Modul: Flugzeugstruktur (TEC01)

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Dieses Modul aus der Kategorie: Technik des Flugzeuges beschreibt die allgemeine Technik eines Flugzeuges. Dafür werden keine anderen Module vorausgesetzt.


Einführung

In diesem Modul werden die wesentlichen Strukturelemente des Flugzeuges erarbeitet und beschrieben. Ein Flugzeug ist ein Luftfahrzeug welches schwerer als Luft ist. Der zum Fliegen benötigte dynamische Auftrieb wird mit nicht rotierenden (im Gegensatz zum Hubschrauber) Auftriebsflächen erzeugt.

Den Betrieb von Flugzeugen die zum Luftverkehr zugelassen sind regeln Luftverkehrsgesetze, diese werden in diesem Modul nicht besprochen.

Wer über diese Grundeinführung hinaus Informationen sucht findet diese in vielen Wikipedia Beiträgen und Dokumentation zum Thema "Wie baue ich ein Flugzeug", insofern kann dieses Modul nur eine Grundeinführung darstellen als Voraussetzung für die darauf aufbauenden Module TEC02 / TEC03.

Rumpfachsen

Die Achsen eines Flugzeuges im dreidimensionalen Raum werden in diesem Modul nicht näher erläutert. Die Darstellung dient lediglich dazu weitere Erläuterungen wie "welches Rumpfteil oder Steuerelement wirkt sich wie auf die Flugzeugstruktur" aus.

Flugzeug-Achsen.jpg

Schaubild aus altem PTD2 Kurs

Die Hochachse wir mit dem Seitenruder gesteuert, ist sehr wichtig für einen Landeanflug bei dem man die Nase im Wind halten muss der aber um ca. 30 Grad versetzt zur Landebahnachse ist. Wichtig : kurz vor dem Aufsetzen die Nase wieder in die richtige Richtung. Konnte man schön beim Sturmwochenende in Hamburg beobachten.

Die Querachse wird mit dem Höhenruder gesteuert um eine Höhenänderung (steigen oder sinken) herbei zu führen.

Die Längsachse wird mit den Querrudern am äusseren Flügelende gesteuert um eine Rollbewegung einzuleiten, unterstützt mit dem Seitenruder ergibt sich eine Kurve.

Die Kombination der drei Achsenwirkungen ist eine "vollendete" Beherrschung des Flugzeuges.

Rumpf

Der Flugzeugrumpf ist das zentrale Bau- oder Konstruktionselement an welchem die weiteren notwendigen Bauteile wie z.B. das Tragwerk oder das Fahrwerk angebracht sind.

Je nach Typ des Flugzeuges nimmt der Rumpf entweder Passagiere und Fracht oder nur Fracht auf.

Während der aktuellen Corona-Pandemie wurde berichtet (Lufthansa Cargo Group), dass ca. 70% der Luftfracht in Passagiermaschinen und der Rest in reinen Frachtmaschinen transportiert werden. Dies führte zu einem Transportengpass in der Luftfahrt (Stichwort : Masken aus China).

Bauteile wie z.B. das Fahrwerk oder die Antriebsturbinen können ebenfalls am Rumpf angebracht werden.

Beispiele für Antrieb : MD80, CRJ-Modelle.

Beispiele für Fahrwerk : kleinere Maschinen wie Sportmaschinen (C172), grundsätzlich Hochdeckermodelle. Die 737 zieht die Räder in den Rumpf ein und hat keine Fahrwerkabdeckung der Räder. Bei den aktuellen modernen Flugzeugen ist das Fahrwerk unter- und innerhalb des Tragflügels angebracht.

Rumpfvarianten

Der Flugzeugrumpf hat äusserlich keine grosse Varianz. Dies liegt mit unter daran, dass die Struktur so gebaut sein muss dass diese den Drücken standhalten kann, dies auch in allen Öffnungsbereichen. Fenster, Türen, Frachttüren stellen hier eine besondere Anforderung an die Konstruktion.

