FLUGZEUG

Flugzeug,

 

ein Luftfahrzeug schwerer als Luft (Eigengewicht größer als das Gewicht der verdrängten Luftmasse), das in der Lufthülle der Erde durch auf unterschiedlicher Weise erzeugten Auftrieb getragen wird und sich dadurch frei im Luftraum bewegen kann (Flug). Neben der Nutzung für rein sportliche Zwecke dienen Flugzeuge v. a. zur Beförderung von Personen und Gütern.

 

 Physikalisch-technische Grundlagen

 

Zur Auftriebserzeugung werden die Vertikalkomponenten der bei einer Relativbewegung zwischen umgebender Luft und umströmten Körpern entstehenden, senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkenden Querkräfte genutzt, die bei Flugzeugen v. a. an den besonders geformten Tragflügeln auftreten oder bei den Drehflüglern von den rotierenden Flügelblättern (Rotoren) erzeugt werden. Bei hinreichend schneller Bewegung und günstiger Ausrichtung dieser Querkraftkörper wirkt im Schwerpunkt des Flugzeugs eine ausreichend große, vertikal nach oben gerichtete Querkraft als aerodynamischen Auftrieb der Gewichtskraft entgegen und kann diese kompensieren.

 

Neben dieser Auftriebskraft tritt immer auch eine als Luftwiderstand bezeichnete Kraftkomponente auf, die entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung auf das Flugzeug wirkt. Ein Teil dieser Kraft ist ursächlich mit der Auftriebserzeugung verbunden und wird deshalb induzierter Widerstand genannt; er entsteht durch Randumströmungen der Tragflügelenden infolge eines Druckausgleichs zwischen Flügelunter- und -oberseite, wobei es zur Bildung Energie zehrender und damit Widerstand erzeugender Randwirbel kommt. Bei Überschallgeschwindigkeit tritt infolge von Verdichtungsstößen ein Zusatzwiderstand auf, der als Wellenwiderstand bezeichnet wird; er ist zum Teil ebenfalls auftriebsabhängig. Daneben entstehen durch Oberflächenreibung und Strömungsablösungen noch auftriebsunabhängige Widerstandsanteile.

 

Um ein Flugzeug durch aerodynamische Auftriebskräfte tragen und auf gleicher Höhe halten oder steigen lassen zu können, müssen die Widerstandskräfte durch entgegengesetzt gerichtete Vortriebskräfte überwunden werden. Beim antriebslosen Flugzeugen überwindet die in Flugrichtung weisende Komponente der Gewichtskraft den Widerstand. Beim angetriebenen Flugzeugen werden dafür entweder durch Flugmotoren angetriebene Luftschrauben oder von Strahltriebwerken bewirkte Reaktionskräfte austretender Gasströme genutzt. Bei Drehflügelflugzeugen erfolgt die Vortriebserzeugung durch Neigung der Rotorebene.

 

Um ein Flugzeug verlässlich in der Luft halten zu können, muss seine Tragfläche in ihrer Lage stabilisiert werden; um sich frei im Luftraum bewegen zu können, muss das Flugzeug steuerbar, d. h. seine Lage und seine Flugbahn veränderbar sein. Flugstabilität und Steuerbarkeit lassen sich mithilfe von Leitwerken, die aus festen Dämpfungs- und beweglichen Ruderflächen bestehen, erreichen, wobei im Prinzip gegensätzliche Forderungen zu erfüllen sind: Zur Stabilisierung müssen die Leitwerksflächen Drehmomente erzeugen, die unerwünschte Drehbewegungen um den Flugzeugschwerpunkt verhindern; zur Steuerung müssen hingegen Drehmomente erzeugt werden, die erwünschte Drehbewegungen einleiten. Die erforderlichen Drehmomente entstehen durch Querkräfte an schräg angeströmten Stabilisierungs- oder Dämpfungsflächen oder an Ruderflächen, die aus ihrer querkraftfreien Stellung vorsätzlich ausgelenkt werden. Stabilisierung und Steuerung um Hoch- und Querachse des Flugzeugs werden durch hinter dem Schwerpunkt angeordnete und den Bewegungsachsen zugeordnete Stabilisierungs- und Ruderflächen (Seiten- und Höhenleitwerk) beherrscht. Drehbewegungen um die Längsachse erfolgen durch gegenläufig ausgeschlagene Querruder an der Flügelhinterkante. Größe von Stabilisierungsflächen, Lagezuordnung zum Schwerpunkt und Formgebung der Tragflügel bestimmen das Maß der Stabilität. Als eigenstabil wird ein Flugzeug bezeichnet, das nach einer durch äußere Kräfte verursachten Änderung der Fluglage von selbst in den ursprünglichen Flugzustand zurückkehrt. Da Eigenstabilität die Steuerbarkeit beeinträchtigt, muss das gewünschte Stabilitätsmaß auf die vorgesehene Verwendung des Flugzeugs abgestimmt werden.

