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Flugzeugtechnik – Die Kunst des Fliegens

Wer fliegt in seinem Urlaub nicht gerne in weit entfernte Länder? Heutzutage ist dies nicht nur billiger, sondern auch einfacher als je zuvor. Doch die Flugzeugtechnik ist eine der forderndsten Teilgebiete der Ingenieurswissenschaft. Dies liegt nicht nur an der hohen Komplexität der Thematik, sondern auch an den besonders strikten Sicherheitsanforderungen.

In diesem Artikel wollen wir Ihnen deshalb einen Einblick in beide Themengebiete geben: Was macht die Physik des Fliegens so komplex und weshalb sind die Prüfmechanismen so umfangreich?

Warum Fliegen so kompliziert ist

Im Jahr 2000 formulierte man am Cambridge Institut für Mathematik sieben ungelöste Probleme, welche zu den größten und schwierigsten Fragestellungen der Mathematik (und Wissenschaft) zählen. Auf die Lösung jedes einzelnen dieser Probleme ist ein Preisgeld von einer Millionen Dollar ausgeschrieben.

Der Beweis, dass eine reguläre Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen existiert, ist eines dieser Probleme. Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben im Detail die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen. Gerade die exakte Beschreibung von Luftströmen ist jedoch ein wesentlicher Bestandteil der Flugzeugtechnik, denn wie will man ein Flugzeug in die Luft bringen, wenn man die zugrundeliegenden Prozesse nicht kennt?

Eine exakte Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen ist bis heute nicht möglich. Nichtsdestotrotz konnte man durch aufwendige Computersimulationen und starke Vereinfachungen die grundlegenden Prinzipien des Fliegens verstehen und schließlich anwenden. Deshalb nun die Frage: Warum fliegt ein Flugzeug?

Fliegen leicht gemacht

Ingenieure und Wissenschaftler konnten drei Prozesse ausfindig machen, welche für das Fliegen und somit die Flugzeugtechnik essenziell sind:

1. Luftteilchen werden beim Aufprall auf die Unterseite eines Flügels nach unten abgelenkt (Abbildung 1.a). Durch diesen Prozess wird das Flugzeug nach oben „geschoben“, ganz so als würde man kleine Bälle darauf werfen. Dieser Effekt ist relativ gering.
2. In den meisten Fällen sind Flugzeugflügel auf Ober- und Unterseite unterschiedlich geformt. Dies führt dazu, dass der Luftstrom auf der Oberseite des Flügels eine höhere Geschwindigkeit als an der Unterseite hat. Das liegt daran, dass die Luftteilchen an der Oberseite in derselben Zeit eine längere Strecke zurücklegen müssen. Durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen Ober- und Unterseite entsteht nun (nach dem Bernoulli-Prinzip) auch ein Druckunterschied zwischen beiden Seiten. Dieser Druckunterschied führt zu einem Sog, der das Flugzeug nach oben zieht (Abbildung 1.b)
3. Flugzeugflügel sind derart konstruiert, dass sie den einfallenden Luftstrom nach unten wegdrücken. Dieses Wegdrücken erzeugt, ähnlich wie bei Raketen, einen Schub (Abbildung 1.c). Dieser Effekt ist stark neigungsabhängig: Je steiler der Flügel steht, desto mehr Luft wird nach unten weggedrückt. Deswegen schauen Flugzeuge beim Start mit ihrer Flugzeugspitze auch so steil nach oben.

Abbildung 1: Die physikalischen Prinzipien des Fliegens

Wie man bei all diesen Prozessen sieht, ist ein Luftstrom für das Fliegen essenziell. Doch warum fliegen Flugzeuge dann in mehreren Kilometern Höhe, wo dort doch die Luft sehr dünn ist?

Was im ersten Moment wie ein Nachteil wirkt, ist tatsächlich doppelt nützlich: Um den schwächeren Auftrieb aufgrund der geringeren Luftdichte auszugleichen, müssen Flugzeuge auch viel schneller fliegen. Somit ist die Flugdauer kürzer. Durch die geringere Luftdichte gibt es aber auch weniger Luftwiderstand, was die Effizienz deutlich steigert.

Prüftechnik – Das A und O der Flugzeugtechnik

Aerodynamische Prozesse theoretisch zu beschreiben, ist nur mit sehr viel Aufwand möglich. Deshalb ist die Rolle der Prüf- und Messtechnik umso wichtiger. So werden beispielsweise Flugzeuge vor dem Abheben auf das Genaueste kontrolliert, um Konstruktions- und Bauteilfehler zu erkennen. Nur so ist eine entsprechende Sicherheit für alle Passagiere und die Crew möglich.

Belastungs- und Ermüdungstests sind dabei ein essenzieller Bestandteil. Man kann beispielsweise Messungen an einzelnen Komponenten oder sogar an der Gesamtstruktur vornehmen. Gerade bei letzterem sind hunderte von Messkanälen in Verbindung mit Dehnmessstreifen nötig, die simultan ausgelesen werden müssen.

Auch bei der internen Elektronik von Flugzeugen ist eine Prüfung der Funktionsfähigkeit nötig. Heutzutage laufen viele Prozesse in Flugzeugen automatisch ab, was natürlich neue Fehlerquellen erzeugt. Außerdem wird die Steuerung des Flugzeuges nicht, wie früher, über mechanische Hebel o.Ä. vorgenommen, sondern über elektronische Leitungen. Beim Betätigen eines Hebels wird zuerst ein elektrisches Signal erzeugt, welches am Triebwerk wieder in ein mechanisches Signal umgewandelt wird. Dies nennt man Fly-By-Wire. Viele dieser Systeme funktionieren über die sogenannte ARINC 429 Schnittstelle. Einen eigenen Blogpost dazu finden Sie hier.

Flugzeuge sind während dem Betrieb auch extremen Belastungen ausgesetzt. So können in 12 km Höhe sehr tiefe Lufttemperaturen auftreten, während gleichzeitig in der Nähe der Triebwerke sehr hohe Temperaturen vorherrschen. Genau aus diesem Grund sind in der Flugzeugtechnik das ständige Warten und Kontrollieren der Flugzeuge nötig. Dabei unterscheidet man zwischen einem A-, B-, C-, IL- und D-Check. Der A-Check stellt dabei eine routinemäßige Untersuchung dar, während ein D-Check einer Generalüberholung entspricht.

DEWETRON – Ein verlässlicher Begleiter in der Flugzeugtechnik

Die Flugzeugtechnik stellt höchste Ansprüche an die Messtechnik, denn hiervon hängen tatsächlich Menschenleben ab. Genau deshalb haben wir bei DEWETRON spezielle Systeme für das Testing in der Luftfahrt entwickelt. Unsere Systeme können hunderte von verteilten Kanälen aufzeichnen und bieten eine Abtastrate von bis zu 10 MS/s. Außerdem stellen Ihnen unsere Messsysteme Daten in Echtzeit zur Verfügung – so können Sie diese direkt im Kontrollraum ansehen und analysieren.

Unsere hauseigene OXYGEN Datenauswertungssoftware bietet darüber hinaus noch viele weitere Optionen, die für die Flugzeugtechnik relevant sind. So erweisen sich gerade Features wie Rekorder, FFT-Analysen sowie Bereichs- und Ordnungsanalysen als unverzichtbar in Wartung und Service. Außerdem unterstützt OXYGEN gängige Standards wie z.B. die in der Flugzeugtechnik gängige ARINC 429-Schnittstelle.

Abbildung 2: ARINC 429 in OXYGEN

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