Deshalb sieht man selten oder nie Mehrrumpfflugzeuge. Beispiele sind die alte Noratlas oder Jagdflugzeuge aus WWII, wobei hier die Seitenrümpfe die Motoren getragen haben und zum Leitwerk verlängert wurden mit einem Höhenleitwerk zwischen den Seitenleitwerken. Hinweise : das Flugzeug Stratolaunch (2018) oder Lockheed P38 (1939)

Frachtkabine

Im modernen Flugzeugbau werden reine Frachtflugzeuge in gleicher Bauweise wie Passagiermaschinen gebaut. Die Unterschiede liegen in der Ausstattung mit Fenstern, da Fracht nicht unbedingt den Flug beobachtet. Alles andere wird dem Einsatzzweck entsprechend - wieviel Fracht über welche Strecke - konstruiert und ausgelegt.

Die Frachtkabine ist als Druckkabine ausgelegt, da auch Pferde gerne fliegen und diese in grossen Höhen weder der Aussentemperatur noch dem Aussendruck standhalten würden.

Ganz unterschiedlich ist die Bauweise für militärische Frachtmaschinen, zum Einen bezüglich der Beladung (Heckrampe für Fahrzeuge) zum Anderen für den Einsatzzweck (Abwurf von Fracht in grösserer oder mittlerer Höhe aus dem Rumpf hinaus). Auch dieser Frachtteil ist als Druckkabine ausgeführt um z.b. auch Personal befördern zu können, dennoch sind die älteren Frachtmaschinen bei Transport von Personal begrenzt in der operativen Flughöhe (z.B. C130 Lockheed), die neueren Grossfrachter wie die C17 oder Galaxy sind für grössere Höhen auch deutlich dichter ausgelegt.

Druckkabine

Die konstruktive Herausforderung einer Druckkabine wird bestimmt durch die Unter- Überdruck Belastung. Daher muss dieses Drucksystem aufwändig reguliert werden, da die Druckkabine nicht hermetisch dicht ist bedingt durch Türen, Fenster, Druckschott. Daher muss ständig Frischluft zugeführt werden um den Innendruck auf angenehmer Druckhöhe zu halten. Die Triebwerke und die nachgelagerte Klimananlage liefern dazu die notwendige Luft. Die allgemein geltende Druckhöhe sind 8000 ft oder 2438 m. (Quelle : Wikipedia) (https://de.wikipedia.org/wiki/Druckkabine)

Bauweise / Material

Werkstoffe für die Elemente eines Flugzeuges müssen eine möglichst grosse Festigkeit gegenüber statischen und dynamischen Beanspruchungen aufweisen. Werkstoffe müssen als Eigenschaften einerseits eine hohe Stabilität und andererseits ein geringes Gewicht besitzen, da das Gesamtgewicht (statisches Gewicht) von den Antriebs- und Auftriebssystemen bewegt werden muss (zum Fliegen gebracht werden).

Als Werkstoffe kamen anfänglich Holz und Metall zum Bau von Luftfahrzeugen zum Einsatz. Mit der Entwicklung von Faser-Verbundwerkstoffen und speziellen Metalllegierungen wurden diese für besonders beanspruchte Bauteile verwendet.

Bei kleinen bis mittleren Luftfahrzeugen (Segelflugzeuge, Leichtflugzeuge) wird/wurde oft eine gemischte Bauweise Holz-Metall verwendet, bei grösseren Luftfahrzeugen kommen Metall-, Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe (GFK, CFK, FVK) zum Einsatz.

Der Rumpf wird in der Regel in Spanten und Längsgurten (bei Holzbauweise) oder als Metallgerüst, welches mit Blechen beplankt und vernietet oder verklebt wird, aufgebaut.

Tragflügel werden mittels Holmen und Rippen aufbebaut die bei Leichtflugzeuges mit Stoff bespannt oder Holz beplankt sind. Tragflügel müssen gegen Torsion (Verdrehung) gegenüber dem Holm gesichert sein.

