Flugzeug

 

Ein Flugzeug ist ein Luftfahrzeug, das schwerer als Luft ist und für das Fliegen die Erzeugung des Auftriebs und für seine Steuerung aerodynamische Effekte innerhalb der Erdatmosphäre nutzt.

Das Prinzip des aerodynamischen Fluges wird durch unterschiedliche Bauweisen verwirklicht, denen gemeinsam ist, dass ein dynamischer Auftrieb erzeugt wird. Im Gegensatz zu Luftfahrzeugen, die leichter als Luft sind und den statischen Auftrieb nutzen (wie Ballone oder Luftschiffe), entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen erst, wenn die Luft die festen oder beweglichen Tragflächen umströmt.

Flugzeugtypen

Starrflügelflugzeuge

Bei Starrflügelflugzeugen wird der Auftrieb – bei der Vorwärtsbewegung des Luftfahrzeugs – durch die Luftströmung an den Tragflächen erzeugt. Dabei bildet sich über der Tragfläche durch den Verdrängungsimpuls des Flügels ein Wirbelansatz, der über der Tragfläche einen Unterdruck verursacht und somit eine nach oben gerichtete Auftriebskraft erzeugt. Die Flügel müssen nicht starr sein, so werden teils Schwenkflügel (variable Pfeilung) eingesetzt, die der Fluggeschwindigkeit angepasst werden, z. B. beim Kampfflugzeug Tornado.

Im weiteren Sinn benutzen das Starrflügelprinzip auch Luftfahrzeuge mit vollkommen flexiblen Tragflächen, wie Gleit- und Motorschirme, sowie mit zerlegbaren Tragflächen wie bei Hängegleitern. Viele Rundkappenfallschirme, insbesondere Bremsfallschirme und Fallbremsen (engl. fall retarder), sind nicht lenkbar und werden daher nicht zu den Flugzeugen gerechnet.

Bodeneffektfahrzeuge komprimieren Luft unter einer Tragfläche und sind damit nichts anderes als tief fliegende Starrflügelflugzeuge.

Flugzeug mit variabler Pfeilung

Motorschirm

Hängegleiter

Flugboot (Martin P6M Seamaster, 1956 - 1959)

Drehflügler

Bei Drehflüglern sind die Tragflächen in Form eines horizontalen Rotors aufgebaut. Die Luftströmung über den Rotorblättern ergibt sich aus der Kombination der Drehbewegung des Rotors und der anströmenden Luft aus Eigenbewegung und Wind.

Hubschrauber

Hubschrauber besitzen einen oder mehrere angetriebene (nahezu) waagerechte Rotoren, die Auftrieb und Vortrieb erzeugen. Die Regelung des Auftrieb erfolgt durch kollektive Rotorblattverstellung, die Lateralbewegung (Vorwärts-/Rückwärts- sowie Seitwärtsflug) durch die zyklische Rotorblattverstellung. Bei den meisten Hubschraubern drehen sich bei einem Ausfall des Motors die Rotorblätter durch den Fahrtwind weiter und erzeugen noch genug Auftrieb um das Fluggerät sicher Notlanden zu können. Dieses Prinzip nennt sich Autorotation.

Tragschrauber

Beim Tragschrauber, auch „Autogyro” genannt, sorgt ein durch den Fahrtwind, nicht durch ein Triebwerk, in Autorotation angetriebener Rotor für den Auftrieb. Der Rotor ersetzt dabei funktional den starren Tragflügel des Tragflügelflugzeugs. Für den Vortrieb muss ein Zug- oder Schubtriebwerk sorgen.

Flugschrauber

Flugschrauber erzeugen den Auftrieb über einen durch ein Triebwerk angetrieben Rotor und den Vortrieb über Schub- oder Zugtriebwerke. Die Geschwindigkeit eines Hubschraubers wird nicht durch mangelnden Vortrieb des Rotors, sondern durch dessen Aerodynamik begrenzt. Daher wurden, nach einigen frühen Entwürfen, nie reine Flugschrauber realisiert, sondern stets auch Tragflächen eingesetzt, somit muss man von Kombinationsflugschraubern sprechen.