 

Eine weitere Grundanforderung an ein Flugzeug ist ein möglichst geringes Gewicht bei ausreichender Festigkeit, verwirklicht in der Leichtbauweise. In Erfüllung der hier genannten Grundforderungen wurde im Lauf der Zeit eine Vielzahl von Flugzeugen entwickelt, die in Gestalt, Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten stark variieren.

 

 Unterscheidungsmerkmale

 

Nach der Auftriebserzeugung unterscheidet man Starrflügelflugzeuge (die Tragflächen sind fest mit dem Rumpf verbunden), bei denen die Auftriebskräfte durch die Bewegung des ganzen Flugzeugs erzeugt werden, und Drehflügelflugzeuge (Hubschrauber), bei denen um die Flugzeughochachse rotierende Flügelblätter (Rotoren) unabhängig von der Vorwärtsbewegung den Auftrieb liefern. Früher oft gemachte Versuche mit Schlagflügelflugzeugen wurden als untauglich erkannt und aufgegeben. Strahlgetragene Flugzeuge (Flugstrahler oder Hubstrahler) werden durch die Reaktionskräfte vertikal abwärts gerichteter Gasströme aus Strahltriebwerken unterschiedlicher Art (meist Turbinentriebwerke) getragen, z. B. bei Start und Landung von Senkrechtstartflugzeugen.

 

Flugzeuge mit Vortriebserzeugung durch Luftschrauben heißen allgemein Propellerflugzeuge oder nach der Art der Antriebsmaschine Motorflugzeuge (Kolbenmotorflugzeug) oder Propellerturbinenflugzeuge (Turbopropflugzeug); bei Vortriebserzeugung durch Strahltriebwerke spricht man von Strahlflugzeugen oder Düsenflugzeugen, bei Raketenantrieb von Raketenflugzeugen. - Gleitflugzeuge und Segelflugzeuge sind antriebslos; Motorsegler sind Segelflugzeuge, die den Luftschraubenschub eines Hilfstriebwerkes (fest eingebaut oder ausfahrbar) nutzen. Bisher nur als Versuchsgeräte geflogene Muskelkraftflugzeuge und Sonnenkraftflugzeuge wurden ausschließlich durch Luftschrauben angetrieben.

 

Start- und Landetechnik:

 

Landflugzeuge starten und landen auf Bodenflächen, Wasserflugzeuge auf Wasserflächen; Amphibienflugzeuge können sowohl auf Land- als auch auf Wasserflächen landen und starten. Flachstartflugzeuge benötigen eine horizontale Beschleunigungs- und Verzögerungsstrecke, die bei Kurzstartflugzeugen von sehr geringer Länge sein kann. Senkrechtstartflugzeuge können ohne horizontale Bewegung senkrecht aufsteigen und landen; dabei sind Unterscheidungen nach der Art des Überganges zwischen vertikaler und horizontaler Flugphase gebräuchlich: Heckstartflugzeuge und Kippflügel- oder Schwenktriebwerk-Flugzeuge.

 

Verwendungszweck:

 

Unterschieden werden Flugzeuge für zivile oder militärische Verwendung mit den Untergruppen Schul- und Übungsflugzeuge, Sportflugzeuge, Geschäftsflugzeuge, Arbeitsflugzeuge, Verkehrsflugzeuge, Frachtflugzeuge, Transportflugzeuge, Tankflugzeuge, Kampfflugzeuge sowie Forschungs- und Versuchsflugzeuge.

 

Fluggeschwindigkeitsbereich:

 

Bestimmte Fluggeschwindigkeitsbereiche sind durch ein typisches Widerstands- und Auftriebsverhalten gekennzeichnet, das Einfluss auf Aufbau und Gestaltung des Flugzeugs hat, weshalb eine Unterscheidung nach Unterschallflugzeug, Transschallflugzeug, Überschallflugzeug und Hyperschallflugzeug sinnvoll ist.

 

Weitere Unterscheidungsmerkmale ergeben sich aus Aufbau und Gestaltung der Flugzeuge und ihrer Baugruppen; vorgesehene Verwendung, gewünschte Eigenschaften und Leistungen sind dafür bestimmende Einflussgrößen.