Seit langem geht der Trend zu leichteren Werkstoffen. Neben Aluminium kommen auch neu entwickelte Aluminium-Lithium-Legierungen und Faserverbundwerkstoffe sowie Kombinationen daraus (Glasfaserverstärktes Aluminium) zur Anwendung. Ihr Vorteil liegt in der hohen Integrierbarkeit und Leichtbaupotentialen. Das Hauptfügeverfahren ist nach wie vor das Nieten. Weitere Verfahren sind Kleben und Laserschweißen.

Bauteile / Einbauten

Im und am Rumpf werden weitere zum reibungslosen Flug notwendige Bauteile angebracht.

Cockpit

Im Cockpit sitzen die "tollkühnen Kerle in ihren fliegenden Kisten". In der Regel sitzt das Cockpit ganz vorne am Flugzeugrumpf, so hat die Cockpitbesatzung das was auf sie zukommt direkt im Blick.

Das Cockpit enthält alle notwendigen mechanischen und elektrischen Vorrichtungen die zur Steuerung und Betrieb des Flugzeuges notwendig sind.

Instrumente zeigen die Flugzustände an - Höhe, steigen oder fallen, Richtung - zeigen Informationen über die Triebwerke, die Menge des Treibstoffes der verbraucht wird und noch vorhanden ist und vieles mehr.

Pedale und Ruderhorn ermöglichen die Seitenruder, Höhenruder und Querruder Steuerung somit die gewollten Änderungen der Richtungen im dreidimensionalen Luftraum.

Detaillierte Informationen über Instrumente, Wirkungsweise werden im TEC03 (Instrumentenkunde) vermittelt.

Tragwerk

Das Tragwerk besteht aus einer oder mehreren Tragflächen als Hauptkomponenten um den notwendigen Auftrieb zu liefern. Am Tragwerk (Flügel) sind Klappensysteme verbaut die den Auftrieb erhöhen (Landeklappen) oder verringern (Störklappen).

Mögliche Ausführungen sind : Hochdecker und Tiefdecker.

Hochdecker : die Anbringung der Tragflächen an der Rumpfoberseite garantiert eine gute Erdsicht - wird meist bei Sportmaschinen beobachtet - und hat den Vorteil des grossen Abstandes zum Boden. Beispiel C172.

Tiefdecker : Die Tragflächen sind an der Unterseite des Rumpfes besfestigt, haben somit einen geringeren Bodenabstand. Diese Nähe zum Boden führt zum Bodeneffekt bedingt durch die Umströmung der ein längeres Ausschweben bei der Landung ermöglicht - bei kurzen Pisten eher unerwünscht. Die Übersichtlichkeit bei Vorflugkontrolle ist von Vorteil ebenso wenn die Triebwerke an den Tragflächen angebracht sind (Wartung) - zB. Beechcraft King Air 350.

Fahrwerk

Zur Bewegung am Boden braucht es Räder z.B. für Rollen zum Start, von der Landung zu Park und natürlich zum Start selbst. Bodenwellen werden absorbiert und Landestösse abgefangen.

Auslegung meist als Bugfahrwerk und Hauptfahrwerk welches hinterm dem Flugzeugschwerpunkt angebracht ist. Spornräder unter dem Höhenleitwerk sind nur noch bei Sportmaschinen zu beobachten. Der Vorteil der Auslegung Bug- und Hauptfahrwerk liegt in der waagrechten Position des Flugzeugrumpfes und der dadurch gegebenen guten Sicht aus dem Cockpit.

Fahrwerke können starr angebracht - Cessna 172 - oder als Einziehfahrwerk ausgelegt sein dies ist insbesondere für hohe Reisegeschwindigkeiten unerlässlich da die Bremswirkung des ausgefahrenen Fahrwerks enorm hoch ist. Die Räder des Fahrwerkes werden nach dem Einziehen oft mit Klappen zur Wirbelvermeidung abgedeckt. Die Boeing 737 hat für das Hauptfahrwerk keine Klappenabdeckung somit sind die in den Rumpf eingezogenen Räder von unten gut sichtbar.