Hubschrauber

Tragschrauber

(Kombinations) - Flugschrauber

Hybride aus Drehflügler und Starrflügelflugzeug

Verbundhubschrauber

Verbundhubschrauber sind eine Kombination aus Hubschrauber und Starrflügelflugzeug. Sie besitzen einen oder mehrere Rotoren, die Auf- und Vortrieb erzeugen, sowie feste Tragflügel, auch in Form von Stummelflügeln, die beim Reiseflug einen Teil des Auftriebs übernehmen. Beim Schwebeflug verringern diese Tragflächen jedoch die Leistungsfähigkeit des Hauptrotors, da sie sich in seinem Abwind befinden.

Kombinationsflugschrauber

Kombinationsflugschrauber, auch „Compounds” genannt, kombinieren ebenfalls Drehflügel und Starrflügel, jedoch wird der Vortrieb nicht (nur) mit dem Hauptrotor erzeugt. Beim Senkrechtstart übernimmt der Rotor den Auftrieb, beim Reiseflug übernehmen Schub- oder Zugtriebwerke den Vortrieb, Tragflächen und ggf. stehende Rotoren den Auftrieb. Der Rotor kann beim Reiseflug teils auf niedrigen Widerstand eingestellt und abgekuppelt oder als zusätzliche Tragfläche genutzt werden (z. B. Boeing X-50 und Sikorsky X-wing). Da der Auftrieb im Vorwärtsflug nicht (nur) durch den drehenden Rotor erzeugt wird, sind höhere Flugleistungen als beim Hubschrauber möglich.

Wandelflugzeug

Wandelflugzeuge, auch als Verwandlungsflugzeuge oder Verwandlungshubschrauber bezeichnet, nutzen beim Senkrechtstart die Konfiguration eines Hubschraubers. Beim Übergang zum Vorwärtsflug werden sie zum Starrflügler umkonfiguriert. Sie kombinieren so Vorteile von Drehflügler und Starrflügler. Die Wandlung erfolgt meist durch Kippen des Rotors, der dann als Zugtriebwerk arbeitet – Kipprotor oder Tiltrotor genannt (z. B. Bell-Boeing V-22). Zu den Wandelflugzeugen gehören auch Kippflügel-, Schwenkrotor-, Einziehrotor- und Stopprotorflugzeuge. Die meisten nicht durch Strahltriebwerke angetriebenen Senkrechtstarter (VTOL-Flugzeuge) gehören zu den Wandelflugzeugen.

Verbundhubschrauber Mi-6

Kombinations- Flugschrauber Fairey Rotodyne

VTOL-Versuchsflugzeug mit Kippflügel Hiller X-18

Tiltrotor Bell-Boeing V-22 Osprey

Schwingenflugzeuge (Ornithopter)

Bei Schwingenflugzeugen bewegen sich die Tragflächen wie Vogelflügel auf und ab, um Auftrieb und Vortrieb zu erzeugen. Sie werden daher teils auch Flatterflügel genannt. Besonders in der Frühzeit der Luftfahrt wurde versucht, Schwingenflugzeuge nach dem Vorbild der Natur zu bauen. Es ist nicht bekannt, dass personentragende Flugzeuge dieses Typs bisher geflogen sind, es gibt aber funktionsfähige, ferngesteuerte Modell-Ornithopter und Kleinstdrohnen wie z. B. das DelFly der TU Delft.

Rotorflugzeuge

Ein Rotorflugzeug besitzt als Tragorgane Flettner-Rotoren, die den Magnus-Effekt nutzen. Momentan haben Rotorflugzeuge keinerlei praktische Bedeutung. Rotorflugzeuge dürfen nicht mit Drehflüglern verwechselt werden.

Abgrenzung zum Luftkissenfahrzeug

Die Grenze zwischen Flugzeug und Landfahrzeug bzw. Schiff ist beim Vollhovercraft erreicht. Das Luftkissenfahrzeug nutzt nicht den aerodynamischen Auftrieb und ist deshalb kein Flugzeug. Ein Hybrid zwischen Luftkissenfahrzeug und Bodeneffektfahrzeug ist das amerikanische Hoverwing (das deutsche Modell gleichen Namens ist ein reines Bodeneffektfahrzeug). Dieses lässt sich wiederum den Starrflügelflugzeugen zuordnen.

Abgrenzung zur Rakete

Anders als das Flugzeug fliegt die Rakete ballistisch, auch wenn sie aerodynamische Steuerflächen haben kann. Diese dienen aber nicht dem Auftrieb, sondern nur der Stabilisierung und Steuerung. Ein Sonderfall ist der Raumgleiter, der meist im ballistischen Flug startet und im aerodynamischen Flug landet. Er kann als Flugzeug angesehen werden.