 

 Baugruppen

 

Die einzelnen Bauteile eines Flugzeugs werden zu Baugruppen und Hauptbaugruppen zusammengefasst. Nach der Anordnung der Baugruppen zueinander unterscheidet man die verschiedenen Flugzeugbauarten, während die Flugzeugbauweisen nach der Materialwahl und nach der Art des Aufbaus von Bauteilen und Baugruppen unterschieden werden. - Die Hauptbaugruppen sind das Flugwerk, die Triebwerksanlage und die Ausrüstung. Zum Flugwerk gehören die Baugruppen Tragwerk, Rumpf und Leitwerk, die die Zelle bilden, sowie Steuerwerk und Fahrwerk.

 

Das Tragwerk umfasst alle zur Erzeugung und Aufnahme der tragenden Luftkräfte erforderlichen Bauteile: Die Tragflügel einschließlich aller Anschluss- und Versteifungsglieder (Abstrebungen, Verspannungen), die Querruder, alle Hochauftriebsmittel (Auftriebserhöhung), ferner Störklappen, Grenzschichtzäune (Grenzschichtbeeinflussung) und am Flügel angebrachte Bremsklappen. Nach der Art der Tragflügel unterscheidet man Geradflügelflugzeuge und Ringflügelflugzeuge, nach deren Anzahl Eindecker und Mehrdecker (z. B. Doppeldecker) und nach der Lage der Flügel zum Rumpf Tiefdecker, Mitteldecker, Schulterdecker und Hochdecker. Der oder die Tragflügel können durch Verstrebung oder Spannkabel zum Rumpf abgestützt oder freitragend sein. Das Tandemflügelflugzeug besitzt zwei hintereinander liegende Flügel, während Flugzeuge ohne Rumpf und Leitwerk Nurflügelflugzeuge genannt werden. - Auftriebs-, Widerstands- und Festigkeitseigenschaften des Tragflügels sind wesentlich von seiner Form (Tragflügelgeometrie) abhängig; diese wird durch Grundriss- und Querschnittsform (Profilform) beschrieben. Bestimmte Eigenschaften eines Flugzeugs können durch entsprechende Flügelformen erreicht werden. Als Grundrissformen werden Rechteckflügel und besonders Trapezflügel bevorzugt; seltener sind nicht geradlinig begrenzte Umrisse (z. B. elliptischer Grundriss). Durch große Flügelstreckung (das Verhältnis von Spannweite zur mittleren Flügeltiefe) kann im Unterschallbereich der auftriebsabhängige Widerstandsanteil (der induzierte Widerstand) klein gehalten werden; im Überschallbereich hingegen sind kleine Flügelstreckungen günstiger. Durch Pfeilflügel, d. h. Zurückverlegung (positive Pfeilung) oder Vorverlegung (negative Pfeilung) der Flügelspitzen gegenüber der Flügelwurzel (Rumpfanschlussstelle) kann die kritische Geschwindigkeit, bei der eine starke Widerstandszunahme infolge des Auftretens von Verdichtungsstößen beginnt, zu höheren Werten verschoben werden. Starke Pfeilung der Flügelvorderkante und kleine Flügelstreckung führen schließlich zum dreieckförmigen Deltaflügel (oder dem mit gewinkelter Vorderkante versehenen Doppeldeltaflügel), der neben günstigem Widerstandsverhalten im Schallgrenz- und Überschallbereich auch bauliche Vorteile (große Steifigkeit bei geringer Baumasse) bietet und derzeit als bestgeeigneter Flügel für den Überschallflug gilt. Zunehmende Anwendung bei militärischen Hochleistungsflugzeugen finden Hybridflügel (mäßig gepfeilter Trapezflügel im Außenbereich mit einer im rumpfnahen Bereich weit nach vorn gezogenen Flügelvorderkante), mit denen sich Vorteile des schwach gepfeilten Flügels im Unterschallbereich mit solchen des Deltaflügels im Überschallbereich verbinden lassen. - Neben der Flügelgrundrissform ist die Querschnittsform (Profilform) von besonderem Einfluss auf Widerstands- und Auftriebskraft; wesentliche Einflussgrößen sind dabei Wölbung, Dickenverteilung und Dicke der Profilform. Der Widerstand im Überschallbereich lässt sich meist nur mit Flügeln sehr geringer relativer Dicke überwinden. Da Grundriss- und Profilform des Flügels auch die Stabilitätseigenschaften entscheidend beeinflussen, ist es kaum möglich, einen für alle Flugbedingungen optimalen Flügel zu gestalten. Man kann aber diesem Ziel näher kommen mit Flügeln, deren Geometrie in Grundriss und Querschnittsform während des Fluges veränderbar ist und dem jeweiligen Flugzustand angepasst werden kann. Von den verschiedenen Versuchen zur Änderung der Grundrissform hat sich nur der Schwenkflügel zur Veränderung der Flügelpfeilung und einer damit verbundenen Änderung der Flügelstreckung durchsetzen können, über den einige militärische Flugzeuge verfügen: Start, Landung, Langsamflug und wirtschaftlicher Reiseflug werden mit geringer Pfeilung und großer Streckung, der Schnellflug dagegen mit großer Pfeilung und geringer Streckung geflogen. - Durch Veränderung der Querschnittsform lässt sich v. a. das Auftriebsverhalten des Flügels beeinflussen. Krümmungsänderungen des Profils können durch schwenkbare Flügelvorderkanten- und -hinterkantenteile (Vorflügel, Nasenklappen, Landeklappen) erzielt werden, die als Hochauftriebsmittel zur Auftriebssteigerung bei Start und Landung schon lange gebräuchlich sind. Zunehmend werden diese Klappen bei militärischen Flugzeugen auch zur direkten Auftriebskraftsteuerung bei bestimmten Flugmanövern verwendet (Manöverklappen). Neuerdings werden Flügel erprobt, deren Wölbung durch elastisch verformbare Flügelhautfelder stetig veränderbar ist, wobei die Anpassung an den jeweiligen Flugzustand durch reglerbetätigte Stellglieder automatisch erfolgen soll (adaptiver Flügel).