Eine Sonderform ist das Tandemfahrwerk bei dem vorne und nach dem Schwerpunkt im Rumpf das Hauptfahrwerk angebracht ist und Stützräder an den Tragwerksenden angebracht sind damit der Flieger nicht umfällt. Beispiele hierfür der bekannte Bombenwerfer B52 auch beim Senkrechtstarter Harrier ist dies so ähnlich ausgeführt.

Leitwerk

Das Leitwerk in der Regel am Rumpfende angebracht besteht aus dem Höhenflosse und der Seitenflosse. Die beiden Flossen sind mit beweglichen Steuerflächen ausgestattet.

An der Seitenflosse - die senkrecht zur Rumpflängsachse steht - befindet sich das Seitenruder, Flosse und Ruder sind wichtige Stabilisierungselemente der gesamten Struktur, denn ohne die Seitenflosse wird die Flugzeugnase um die Hochachse das Pendeln beginnen (Gieren) was letztlich zu einem Kontrollverlust über das Flugzeug führt. Beispiel 1 : der Zusammenstoss zweier Flugzeuge im Luftraum über Überlingen, der Frachtmaschine wurde von der Passagiermaschine die Seitenflosse sowie Teile des Höhenleitwerks abgetrennt. Das Flugzeug war nicht mehr zu kontrollieren und stürzte ab. Beispeil 2 : Bei einseitigem Triebswerkausfall entsteht ein starkes Drehmoment um die Hochachse das nur mit dem Seitenruder ausgeglichen werden kann, dies begründet die Grösse der Seitenflosse.

An der Höhenflosse, die 90 Grad jeweils seitlich angebracht ist, befinden sich Steuerelement um die Querachse zu kontrollieren (Nickbewegung). Höhenänderungen werden damit kontrolliert.

Alle Steuerflächen am Leitwerk haben selbstverständlich kleinere Trimmflächen die im Flug benutzt werden um eine Feinsteuerung der Flugzeuglage zu ermöglichen.

Ausser dem Leitwerk in der Standardform --|-- gibt es auch Leitwerke in V-Form. Hier sind Höhenleitwerk und Seitenleitwerk kombiniert.

Frühere Bauformen wie z.B. an Militärmaschinen mit Seitenleitwerk am äusseren Rand des Höhenleitwerks oder 3 Seitenleitwerke werden hier nicht besprochen.

Tanks

Die Flugzeugtanks, die den für den Flug benötigte Treibstoffmenge enthalten, sind bei modernen Maschine in der Regel in den Flügeln verbaut. Zusatztanks sind auch gebräuchlich unterhalb des Tragflügels diese sind im Grunde nur noch bei Militärmaschinen zu finden. Die Flügeltanks sind in unterschiedlich grosse Tanksegmente eingeteilt um eine gleichmässige Belastung des Tragflügels mit Gewicht zu gewährleisten, diese Tanks werden auch entsprechend im Betrieb gesteuert entleert. Dies kann durch händische Kontrolle - Umschalten von Tankventilen - oder eben automatisch erfolgen.

Pumpen ermöglichen das Umpumpen des Treibstoffes in andere Tanksegmente um eben die gleichmässige Belastung der Struktur zu gewährleisten.

Eine Sonderform des Umpumpens ist der Dumpen des Treibstoffes. Hier wird der Treibstoff über Aussenventile an den Flügelspitzen an die Umgebung ausgepumpt. Dies ist bei Notfällen direkt nach dem Abflug notwendig damit das Landgewicht nicht überschritten wird.

Wie oben angeführt wird die Treibstoff Verteilung und Verbrauch in den Tanks über den Bordcomputer gesteuert, dies ist auch bei der Betankung der Fall. In der Regel gibt es nur einen oder bei der A380 zwei Einfüllventile für den Tankwart.

Das Umpumpen von Treibstoff wird ebenfalls zur Trimmung eingesetzt, deshalb werden die Tanks nie zu 100% gefüllt - das mache nur ich mit meiner C130 um maximale Reichweite zu haben.

Sonstige Technik

Im Rumpf, in den Tragflügeln und in den Stabilisierungs- und Steuerflächen sind weitere für den Betrieb wichtige Bauteile verbaut.

