird ein in direkter Funkreichweite befindliches Funkfeuer, ein Lang- oder Mittelwellensender, von einem Empfänger im Flugzeug angepeilt und die Flugrichtung relativ zur Funkstandlinie auf einem Display angezeigt. Durch eine automatische Nachführeinrichtung wird die Antenne stets auf den gewählten Sender ausgerichtet, weshalb das System auch ADF (englisch: automatic direction finder) heißt. Das ADF-Verfahren ist ebenso wie das auf Ultrakurzwellen beruhende VOR/DME-Verfahren, das zusätzlich die Entfernung zum Sender liefert, für die Kurz- und Mittelstreckennavigation geeignet. Zur Langstreckennavigation dienen die auch in der Schifffahrt verwendeten Hyperbelnavigationsverfahren Loran und Omega.
Die genannten Verfahren werden jedoch immer seltener benutzt, seitdem das GPS (englisch: global positioning system), ein für die militärische Nutzung entwickeltes Satellitennavigationssystem, für zivile Zwecke freigegeben wurde. Es besteht aus 24 Satelliten, die auf sechs Bahnen verteilt sind. Sie kreisen in etwa 20 200 Kilometern Höhe in zwölf Stunden einmal um die Erde. Die Satelliten senden in kurzen Zeitabständen Signale aus, deren Takt atomuhrgesteuert und äußerst regelmäßig ist. Ein im Flugzeug befindlicher GPS-Empfänger wählt automatisch die für die Positionsbestimmung günstigsten Satelliten aus und synchronisiert seine Uhr mit ihnen. Aus der Laufzeit eines Signals bestimmt der im Empfänger eingebaute Rechner die Distanz zwischen Flugzeug und Satellit. Für einen Satelliten ergibt sich so eine Kugelfläche mit dieser Distanz als Radius, auf welcher sich das Flugzeug befinden muss. Ein zweiter Satellit liefert mit seinen Signalen eine weitere Kugelfläche. Der Schnittpunkt der Kugeln ist eine Kreislinie, auf welche die Flugzeugposition nun eingegrenzt ist. Die Kugelfläche eines dritten Satelliten schneidet den Kreis in zwei Punkten, von denen einer anhand von Plausibilitätsbetrachtungen ausscheidet. Somit lässt sich aus den Signalen dreier Satelliten die augenblickliche Position des Flugzeugs berechnen. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden allerdings noch die Signale eines vierten Satelliten ausgewertet. All dies geschieht automatisch in dem im GPS-Empfänger eingebauten Rechner.
Außer dem auch in Schiffen eingesetzten Kreiselkompass finden in Flugzeugen einige weitere Kreiselgeräte Verwendung, zum Beispiel Kurskreisel, Kreiselhorizont und Wendezeiger. Allen Kreiselgeräten ist das Beharrungsvermögen des rotierenden Kreisels gemeinsam, der seine absolute Lage im Raum einzuhalten versucht. Der Kurskreisel ist kardanisch aufgehängt und somit um sämtliche Raumachsen frei beweglich. Da er Lageveränderungen der Aufhängung nicht mitmacht, kann er als Bezugssystem dienen. Zur Aufrechterhaltung der Kreiselbewegung wird er elektrisch oder durch einen Luftstrahl angetrieben. Mit dem Kardanrahmen ist eine kreisförmige Gradeinteilung, die Gradrose, starr verbunden. An der Gehäusevorderseite befindet sich ein Steuerstrich. Ändert das Flugzeug seinen Kurs, so drehen sich Gehäuse und Steuerstrich um die mit dem Kreisel verharrende Kursrose, wodurch die Kursänderung angezeigt wird.
Beim Flug über den Wolken braucht der Pilot einen künstlichen Horizont. Mithilfe eines einfachen Lots oder einer Kugellibelle lässt sich dieser in einem System, das Fliehkräften ausgesetzt ist, nicht zuverlässig konstruieren. Man verwendet daher ein Kreiselpendel, bei dem ein Kreisel etwas außerhalb des Schwerpunkts unterstützt wird, dessen Rotationsachse somit langsam einen Kegel beschreibt. Diese Präzession genannte Bewegung ist sehr stabil und wird von kurzzeitigen Beschleunigungskräften kaum beeinflusst. Ein solcher Kreisel wird als Referenz in einem Kreiselhorizont verwendet.