 

Der Rumpf nimmt Besatzung, Fluggäste, Nutzlasten, Ausrüstung und häufig auch Triebwerke sowie Betriebsstoffe auf und verbindet das Tragwerk mit dem Leitwerk sowie mit dem Fahr- oder Schwimmwerk. Er wird bei Verkehrsflugzeugen meist als druckbelüfteter Rumpf (Druckkabine) ausgebildet und erhält bei Frachtflugzeugen große Ladepforten an Bug oder Heck. Rümpfe von Flugbooten werden an ihrer Unterseite als gekielte Bootskörper mit Stufe ausgebildet und zur Vergrößerung der Schwimmsicherheit mit wasserdichten Schottwänden versehen. Für Fluggeschwindigkeiten im Schallgrenzbereich wird der Rumpf zur Widerstandsminderung nach der Querschnittsregel ausgebildet. Bei Rümpfen für Hochleistungsflugzeuge findet die Gestaltung des Flügel-Rumpf-Überganges besondere Beachtung, wobei auch versucht wird, den Rumpf zur Auftriebserzeugung mit heranzuziehen.

 

Das Leitwerk dient der Stabilisierung und der Steuerung. Es besteht aus starr mit dem Rumpf, besonderen Leitwerksträgern oder auch mit dem Tragflügel verbundenen Flächen (Flossen oder Dämpfungsflächen) sowie den beweglichen Rudern, an denen im ausgeschlagenen Zustand Luftkräfte wirksam werden, die Drehmomente um die Flugzeughauptachsen ausüben und entsprechende Drehbewegungen bewirken. Bei der üblichen Ausführung werden jeder Bewegungsachse bestimmte Ruder oder Ruderpaare zugeordnet, die gleichsinnig oder gegensinnig ausgeschlagen werden können: Seitenruder für Bewegungen um die Hochachse, Höhenruder für solche um die Querachse, Querruder für solche um die Längsachse. Abweichend davon können bei Flügeln mit geringer Streckung sowie bei voll gepfeilten Schwenkflügeln Drehungen um die Querachse (Nickbewegung) sowie um die Längsachse (Rollbewegung) mit einem einzigen Steuerflächenpaar bewerkstelligt werden, das zur Nicksteuerung gleichsinnig und zur Rollsteuerung gegensinnig ausgeschlagen wird. Die Rollsteuerung kann auch durch einseitigen Ausschlag von Flügelspoilern unterstützt werden: Durch den dadurch möglichen Wegfall der Querruder kann die ganze Flügelhinterkante als Hochauftriebshilfe genutzt werden. Bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen wird für die Stabilisierung und Steuerung um die Querachse oft eine als Ganzes bewegliche Leitwerksfläche verwendet. Bei der Flugzeugnormalbauart liegt das zur Nicksteuerung dienende Höhenleitwerk hinter dem Flugzeugschwerpunkt und muss zur Erhaltung des Momentengleichgewichts eine der Auftriebskraft entgegengesetzt gerichtete Kraft liefern (Trimmabtrieb). Beim Entenflugzeug hingegen wird das Höhenleitwerk vor dem Schwerpunkt (d. h. auch vor dem Tragflügel) angeordnet und stellt das Momentengleichgewicht durch eine aufwärts gerichtete Kraft her, wodurch der Gesamtauftrieb vergrößert wird. Beim Nurflügelflugzeug werden sowohl Nicksteuerung als auch Rollsteuerung durch an der Flügelhinterkante angeordnete Ruderflächen bewerkstelligt. - Nach Lage und Anordnung der Steuerflächen werden verschiedene Bauformen von Leitwerken unterschieden (Normal-, Kreuz-, Stern-, Doppel-, T- und V-Leitwerk).