Aufbau

Traditionell wird ein Flugzeug in drei Hauptgruppen (Konstruktionshauptgruppen) unterteilt. Diese bestehen aus Flugwerk, Triebwerksanlage und der Ausrüstung. Zum Aufbau der Komponenten können verschiedene Werkstoffe und Konstruktionsprinzipien verwendet werden.

Flugwerk	Triebwerksanlage	Ausrüstung
Tragwerk	Triebwerk	Standardausrüstung
Rumpfwerk	Triebwerkseinbau	Sonderausrüstung
Leitwerk	Propelleranlagen	bewegliche Einsatzausrüstung
Steuerwerk	Funktionsanlagen
Fahrwerk

Werkstoffe

Werkstoffe für Flugzeuge sollten eine möglichst große strukturelle Festigkeit besitzen, damit das Gewicht des Flugzeuges möglichst klein gehalten werden kann. Grundsätzlich eignen sich insbesondere Stähle, Leichtmetalle, Holz, Papier, Gewebe und Kunststoffe für den Flugzeugbau. Während Holz bis zu mittleren Größen sinnvoll angewendet worden ist, wird heute im Flugzeugbau allgemein der Metall- und Verbundbau, bei dem verschiedene Materialien so kombiniert werden, dass sich ihre Eigenschaften jeweils optimieren, bevorzugt.

Bauweisen

Strukturen an Flugzeugen lassen sich durch verschiedene Bauweisen realisieren. Es kann zwischen vier Bauweisen unterschieden werden, der Holzbauweise, Gemischtbauweise, Metallbauweise und FVK-Bauweise.
Bei der Holzbauweise wird für den Rumpf ein Gerüst aus hölzernen Längsgurten und Spanten geleimt, das anschließend mit dünnen Sperrholz beplankt wird. Die Tragfläche besteht aus einem oder zwei Holmen, an die im rechten Winkel vorne und hinten die sog. Rippen angeleimt sind. Die Rippen geben dem Flügel die richtige Form. Vor dem Holm ist der Flügel mit dünnen Sperrholz beplankt, diese Beplankung wird Torsionsnase genannt, sie verhindert, dass sich der Flügel beim Flug parallel zum Holm verdreht. Hinter dem Holm ist Flügel mit einem Stoff aus Baumwolle oder speziellem Kunststoff bespannt. Dieser Stoff wird auf dem Holm oder der Torsionsnase und an der Endleiste, die die Rippen an der Flügelhinterkante verbindet, festgeklebt und mit Spannlack bestrichen. Spannlack zieht sich beim Trocknen zusammen und sorgt so dafür, dass die Bespannung straff ist. Bei Motorflugzeugen muss der Stoff zusätzlich noch an den Rippen festgenäht werden. Modernere Bespannstoffe aus Kunststoff ziehen sich beim Erwärmen zusammen, sie werden zum Spannen gebügelt. In die oberen Spannlackschichten wird bei Motorflugzeugen Aluminiumpulver als UV-Schutz eingemischt. Beispiele für solche Flugzeuge sind z. B. die Schleicher Ka 2 oder die Messerschmitt M17. Die reine Holzbauweise ist inzwischen veraltet.

Die Gemischtbauweise ist eine Mischung aus Holz- und Metallbauweise. Üblicherweise besteht hierbei der Rumpf aus einem geschweißten Metallgerüst, das mit Stoff bespannt ist, während die Flügel wie in der Holzbauweise gebaut sind. Es gibt allerdings auch Flugzeuge, deren Tragflächen ebenfalls aus einem bespannten Metallgerüst bestehen. Der Grundaufbau aus Holmen und Rippen unterscheidet sich aber nur durch die verwendeten Materialien von der Holzbauweise. Die Schleicher Ka 8 ist ein Flugzeug mit einem Rumpf aus Metallgerüst und hölzernen Tragflächen, bei der Piper PA 18 bestehen die Tragflächen aus einem Aluminiumgerüst.
Die Metallbauweise ist bei Motorflugzeugen die gängigste Bauweise. Der Rumpf besteht aus einem verschweißten oder vernieteten Metallgerüst, das außen mit Blech beplankt ist. Die Tragflächen bestehen aus einem, bei großen Flugzeugen auch mehreren, Holmen, an die die Rippen angenietet oder angeschraubt sind. Die Beplankung besteht wie beim Rumpf aus dünnem Blech. Das bekannteste Motorflugzeug in Metallbauweise ist die Cessna 172, aber es gibt auch Segelflugzeuge aus Metall, wie den LET L-13 Blaník.