Ein Wendekreisel oder -zeiger dient zur Messung von Drehungen des Flugzeugs um die vertikale Achse. Die Kreiselachse wird von einer Schraubenfeder in der Horizontalen gehalten. Wenn das Flugzeug eine Kurve fliegt, so reagiert der Kreisel darauf, indem er versucht, seine Drehachse mit der Achse der Flugzeugdrehung gleichsinnig parallel zu stellen. Die Auslenkung der Feder, die dem entgegenwirkt, lässt sich am Ausschlag eines Zeigers abgelesen. Dadurch weiß der Pilot, ob er eine Kurve beispielsweise zu steil fliegt.
Bordpersonal
Zur Überwachung und Bedienung der Vielzahl von Instrumenten genügten bei großen Passagiermaschinen in der Anfangszeit nicht allein Pilot und Kopilot. Üblicherweise befanden sich auch noch ein Flugingenieur an Bord, der die Triebwerke, die Treibstoff-, Hydraulik- und Bordelektriksysteme zu überwachen hatte, dazu ein Navigator zur Standortbestimmung und Flugroutenplanung und oft auch noch ein Funker für die externe Kommunikation. Viele dieser Funktionen wurden inzwischen von automatischen, computergestützten Systemen übernommen. Mit der neuen Generation von Großraumjets hat sich die Personenzahl der Cockpitbesatzung inzwischen auf zwei reduziert, und dies, obwohl die Komplexität der modernen Instrumentierung enorm zugenommen hat. Erreicht werden konnte das, indem die konventionellen Zeigerinstrumente durch Bildschirmanzeigen ersetzt wurden, bei denen mehrere herkömmliche Anzeigen zusammengefasst wurden. Die Piloten können sämtliche Informationen aus übersichtlichen Menüs abrufen. Da die Überwachungsautomatik die Systeme ohne menschliches Zutun kontrolliert und nur auf wichtige Informationen oder Gefahren hinweist, können sich die Piloten auf das eigentliche Fliegen konzentrieren. Dabei helfen auch Blickfelddarstellungsgeräte oder Head-up-Displays, über welche die Informationen direkt ins Pilotenblickfeld eingespiegelt werden. Doch auch dies ist vor allem bei Zivilmaschinen weitgehend automatisiert. Autopiloten übernehmen heute nicht nur den Streckenflug, sondern bringen das Flugzeug — im Zusammenspiel mit Instrumentenlandesystemen — auch sicher auf den Boden.
Sicherheitseinrichtungen
Ein Motto, das in der Luftfahrt besonders groß geschrieben wird, lautet »Safety first«, dies zum einen in Bezug auf die Systemsicherheit, auf die im Zusammenhang mit dem Flughafentower noch eingegangen wird, zum anderen durch die Sicherheitseinrichtungen im Flugzeug selbst. So sind alle sicherheitsrelevanten Einrichtungen mindestens doppelt vorhanden. Dies betrifft außer den Antriebssystemen besonders die Bordinstrumente und Steuerungseinrichtungen wie Hydraulikpumpen, elektrische Generatoren und Ventile. In Militärmaschinen muss für den Notfall eine ausreichende Zahl Rettungsfallschirme mitgeführt werden; für die Piloten sind Schleudersitze eingebaut oder gar Vorrichtungen, welche die gesamte Flugzeugkanzel absprengen und sicher zu Boden bringen. In Zivilmaschinen stehen Sauerstoffmasken für den Fall eines plötzlichen Druckverlusts zur Verfügung. Wenn die Maschine auf dem Wasser niedergehen muss, liegen Schwimmwesten bereit, und aufblasbare Rettungsinseln werden ausgebracht.
Außer der Vielzahl von Sicherheitsvorrichtungen im und am Flugzeug bedürfen vor allem noch konstruktive Sicherheitsmerkmale des Flugzeugs der Erwähnung: Nur qualitativ hochwertige Baumaterialien, die bei tragenden Bestandteilen weitestgehend gegen Materialermüdung gefeit sind, dürfen verwendet werden.
Flugzeugbau
Aus nahe liegenden Gründen ist für die Flugzeugkonstruktion die Verringerung von Gewicht und Strömungswiderstand besonders wichtig. Der erste Windkanal wurde Anfang des 20. Jahrhunderts in England zur Untersuchung des aerodynamischen Verhaltens von Flugzeugen entwickelt. So wurde es auch ohne aufwendige Probeflüge möglich, die strömungsmechanischen Eigenschaften von Rumpf, Tragflügel und Leitwerk zu optimieren.