 

Das Steuerwerk dient zur Betätigung der Ruder durch Übertragung der vom Flugzeugführer an den Steuerorganen (Steuerknüppel oder -säule für Höhen- und Querruder und Pedale für Seitenruder) aufgebrachten Steuerbewegungen oder durch Übertragung elektrischer Impulse (Fly-by-wire). Die Steuerkräfte werden also entweder direkt durch Seilzüge, Stangen oder Drehwellen auf die Ruder übertragen (Handkraftsteuerung), oder die Ruder werden (bei großen Flugzeugen oder bei hohen Fluggeschwindigkeiten) durch mechanisch oder elektrisch aktivierte Stellmotoren verstellt (Flugsteuersystem, Direktkraftsteuerung). Auch die Betätigungsvorrichtungen für Hochauftriebsmittel, Stör-, Brems-, Trimm- und Manöverklappen gehören zum Steuerwerk (sekundäres Flugsteuersystem).

 

Das Fahrwerk ermöglicht das Rollen des Flugzeugs am Boden, v. a. während der Beschleunigung bis zum Erreichen der Abhebegeschwindigkeit beim Start sowie während der Verzögerung nach dem Aufsetzen bei der Landung; durch Aufnahme des Landestoßes erfährt es hierbei auch seine größte Beanspruchung. Es besteht aus den aus Streben, Federbeinen, Radträgern und Hydraulikzylindern gebildeten Fahrgestellen, den Laufrädern, den Radbremsen sowie gegebenenfalls einem Sporn oder Spornrad. Das Zweiradfahrwerk oder Spornfahrwerk (nur noch bei Leichtflugzeugen) besitzt zwei Radsätze kurz vor dem Schwerpunkt und einen Sporn oder ein Spornrad zur Abstützung des Rumpfhecks. Beim heute überwiegenden Dreiradfahrwerk oder Bugradfahrwerk befinden sich zwei Radeinheiten kurz hinter dem Schwerpunkt und ein lenkbarer Radsatz (Bugrad) unter dem Rumpfbug. Beim seltenen Tandemfahrwerk sind zwei Radsätze hintereinander unter dem Rumpf und leichte Stützräder unter den Tragflächen angeordnet. Das Fahrwerk kann starr am Trag- oder Rumpfwerk angeschlossen sein, oder es wird zur Minderung des Luftwiderstandes im Flug in Flügel oder Rumpf oder in besondere Fahrwerksgondeln eingezogen (Einziehfahrwerk). Das Schwimmwerk von Wasserflugzeugen besteht aus zwei durch Streben angeschlossenen Einzelschwimmern oder einem Zentralschwimmer unter dem Rumpf mit zwei seitlichen Stützschwimmern. Bei Flugbooten wird die horizontale Lage auf dem Wasser durch seitlich am Bootsrumpf angeordnete Flossenstummel oder durch Stützschwimmer unter dem Tragwerk (oft einziehbar) aufrechterhalten.

 