Die Metallbauweise wird seit einigen Jahren zunehmend durch die Faser-Verbund-Kunststoff-Bauweise (kurz: FVK-Bauweise) verdrängt. Das Flugzeug besteht aus Matten, meistens Gewebe aus Glas-, Aramid-, oder Kohlefasern, die in Formen gelegt, mit Kunstharz getränkt und anschließend durch Erhitzen ausgehärtet werden. Auch hier wird nicht auf Spanten im Rumpf und Holme in den Tragflächen verzichtet. Die FVK-Bauweise wurde zuerst im Segelflug angewendet, das erste Flugzeug dieser Bauweise war die FS 24, der Prototyp wurde 1953 bis 1957 von der Akaflieg Stuttgart gebaut. Inzwischen gehen aber auch Hersteller von Motorflugzeugen auf die FVK-Bauweise über, z. B. Diamond Aircraft oder Cirrus Design Corporation. Beispiele für die FVK-Bauweise sind der Schempp-Hirth Ventus oder die Diamond DA40. Vor allem im Großflugzeugbau werden zur Zeit auch Kombinationen aus Metallbauweise und FVK-Bauweise hergestellt. Das populärste Beispiel ist der Airbus A 380.

Das Flugwerk

Das Flugwerk besteht aus dem Tragwerk, dem Rumpfwerk, dem Leitwerk, dem Steuerwerk und dem Fahrwerk bei Landflugzeugen bzw. dem Schwimmern bei Wasserflugzeugen. Bei Senkrechtstartern und Segelflugzeugen älterer Bauart kann statt dem Fahrwerk oder dem Schwimmern ein Kufenlandegestell vorhanden sein.

Tragwerk

Das Tragwerk besteht bei Starrflügelflugzeugen aus Flügel, Vorflügel und Landeklappen, bei Drehflügelflugzeugen aus einem oder mehreren Rotoren.

Leitwerk

Das Leitwerk besteht bei Starrflügelflugzeugen aus dem Höhenleitwerk mit den Höhenrudern und den zugehörigen Trimmrudern, dem Seitenleitwerk mit dem Seitenruder und dem Trimmruder dafür und den Querrudern. Bei bestimmten Drehflügelflugzeugen können sich an den Rotorblättern kleine Ruder befinden. Auch einen Heckrotor, ein Fenestron oder eine Steuerdüse am Heckausleger kann als zum Leitwerk gehörend betrachtet werden. Zudem ist die Hauptaufgabe des Leitwerks die gegebene Fluglage und Richtung zu stabilisieren und Steuerung um alle drei Achsen des Flugzeuges.

Leitwerk	Steuerelemente	Wirkung	Achsensystem
Höhenleitwerk	Höhenflosse und Höhenruder	Drehung um die Querachse	Y-Achse
Seitenleitwerk	Seitenflosse und Seitenruder	Drehung am die Hochachse	Z-Achse
Flächenleitwerk	Querruder und Spoiler	Drehung um die Längsachse	X-Achse

Steuerwerk

Das Steuerwerk oder die Steuerung besteht beim Starrflügelflugzeug aus dem Steuerknüppel oder der Steuersäule mit Steuerhorn oder Handrad und den Seitensteuerpedalen, mit denen die Steuerbefehle gegeben werden. Für die Übertragung der Steuerkräfte bzw. -signale können Gestänge, Seilzüge oder eine Steuerhydraulik, elektrische Signale (Fly-by-Wire) oder auch durch Lichtsignale (Fly-By-Light) eingesetzt werden. Die Steuersäule wird bei einigen modernen Flugzeugen durch den Sidestick ersetzt.

Beim Hubschrauber gilt Entsprechendes, dieser besitzt zudem noch einen Blattverstellhebel für die kollektive Rotorblattverstellung und einen Steuerknüppel für die zyklische Rotorblattverstellung. Der Heckrotor wird kollektiv über die Pedale gesteuert.

