Flugzeugprinzip: Warum fliegen Flugzeuge?
Damit Flugzeuge, die »schwerer als Luft« sind, aufsteigen und Höhe gewinnen können, muss eine Kraft wirken, die der Gewichtskraft des Flugzeuges entgegengerichtet und mindestens ebenso groß ist. Diese Auftriebskraft (kurz Auftrieb) wird durch die Tragflächen (»Flügel«) erzeugt, die so gestaltet sind, dass durch die angeströmte Luft ein Unterdruck auf der oberen Tragflächenseite entsteht, der das Flugzeug gleichsam nach oben »saugt«.
Erzeugung des Auftriebs
Zur Erzeugung von Unterdruck auf der Tragflächenoberseite ist das Profil der Tragfläche gewölbt. Wenn sich das Flugzeug vorwärts bewegt, strömt Luft von vorn gegen die Tragfläche. Dabei teilt sich der Luftstrom auf. Die Unterseite der Tragfläche ist kaum gewölbt. Daher kann die Luft hier relativ ungestört vorbeiströmen. Auf der stark gewölbten Tragflächenoberseite wird die Luft verdrängt, muss ausweichen und dadurch einen längeren Weg zurücklegen, wodurch sich die Geschwindigkeit erhöht. Nach einem Gesetz der Strömungslehre (»Bernoulli-Gleichung«) führt bei einem Gas die Zunahme der Geschwindigkeit zu einer Verringerung des Drucks. Wegen der höheren Luftgeschwindigkeit auf der Oberseite (Saugseite) stellt sich ein kleinerer Druck als auf der Unterseite (Druckseite) ein, der Flügel wird nach oben gehoben.Die Auftriebskraft FA lässt sich mithilfe des Auftriebsbeiwertes cA der eine dimensionslose Größe ist und von Form und Anstellwinkel des Tragflügels sowie der Anströmgeschwindigkeit abhängt, berechnen: FA = cA · ½ ρ · v2 · ATF, wobei ρ die Luftdichte, v die Anströmgeschwindigkeit und ATF die den Auftrieb erzeugende Tragflügelfläche angibt.
Tragflächenprofile
Die Form des Flügelprofils und der Anstellwinkel des Flügels gegenüber der Luftströmung sind beim Aufbau des Druckunterschiedes und des Auftriebes maßgebend. Durch stark gewölbte Tragflächen werden schon bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten relativ große Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite erzeugt. Es entsteht der erforderliche Auftrieb, der bei entsprechend großen Tragflächen auch schwere Flugzeuge nach oben trägt. Die Druckunterschiede und damit die Auftriebskräfte werden gesteigert, wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs zunimmt. Der Auftrieb nimmt mit dem Quadrat der Anströmgeschwindigkeit zu, d. h., bei doppelter Geschwindigkeit steigt der Auftrieb auf den vierfachen Wert. Flugzeuge für große Geschwindigkeiten benötigen daher nur relativ kleine und nur gering gewölbte Tragflächen.
Die Wahl eines Tragflächenprofils richtet sich nach dem Einsatzzweck eines Flugzeugs. Flugzeuge für geringe Geschwindigkeiten (z. B. Segelflugzeuge und Propellerflugzeuge) werden mit »dicken«, stark gewölbten Tragflächen versehen, die auch im Langsamflug einen großen Auftrieb erzeugen. Dicke Tragflächen haben allerdings den Nachteil eines großen Strömungswiderstandes und lassen keine hohen Geschwindigkeiten zu. Überschallflugzeuge haben daher nur dünne Tragflächen mit geringer Wölbung und geringem Strömungswiderstand. Sie müssen allerdings beim Start erst große Geschwindigkeiten erreichen, bevor sie vom Boden abheben.
Damit Flugzeuge gleichermaßen für hohe Reisegeschwindigkeiten und niedrige Start- und Landegeschwindigkeiten geeignet sind, muss das Profil der Tragflächen während des Fluges veränderbar sein. Eine Methode, die beispielsweise bei Düsenverkehrsflugzeugen angewandt wird, sind bewegliche Klappen an Stirn- und Rückseiten der Tragflächen. Bei Start und Landung werden diese Klappen ausgefahren und erzeugen so eine starke Wölbung der Tragflächen. Für den normalen Reiseflug wird das Flügelprofil durch Einfahren der Klappen wieder gestreckt und verkleinert.
Lenkung von Flugzeugen
Ein Flugzeug muss nicht nur den notwendigen Auftrieb erzeugen, sondern es muss auch sicher lenkbar sein. Da es über drei Achsen beweglich ist, hat der Pilot drei Lenkeinrichtungen (»Ruder«), die die Drehung des Flugzeugs um jede Achse herum getrennt beeinflussen.
Um das Flugzeug auf dem gewünschten Kurs halten zu können betätigt der Pilot üblicherweise über Fußpedale das Seitenruder. Damit wird die Drehung um die Hochachse beeinflusst. Durch Ziehen oder Drücken eines Steuerknüppels oder Steuerhorns betätigt der Pilot die Höhenruder, mit denen die Bewegung um die Querachse gesteuert wird. Damit steigt oder sinkt das Flugzeug. Höhenruder und Seitenruder sind Teil des Leitwerks. Schließlich kann noch mit den Querrudern die Bewegung des Flugzeugs um die Längsachse beeinflusst werden. Die Querruder befinden sich an den Tragflügelenden und werden durch Schwenken des Steuerknüppels oder Steuerhorns betätigt. Sie ermöglichen es, das Flugzeug seitlich zu neigen. Durch gleichzeitige Betätigung von Seitenruder und Querruder lassen sich scharfe Flugkurven fliegen.