Die Triebwerksanlage liefert die Vortriebskraft durch Beschleunigung eines durchgesetzten Luftstromes. Luftschrauben (Propeller) erteilen einer großen Luftmenge eine kleine Zusatzgeschwindigkeit, Strahltriebwerke erteilen einer kleineren Luftmenge eine große Zusatzgeschwindigkeit. Strahltriebwerke ermöglichen die Überwindung des im Schallgrenz- und Überschallbereich sehr hohen Luftwiderstandes; sie finden deshalb bei militärischen Flugzeugen fast ausschließlich, bei zivilen Verkehrsflugzeugen vorherrschend Anwendung. Propellerantriebe der konventionellen Art sind die bevorzugten Vortriebsanlagen für Sportflugzeuge und besondere Arten von Verkehrs- und Arbeitsflugzeugen geblieben. Derzeit wird versucht, fortschrittliche Propellerantriebe zur Einsatzreife zu entwickeln, die auch in einem bisher dem Strahlantrieb vorbehaltenen Geschwindigkeitsbereich (hohe Unterschallgeschwindigkeit) mit diesem konkurrenzfähig und in bestimmter Hinsicht überlegen sind (Propfan-Antriebe). Propeller werden durch Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerke angetrieben; als Strahltriebwerke kommen v. a. Luft atmende Triebwerke (Turbinenluftstrahl- oder Staustrahltriebwerke), für Spezialzwecke auch Raketentriebwerke zur Anwendung. Nach Anzahl der Triebwerke unterscheidet man ein- oder mehrmotorige beziehungsweise ein- oder mehrstrahlige Flugzeuge. Propellertriebwerke werden meist in der Rumpfspitze oder an den Tragflügelvorderkanten (seltener im Heck oder an den Flügelhinterkanten) eingebaut; Strahltriebwerke befinden sich in den Tragflügeln oder in Gondeln unter oder über dem Flügel, im Rumpf oder in Gondeln am Rumpf (meist seitlich am Heck). Zur Triebwerkanlage gehören die Triebwerkaufhängung, Kühlanlagen, Lufteinlauf (Eintrittsdiffusor) und Schubumkehranlagen sowie die Betriebsstoffbehälter, die als Innenbehälter in Rumpf- und Tragflügeln untergebracht (Integraltank) oder als zusätzlicher Außenbehälter außerhalb der Zelle aufgehängt sind (besonders bei militärischen Flugzeugen).

 

Die Ausrüstung umfasst (elektrische, hydraulische, pneumatische) Energieversorgungsanlagen, Überwachungsgeräte (Flug-, Flugzeug- und Triebwerküberwachungsgeräte), Regelungsgeräte, Nachrichten- und Navigationsgeräte, Druckhaltungs- und Klimaanlagen, Sicherheitsanlagen und Rettungsgeräte (Enteisungs- und Feuerlösch- sowie Sauerstoffversorgungsanlagen, Fallschirme, Schleudersitze, Schwimmwesten, Schlauchboote) sowie dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechende Sonderausrüstungen (Fluggastsitze, Bordküchen u. a. bei Verkehrsflugzeugen; militärische Ausrüstungen, Luftbildausrüstungen, Anlagen und Geräte für Forschungs- und Versuchsaufgaben).

 

 Bauweisen

 

Die für die Werkstoffwahl maßgebenden Forderungen nach hoher gewichtsbezogener Festigkeit, guter Zähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen, hoher Ermüdungsfestigkeit sowie guter Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit werden von besonderen Legierungen des Aluminiums erfüllt. Aluminiumlegierungen finden aber ihre Anwendungsgrenze im hohen Überschallbereich, weil wegen der dann stattfindenden Aufheizung der Struktur durch Reibungswärme ihre Warmfestigkeit nicht mehr ausreichend ist. Legierungen des Titans und (bei noch höheren Temperaturen) Stahl-Nickel-Werkstoffe bieten in diesem Bereich ausreichende Festigkeit; aus Kosten- und Gewichtsgründen werden diese jedoch meist nur an besonders hoch beanspruchten Stellen der Struktur verwendet. Mit faserverstärkten Verbundwerkstoffen können Bauteile hoher Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht mit sehr guter Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden (CFK). Bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit müssen die tragenden Strukturbauteile durch nicht tragende Ablationswerkstoffe thermisch geschützt werden; dieser Schutz wirkt allerdings nur zeitlich begrenzt. Nach Art der zum Aufbau der tragenden Struktur verwendeten Werkstoffe unterscheidet man die Holzbauweise, die Gemischtbauweise (Holz, Stahl, Leichtmetalle), die Ganzmetallbauweise (Aluminiumlegierungen, Titan, Stahl) und die Verbundwerkstoff- oder Kunststoffbauweise (Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Borfasern in Kunstharz- oder Leichtmetallbindung). Kastenförmige Hohlträger (Flügelkästen) und rohrförmige Bauteile (Rumpfröhren) sind die Leichtbau-Grundstrukturen.