Rumpfwerk

Der Rumpf eines Flugzeuges ist das zentrale Konstruktionselement der meisten Flugzeuge. An den Rumpf wird das Flugwerk angebracht, und beherbergt neben den Piloten auch einen Großteil der Betriebsausrüstung. Bei einem Passagierflugzeug nimmt der Rumpf die Passagiere auf. Oft ist auch das Fahrwerk ganz oder teilweise am Rumpf. Die Triebwerke können in den Rumpf integriert werden. Bei Flugbooten ist der untere Teil des Rumpfes in einer Bootsform für die Wasserung ausgeführt.

Man unterscheidet verschiedene Rumpfformen. Heute sind runde Rumpfquerschnitte die Regel, wenn die Maschine eine Druckkabine besitzt. Frachtmaschinen besitzen oft einen rechteckigen Rumpfquerschnitt, um das Beladevolumen zu optimieren. Die meisten Flugzeuge besitzen einen Rumpf, es gibt jedoch auch Maschinen mit zwei nebeneinander liegenden Rümpfen, einem Doppelrumpf, oder ohne sichtbaren Rumpf, eine Art des Nurflügelflugzeuges.

Fahrwerk

Das Fahrwerk ermöglicht einem Flugzeug sich am Boden zu Bewegen, die erforderliche Abhebegeschwindigkeit zu erreichen, die Landestöße zu absorbieren und Stöße z. B. durch Bodenwellen zu dämpfen. Fahrwerke werden in ein starres und halbstarres Fahrwerk, das auch während des Fluges unverändert seine Position beibehält wobei das halbstarre Fahrwerk Teilweise eingezogen wird (z. B. nur das Bugfahrwerk), und einem Einziehfahrwerk, das vor und nach dem Start oder der Landung eingezogen und gegebenenfalls durch Fahrwerksklappen abgedeckt werden kann, eingeteilt. Einziehfahrwerke sind bei Flugzeugen mit hoher Endgeschwindigkeit unerlässlich. Als Fahrwerksform kommt das Bugradfahrwerk zum Einsatz, bei dem ein kleines Rad unter dem Flugzeugvorderteil angebracht und das Hauptfahrwerk hinter dem Flugzeugschwerpunkt liegt. Dies ermöglicht während des Rollens am Boden gute Sicht für den Piloten. Das Heckfahrwerk oder auch Spornfahrwerk mit einem kleinen Rad im Heck oder einem Schleifsporn seltener zum Einsatz. Eine Besonderheit ist das Tandemfahrwerk, bei dem die Hauptlast tragenden Fahrwerksteile vorne und hinten am Rumpf gleich groß sind und das Flugzeug durch Stützräder am Tragwerk stabilisiert wird.

Das Triebwerk

Das Triebwerk eines Flugzeuges umfasst einen oder mehrere Motoren (i.a. gleicher Bauart) mit Zubehör. Die häufigsten Bauweisen sind: Kolbenmotor oder Gasturbine (Turboprop) mit Propeller, Strahltriebwerke wie der Turbofan, seltener Staustrahltriebwerk und Raketentriebwerk.

Zum Zubehör gehören das Kraftstoffsystem und -leitungen, ggf. eine Schmieranlage, die Motorkühlung, Triebwerksträger und Triebwerksverkleidung.

Außerhalb der Kampffliegerei sind die Strahltriebwerke aus Wartungsgründen mittlerweile nicht mehr in den Flügel oder Rumpf integriert, eine Ausnahme bildet die Nimrod MRA4.

Als Treibstoff wird meist Kerosin, AvGas oder MoGas verwendet.

Die Betriebsausrüstung

Die Betriebsausrüstung eines Flugzeuges umfasst alle bordseitigen Komponenten eines Flugzeuges, die nicht zu Flugwerk und Triebwerk gehören und die zur sicheren Durchführung eines Fluges erforderlich sind. Sie besteht aus den Komponenten zur Überwachung von Fluglage, Flug- und Triebwerkszustand, zur Navigation, zur Kommunikation, aus Versorgungssystemen, Warnsystemen, Sicherheitsausrüstung und gegebenenfalls Sonderausrüstung. Der elektronische Teil der Betriebsausrüstung wird auch Avionik genannt.

Viele Fachautoren zählen inzwischen das Steuerwerk oder die Steuerung nicht mehr zum Flugwerk, sondern zur Betriebsausrüstung, da bei modernen Flugzeugen die Steuerung von den Sen