Aerodynamik eines Flugzeugs

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der Aerodynamik ist es uns Menschen möglich die Welt des Fliegens zu verstehen. Diese tragen zur Erklärung der Flugfähigkeit und des Designs und Aussehen des Flugzeuges bei. Durch diese Fachgebiete lässt sich die Frage wie ein Flugzeug geformt werden muss beantworten. Bevor wir uns aber auf das Design und die Form stürzen, interessieren uns erstmal die Grundlagen: Der Aufbau, verwendete Materialien und die Ursache für die Flugfähigkeit. Guten be Flug! 3 2. Grundlagen 2.2 Wie ist ein Flugzeug aufgebaut? Grundsätzlich besteht ein Kommerzielles Flugzeug aus ungefähr 6 Millionen Teilen, untergeteilt in verschiedenen Baugruppen, welche alle dazu beitragen, dass das Flugzeug auch funktionsgemäß in der Luft bleibt. Dabei sind die wichtigsten Baugruppen das Leitwerk, das Steuerwerk, das Tragwerk bzw. die Flügel, die Triebwerke, das Fahrwerk und der Rumpf. Das Leitwerk (Abb. 1) ist für die Flugstabilität zuständig. Es besteht aus dem Seitenleitwerk (Vertikaler Stabilisator) und dem Höhenleitwerk (Horizontaler Stabilisator), welche am Heck des Rumpfes zu finden sind. 2.1.2 Auftrieb Seitenruder Höhenruder Hochachse (Abb. 2) Das Steuerwerk besteht aus bestimmten Rudern, welche dazu dienen das Flugzeug zu steuern. Das Höhenruder, welches sich am Höhenleitwerk befindet, sorgt für die Neigung der Querachse, das Seitenruder, zu finden am Seitenleitwerk, für die Neigung an der Hochachse und das Querruder an den beiden Flügeln für die Neigung an der Längsachse. Der Rumpf verbindet das Leitwerk, das Tragwerk und auch das Fahrwerk. Sie beinhaltet außerdem das Cockpit und die Passagierkabine. Das Fahrwerk besteht aus einem 3-Punkte-System, bei dem zwei Fahrwerke an den Flügeln angebracht werden und ein Fahrwerk am Bug. Die Wichtigsten Baugruppen sind das Tragwerk und die Triebwerke. Das Tragwerk, auch Flügel genannt, sorgt für den Auftrieb, womit das Fliegen erst möglich wird. Zusätzlich wird der Treibstoff meistens in den Flügeln gelagert, da diese Aufgrund der Bauform meistens hohl sind. Die Triebwerke, welche unter den Flügeln hängen, erzeugen den Schub nach hinten, wodurch das Flugzeug sich in Bewegung setzen kann und so den Auftrieb generiert. Abbildung 1: Die Leitwerke Seitenleitwerk Höhenleitwerk Querruder Querachse Rumpf S Abbildung 2. Steuerung eines Flugzeugs --Längsachse 4 Wird ein bestimmt geformter Körper von Luft umströmt, so kann eine Kraft auf ihm wirken, welcher senkrecht nach oben verläuft. Diese Kraft wird Auftriebskraft genannt, dessen Vorteil von Nutzen ist, um ein Objekt zum Fliegen zu bringen. Der umströmte Körper musst dabei eine bestimmte Form haben, damit der Luftstrom in zwei Hälften geteilt werden kann. Noch dazu musst ein Luftstrom generiert werden, welcher den Körper umströmen kann. Beide Voraussetzungen kann ein Flugzeug erfüllen, da seine Flügel jene bestimmte Form aufweisen und dessen Triebwerke Schub nach hinten erzeugen kann, damit so ein Luftstrom auf die Flügel erzeugt wird. Aber wieso erzeugen Flügel mit Hilfe eines Luftstroms Auftrieb? Auftrieb Betrachtet man den Querschnitt eines Flügels (Abb. 3), so erkennt man, dass die Oberseite gewölbt ist, während die Unterseite gerade verläuft. Der Luftstrom wird in zwei Teilen geteilt bei dem ein Teil an der Oberseite vorbei strömt und der andere Teil an der Unterseite. Dank seiner Wölbung auf der Oberseite strömt die Luft oben schneller als die strömende Luft an der Unterseite. Nach dem Satz von Bernoulli verringert sich der Druck, je schneller die Luft strömt¹. So kommt es auf der Oberseite zu einem Unterdruck und auf der Unterseite ein Überdruck. Daraus resultiert, dass der Flügel ,,vom Überdruck nach oben gedrückt und vom Unterdruck nach oben gezogen wird".2 FL= p.v².C₁. A schnelle Luftbewegung langsame Luftbewegung Abbildung 3. Entstehung des Auftriebs Abbildung 4. Der Anstellwinkel Die Höhenruder können den Auftrieb erhöhen, indem sie das Heck absenken und die Flügel so in einem bestimmten Grad zum Luftstrom verlaufen (Abb. 4). Dabei überträgt der Luftstrom seinen Impuls auf die Unterseite der Tragfläche und wird nach unten abgelenkt. Dieser Winkel nennt sich Anstellwinkel, bei dem folglich gilt: Je größer gewählt der Anstellwinkel, desto höher die Wirkung des Auftriebs. Bei der Berechnung des Auftriebs ist diese Formel von Nutzen: Flugwind Anstellwinkel ¹ Siehe Fußnote 2. 