 

Nach der Art der Kräfteaufnahme in den tragenden Bauteilen unterscheidet man die Gerüst- oder Fachwerkbauweise mit Kräfte aufnehmenden Holz- oder Stahlrohrfachwerken und Hauptträgern (Holmen und Gurten), tragenden und formgebenden Bauteilen (Rippen, Spanten) und der überwiegend nur formgebenden Außenhaut. Im Gegensatz dazu wird bei der Schalenbauweise die durch viele Längs- und Querprofile versteifte Außenhaut weitgehend zur Kraftaufnahme herangezogen, wodurch verdreh- und biegefeste rohr- oder kastenförmige Bauteile gebildet werden. Man unterscheidet hierbei die Differenzialbauweise (Schale aus einzelnen durch Nietung oder Verschraubung verbundenen Bauteilen), die integrierende Bauweise (durch Metallkleben oder Schweißen verbundene Einzelbauteile) und die Integralbauweise (Außenhaut mit den Versteifungen aus einem Stück durch Fräsen, Strangpressen oder chemische Abtragung hergestellt). Wegen des Fehlens der für Nietung oder Verschraubung erforderlichen Bohrungen sind diese beiden letzten Bauweisen besonders ermüdungsfest. Bei der Doppelschalen- oder Sandwichbauweise werden sehr beulsteife Schalen verwendet, die aus zwei außenliegenden festen Deckschichten (aus Blechen oder Verbundwerkstoffplatten) und einer damit verklebten zwischenliegenden Stützschicht aus einem Werkstoff geringer Dichte bestehen.

 

 Bedeutung und Entwicklungsstand

 

In der Verwendung als Verkehrsmittel ist das Flugzeug heute in der Lage, nahezu alle Entfernungen auf der Erde auf beliebigen Flugwegen zu überbrücken und viele gewünschte Reiseziele direkt miteinander zu verbinden. Reisezeiten und Fluggeschwindigkeit sind durch Wirtschaftlichkeitserwägungen stärker begrenzt als durch technische Problemstellungen. In den Flughöhen eines wirtschaftlichen Reisefluges sind die Grenzen überschritten, in denen menschliches Leben ohne technische Hilfsmittel möglich ist. Wurden in der frühen Zeit der Entwicklung des Flugzeugs die Grenzen meist durch die Leistungsfähigkeit des technischen Geräts gezogen, so ist heute der Mensch selbst zum begrenzenden Faktor geworden. Für Aufgaben jenseits der Begrenzungen, die durch menschliche Fähigkeiten gezogen sind, konnte das Flugzeug so entwickelt werden, dass es diese auch als unbemanntes Gerät erfüllen kann.

 

Im Luftverkehr überbrückt das Flugzeug interkontinentale bis globale Entfernungen, wobei oberhalb bestimmter Mindestentfernungen im Vergleich zu anderen Verkehrsmitteln die kürzesten Reisezeiten erzielt werden. Dabei wurde ein Sicherheitsstandard erreicht, der dem anderer Verkehrsmittel nicht nachsteht (Flugsicherheit). Bei der Personenbeförderung hat das Flugzeug auf bestimmten Strecken, z. B. über den Nordatlantik, das Schiff nahezu vollständig verdrängt; daneben wird der größte Teil der Post über mittlere und große Entfernungen von Flugzeugen befördert, während für die Frachtbeförderung noch wirtschaftliche Grenzen (v. a. beim Transport von Massengütern) bestehen. Auf Sondergebieten (z. B. Luftbild- und Luftrettungswesen) erfüllt das Flugzeug Aufgaben, die mit anderen Transportgeräten nicht zu bewältigen sind. Im militärischen Einsatz hat sich das Flugzeug häufig als kampfentscheidende Waffe erwiesen und gilt (in Verbindung mit Flugkörpern) auch weiter als unverzichtbarer Bestandteil der Ausrüstung leistungsfähiger Streitkräfte.

 

 Geschichte

 

Dem Flugzeugbau liegt die Idee der Imitation des Vogelflugs zugrunde, die schon in der antiken Sage (Daidalos und Ikarus) auftaucht. Um 1500 entwarf Leonardo da Vinci Flugapparate (Ornithopter), deren Flügel durch Muskelkraft bewegt werden sollten. Im Gegensatz zur fruchtlosen Idee, schlagende Flügel zu verwenden, war der Gedanke, den Gleitflug der Vögel zu imitieren, erfolgreich. In Großbritannien begann 1792 G. Cayley, mit Modellen starrflügeliger Flugapparate zu experimentieren. Er entwickelte die noch heute übliche Flugzeugform mit getrenntem Trag- und Leitwerk, erprobte ab 1809 einen Prototyp und 1852/53 das erste Gleitflugzeug, das einen Menschen trug. Er erkannte auch, dass die Luftwiderstandskraft durch eine entgegengesetzt gerichtete Vortriebskraft überwunden werden muss, um ein Flugzeug durch aerodynamischen Auftrieb tragen zu können, und schlug zur Lösung dieses Problems rotierende »Treibschrauben« vor, deren Wirkung er als Umkehrung des Windmühlenprinzips beschrieb.