Die APU (Auxiliary Power Unit) oder oft auch GTGS (Gas Turbine Generator Set) ist wegen der Grösse und Gewicht im Rumpfhaupteil eingebaut. Sie wird betrieben mit dem an Bord befindlichen Treibstoff und stellt die Grundversorgung mit Strom sicher sowie Blasluft (Bleedair) für z.B. die Klimaanlage und das Anlassen der Triebwerke. Nach erfolgreichem Triebwerksstart werden in der Regel die Generatoren der Triebwerke genutzt um die Stromversorgung aufrecht zu erhalten.

Desweiteren befinden sich eine grosse Menge an elektrisch angetriebenen Pumpen für Treibstoff oder Hydraulik-versorgung für das stellen der Flächen oder für die Betätigung des Fahrwerks.

Die Klimaanlage sorgt für die Umwälzung und Reinigung der Innenluft und hält einen bestimmten Drucklevel (Druckhöhe) in der Kabine aufrecht um das Ohrenknacken zu vermeiden.

Das gesamte Innenleben wird ergänzt durch viele Kilometer elektrische / hydraulische / Treibstoff oder pneumatische Leitungen die für den Betrieb unumgänglich sind.

Weiterführende Information werden im Modul : Flugzeugsysteme (TEC02) behandelt.

Tragfläche

Aufbau

Die Querruderflächen ermöglichen die Steuerung um die Längsachse, diese Rollbewegung kann durch die Störklappen unterstützt werden.

Alle Klappensysteme sind während des Fluges verstellbar um die notwendige Landegeschwindigkeit oder Abhebegeschwindigkeit zu erreichen.

Landeklappen verlängern das Tragflächenprofil nach hinten und lenken den Luftstrom weiter ab, ermöglichen so eine langsamere Geschwindigkeit bei gleichem oder höherem Auftrieb.

Störklappen auf der Oberseite des Tragflächenprofils verwirbeln beim Ausfahren den Luftstrom und verringern damit den Auftrieb, das Flugzeug erhöht somit die Sinkgeschwindigkeit und die Vorwärtsgeschwindigkeit. Bei der Landung werden die Störklappen benutzt um durch die Verwirbelung des Luftstroms die Bremswirkung und vor allem ein Steigen des Flugzeuges zu vermeiden. Diese Klappen sind auf fast der gesamten Länge des Tragflügels verteilt und können paarweise ausgefahren werden um eine feine Steuerung zu erreichen, bei der Landung werden in der Regel alle Klappen ausgefahren.

Tragfluegel.jpg

Schaubild aus altem PTD2 Kurs Technik 1, zeigt anschaulich alle Elemente des Tragflügels

Winglets sind eine besondere Ausformung nach oben der Flügelspitze, hier wird die Umströmumg des Randbereiches vermindert oder verhindert was sonst zu einem Auftriebsverlust führen würde. Strömungstechnisch ist hier die Zirkulationsverteilung am Tragflügel verantwortlich, optimal ist wenn die Zirkulation an der Flügelspitze Null ist, durch die Druckunterschiede von Ober- zu Unterseite will die Strömung sich am Ende des Flügels ausgleichen und umströmt somit die Spitze des Flügels und erzeugt Wirbelschleppen. Ferner wird die Stabilität um die Gierachse erhöht. (Genauere Beschreibung https://de.wikipedia.org/wiki/Winglet)

Strömung und Widerstand

an Tragflügeln und durch Tragflügelprofile wird in der Kategorie Physik des Fliegens diskutiert.

Konstruktion und Sicherheit

Verweis auf : https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeugbau

In diesem Wikipedia Artikel wird ausführlich die Konstruktion und die Voraussetzungen für Flugzeuge dargestellt.

zum Nachschlagen

https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeugbau

https://de.wikipedia.org/wiki/Druckkabine

https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeugrumpf

https://de.wikipedia.org/wiki/Winglet

Bildmaterial aus VATSIM Germany PTD2 Kurs (altes Schulungsmaterial dennoch anschaulich)