Als Baustoffe kommen im Flugzeugbau in erster Linie Kunststoffe, Leichtmetalle (beispielsweise Aluminium-Titan-Legierungen), Keramik und Kompositmaterialien infrage. Massive Bauteile sind im Sinne einer Leichtbauweise zu vermeiden. Fachwerk- oder Schalenrümpfe bieten hohe Stabilität bei geringem Gewicht. Bei der Schalenbauweise nimmt vorwiegend die Haut die einwirkenden Kräfte auf, bei der Fachwerkbauweise, die nur noch bei kleinen Maschinen gebräuchlich ist, das innere Rohrgerüst.
Eine zusätzliche Herausforderung im Flugzeugbau bedeutete die seit dem Aufkommen von Jetflugzeugen erforderliche Druckkabine für Passagiere und Flugpersonal, die beim Stratosphärenflug einem enormen inneren Druck standhalten muss. Wie sehr diese Belastung unterschätzt wurde, zeigt eine Serie von Abstürzen der Düsenverkehrsmaschinen vom Typ Comet im Jahr 1952, die auf Materialermüdung der Druckkabine zurückzuführen waren.
In dieser Flughöhe herrschen recht lebensfeindliche Bedingungen. Abgesehen von der höheren Strahlendichte, gegen welche die Flugzeughülle nur im Fall der UV-Strahlung hilft, muss Schutz gegen Temperaturen von bis zu —65 Grad Celsius gewährt werden sowie gegen einen Luftdruck und einen Sauerstoffgehalt, die geringer sind als auf den höchsten Gipfeln des Mount Everest. Auch die Windgeschwindigkeiten von Hurrikanqualität gestalten die Situation nicht angenehmer. Daher benötigt man für Reisen in dieser Höhe eine luftdichte Druckkabine, in der eine für Passagiere und Besatzung zuträgliche Atmosphäre hergestellt wird. Zur Aufrechterhaltung des Innendrucks wird ein kleiner Teil der Kompressionsleistung von den Turbinen abgezweigt.
Welche Konstruktionsverfahren verwendet man im Flugzeugbau? Metallische Bauteile können stabil zusammengefügt werden, indem man sie nietet oder — vorzugsweise — schweißt. Da manuelle Präzision meist nicht ausreicht, erfolgen beide Verbindungsverfahren heutzutage kaum noch von Hand, sondern maschinell. Wo Menschen selbst Hand anlegen, sind besondere Kontrollen erforderlich. So untersuchen Inspektoren bei Schichtende die Werkzeugkästen, um auszuschließen, dass Werkzeuge in den Maschinen vergessen wurden und später zu Ausfällen mit unter Umständen katastrophalen Folgen führen. Zur Qualitätskontrolle der gefertigten Bauteile gehören routinemäßig Ultraschall-, Röntgen- und Lasertechniken.
Im Flugzeugbau ist die computerunterstützte Berechnung (CAD) und Herstellung (CAM) von Flugzeugbauteilen schon sehr früh zu Anwendung gekommen. Insbesondere die Tragflügelansätze von Überschallmaschinen mit ihren schwierig zu berechnenden und zu fertigenden Formen erfordern numerisch gesteuerte (CNC) Werkzeugmaschinen.
Hersteller
Der Bau großer Passagiermaschinen überfordert längst die Kapazität einzelner Firmen, ja sogar ganzer Nationen. Das Airbus-Konsortium ist ein Beispiel für eine internationale Kooperation, die aus diesem Sachzwang heraus gegründet wurde. Die einzelnen nationalen Flugzeugkonzerne, welche die Großkomponenten der Maschinen — wie etwa Tragflügel — fertigen, vergeben wiederum Teilsysteme und deren Einzelkomponenten zur Vorfertigung an hoch spezialisierte Firmen. In riesigen Hallen erfolgt dann die Endmontage der Komponenten, wobei die Maschinen entweder stationär oder auf transportablen Gestellen komplettiert werden.