 

Unter den Pionieren des Gleitflugs der folgenden Jahrzehnte ragt O. Lilienthal heraus, dessen systematischen Versuchsflüge (1891-96) die Grundlage für den erfolgreichen Segelflug legten. O. Chanutes Werk »Progress in flying machines« (1894) diente den Gebrüdern O. und W. Wright als Lehrbuch. Ihnen gelang im Jahre 1900 durch die Erfindung der Verwindung (gegenläufige elastische Verdrehung der Tragflügelenden) endlich auch die Steuerung der Drehbewegung des Flugzeugs in seiner Längsachse und damit bis 1902 die vollständige Beherrschung des Segelfluges. 1903 bauten sie das erste flugfähige Motorflugzeug, den von einem 12-PS-Benzinmotor angetriebenen Doppeldecker »Flyer«, mit dem sie Flüge von 12 bis 59 Sekunden Dauer durchführten. 1905 nahmen die Gebrüder Voisin in Paris, 1908 A. H. Euler in Frankfurt am Main den Flugzeugbau auf. Die durch den Ersten Weltkrieg beschleunigte Weiterentwicklung (etwa 5 000 Flugzeuge waren bis 1914 gebaut worden, annähernd 200 000 wurden von 1914 bis 1918 hergestellt) leitete die Spezialisierung in der Flugzeugkonstruktion ein.

 

Die Festigkeit der Konstruktion bei geringem Gewicht wurde zunächst durch eine Gerüst- oder Fachwerkbauweise erzielt, mit der Biege- und Verdrehbeanspruchungen in leichter beherrschbare Zug- und Druckbeanspruchungen umgesetzt werden konnten. Dieses besondere Konstruktionsprinzip wurde ergänzt durch Verwendung leichter Werkstoffe (Hölzer für die Fachwerkstäbe, Textilgewebe als formgebende Außenbespannung), die aber die an sie gestellten Anforderungen bezüglich Zähigkeit, Wetter- und Korrosionsbeständigkeit usw. nur unzureichend erfüllen konnten. Erst Aluminiumlegierungen ermöglichten hier neue Wege. 1915 stellte H. Junkers das erste Ganzmetallflugzeug, den freitragenden Eindecker J-1, her. Damit war die zukünftige Flugzeugform im Wesentlichen vorgezeichnet: der mit einem Leichtmetallrumpf ausgestattete, freitragende Eindecker mit vorn angebrachten Luftschrauben und am Ende des Rumpfs befindliches Leitwerk.

 

Mit dem Tiefdecker F-13 schuf Junkers dann den Grundtyp des heutigen Verkehrsflugzeugs. Berühmte Großflugzeuge waren das Flugboot Do-X von C. Dornier (1929/31), die Junkers G-38, die in den Tragflügeln auch Fluggasträume besaß, und die sowjetische ANT-20 »Maxim Gorki« von A. N. Tupolew. Lockheed baute 1931 das erste Verkehrsflugzeug mit einziehbarem Fahrwerk. Die zwischen den Weltkriegen am meisten eingesetzten Flugzeuge waren die zweimotorige Douglas DC-3 »Dacota« und die dreimotorige Junkers Ju-52.

 

Die Propeller dieser Flugzeuge wurden anfangs mit wassergekühlten, später mit luftgekühlten Motoren angetrieben. Das erste mit einer Strahlturbine ausgerüstete Flugzeug, die Heinkel He-178, führte 1939 seinen Erstflug durch. 1941 wurde die mit einem von F. Whittle entwickelten Strahlantrieb ausgerüstete britische Gloster E 28/39 erprobt. Mit dem amerikanischen Raketenflugzeug Bell X-1 wurde 1947 erstmals die Schallgeschwindigkeit überschritten. Bald danach begannen Flugzeuge mit Strahltriebwerken die traditionellen Propellermaschinen zu verdrängen, und ab 1952 wurden mit der De Havilland »Comet« Düsenflugzeuge auch im Passagierliniendienst eingesetzt. 1970 begann mit der Boeing 747, genannt Jumbojet, die Ära der Großraumflugzeuge. Die Überschallflugzeuge für den Personenverkehr, die britisch-französische »Concorde« und die sowjetische Tupolew Tu-144, haben sich wegen zu großer Lärmbelastung v. a. im Flughafenbereich nicht durchsetzen können. (Luftfahrt)

 

Literatur:

 

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Aerokurier (1957 ff.);

 

Luftfahrt international (1974-81),

 

fortgef. u. d. T. Pilot u. F. (1982 ff.);

 

Fliegermagazin (1978 ff.).