Der Markt für Maschinen mit über hundert Sitzplätzen wurde bis in die 1970er-Jahre von vier Herstellern beherrscht: Airbus Industries in Europa sowie McDonnell-Douglas, Lockheed und Boeing in den USA. Lockheed zog sich schon früh aus dem Zivilgeschäft zurück, und die McDonnell-Douglas-Corporation wurde Ende 1996 von Boeing aufgekauft. Somit sind heute nur noch zwei Wettbewerber übrig. Boeing hielt 1997 weltweit bei Großraumflugzeugen einen Marktanteil von etwa zwei Dritteln. Airbus Industries, der zweite Hersteller, wurde 1970 als Firmenkonsortium gegründet und umfasst drei Privatkonzerne, die Aérospatiale Matra (Anfang 1999 hervorgegangen aus dem französischen Staatskonzern Aérospatiale), der deutschen Daimler-Chrysler Aerospace AG (DASA; seit Ende 1998 Nachfolgerin der Daimler-Benz Aerospace AG) und der British Aerospace sowie ferner dem spanischen Staatskonzern CASA. Die komplizierte Konzernstruktur, teilweise unter Einflussnahme verschiedener Staatsregierungen, und die verteilten Produktionsorte für die Airbus-Komponenten bedingen im Vergleich zu Boeing eine geringere Effizienz. Eine organisatorische Straffung steht allerdings bevor, indem die beteiligten Firmen planen, sich zu einem einzigen, privatwirtschaftlich geführten, börsennotierten Unternehmen zu vereinigen. Ein Wettbewerbsnachteil des Airbus-Konsortiums ist auch das weniger umfangreiche Angebot an Modellen. Trotz des neuen vierstrahligen Langstreckenjets A 340 fehlt beispielsweise ein direktes Konkurrenzprodukt zu Boeings Erfolgsmodell, dem Jumbojet B 747-400. Dennoch stellt das Airbus-Konsortium für Boeing harte Konkurrenz dar: 1997 lieferte Boeing 374, Airbus 182 Maschinen aus; Boeing sicherte sich 568 Neubauaufträge, Airbus 460. Beide Hersteller kämpfen erbittert um Marktanteile. Preisabschläge und attraktive Leasingangebote sollen den Luftfahrtgesellschaften die jeweiligen Maschinen schmackhaft machen.
Im Schatten der beiden großen Hersteller und ihrer Tochterfirmen gibt es noch eine Reihe von Flugzeugbauern, die kleinere Verkehrsmaschinen anbieten, wie etwa DHC oder auch Dornier. Auch der Markt für Maschinen mit bis zu 100 Sitzplätzen ist stark umkämpft; manche Hersteller — wie Fokker — mussten schon aufgeben. Völlige Neuentwicklungen sind sehr teuer, sodass man sich oft darauf beschränkt, bewährte, ältere Typen zu modernisieren. Gewöhnlich bekommen sie neue Triebwerke und Instrumentensysteme. Die russische und belorussische Luftfahrtindustrie produziert Baumuster, die zwar inzwischen technisch konkurrenzfähig sind, deren Export-Marktanteil aber trotzdem nur gering ist.
Dr. Kurt Möser
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Flughäfen: Startplätze für Menschen und Güter
Luftfahrt: Fliegen als Sport
Literatur:
Die berühmtesten Flugzeuge der Welt. Koblenz 21994.
Gersdorff, Kyrill von / Grasmann, Kurt: Flugmotoren und Strahltriebwerke. Entwicklungsgeschichte der deutschen Luftfahrtantriebe von den Anfängen bis zu den europäischen Gemeinschaftsentwicklungen. München 1981.
Götsch, Ernst: Einführung in die Luftfahrzeugtechnik. Alsbach 51989.
Hafer, Xaver / Sachs, Gottfried: Flugmechanik. Moderne Flugzeugentwurfs- und Steuerungskonzepte. Berlin u. a. 31993.
Handbuch für den Motorflieger, herausgegeben von Georg Brütting. Stuttgart 51979.
Heimann, Erich H.: Die schnellsten Flugzeuge der Welt. 1906 bis heute. Stuttgart 31988.
Kopenhagen, Wilfried: Das große Flugzeugtypenbuch. Stuttgart 81997.
Kutter, Reinhard: Flugzeug-Aerodynamik. Technische Lösungen und struktureller Aufbau. Stuttgart 21990.
Lexikon der Luftfahrt, herausgegeben von Wilfried Kopenhagen. Berlin 61991.
Luft- und Raumfahrt. Wissenschaft, Technik, Wirtschaft. Planegg 1980 ff.
Mensen, Heinrich: Moderne Flugsicherung. Organisation, Verfahren, Technik. Berlin u. a. 21993.
Mondey, David: Illustrierte Geschichte der Luftfahrt. Aus dem Englischen. München 1980.
Schneider, Hans: Flugzeugbau. Essen 31990.
Streit, Kurt W. und Taylor, John William Ransom: Geschichte der Luftfahrt. Künzelsau u. a. 1976.
Traenkle, Carl A.: Flugmechanik.2 Bände München1-21977-78.
Urlaub, Alfred: Flugtriebwerke. Grundlagen, Systeme, Komponenten. Berlin u. a. 21995.
Wissmann, Gerhard: Geschichte der Luftfahrt von Ikarus bis zur Gegenwart. Eine Darstellung der Entwicklung des Fluggedankens und der Luftfahrttechnik. Berlin-Ost 61982.