2 Vgl. www.dlr.de (12.05.20) Das Geheimnis des Fliegens. https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid- 6621/10878 read-24681/ 5 Dabei ist FL = Auftriebskraft p= Dichte der Luft v = Geschwindigkeit CL = Auftriebsbeiwert/Auftriebskoeffizient A = Fläche des Flügels All diese tragen zur Wirkung des Auftriebs bei und sind nicht vernachlässigbar. Die Luftdichte hängt mit der Lufttemperatur und der Luftdichte zusammen. Diese auszurechnen ist dabei sehr kompliziert und wird meistens gemessen. Die Geschwindigkeit wird vom Objekt, welches den Auftrieb erzeugen soll, gemessen. Je schneller also das Flugzeug, desto größer seine Auftriebskraft. Auch wichtig ist der Flächeninhalt der Tragflächen. Ist diese größer kann mehr Druck angewandt werden. Der Auftriebsbeiwert, auch Auftriebskoeffizient, ist ein Zusatzwert, ähnlich wie die Haftreibungszahl. Sie ist Abhängig von dem Anstellwinkel, Ausrichtung der Flaps (Landeklappen) und den Spoiler (Störklappen). Der Auftriebsbeiwert lässt sich Anhand von Computersimulationen und Experimenten im Windkanal feststellen. Um diesen aber zu berechnen benötigt man entweder eine Formel oder ein extrem komplexes Diagramm. Daten zum Auftriebsbeiwert sind im Internet schwer zu finden, da diese nicht errechnet werden, sondern wie angesprochen, ermessen werden. Noch eine Kurze Information zu Flaps und Spoiler: Fährt man die Flaps aus, erhöht man die Fläche der Flügel. Damit ist es möglich auch bei langsamen Fliegen noch genug Auftrieb bei der Landung zu erzeugen. Spoiler dienen zur Abbremsung des Flugzeugs: werden sie ausgefahren, so üben sie einen Luftwiderstand aus, welcher bewirkt, dass man folglich abbremst. 2.2 Materialien Ein Flugzeug sollte gleichzeitig leicht aber dennoch belastbar sein, denn es gilt: Je höher das Gewicht, desto größer muss die Auftriebskraft sein, desto höher ist der Treibstoffverbrauch. Um das zu erreichen, setzen Flugzeughersteller heutzutage vermehrt auf Faserverbundwerkstoffe wie Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK). Aus diesen Kunststoffen werden zum Beispiel die Flügel hergestellt, da diese sehr stabil und flexibel sein müssen. Der Rumpf besteht aus einer Aluminium-Titan-Legierung verstärkt mit Fasern, 6 damit die Stabilität des Rumpfes gewährleistet wird, da sie im Flug aufgrund des hohen Innendrucks sehr stark belastet wird. Oben in der Stratosphäre ist der Druck nämlich viel geringer und damit man Passagiere befördern kann, sollte der Innendruck innen angepasst sein. 3. Aerodynamik Als Aerodynamik bezeichnet man das Verhalten von Strömender Luft auf einem Objekt. Die Aerodynamik befasst sich mit dem Dynamischen Auftrieb und der Stromlinienform, da diese durch Luftströme gekennzeichnet sind. Oft angewandt wird die Aerodynamik beim Flugzeugbau, bei dem Aerodynamische Vorgänge anhand von Simulationen gemessen werden. 3.1 Warum fliegt ein Flugzeug? Die Flugfähigkeit eines Flugzeugs wird durch vier Physikalische Kräfte beeinflusst (siehe Abb. 5), welche sich in einem Kräftegleichgewicht befinden. Dabei gleicht der Auftrieb die Gewichtskraft aus, während sich Schub und Widerstand im Kräftegleichgewicht befinden. Um das Flugzeug in die Luft zu bekommen, musst die Auftriebskraft größer sein als die Gewichtskraft. Wie bekommen wir aber das Flugzeug in die Luft, wenn es sich am Boden befindet? Man kann sich zuerst ein Gedankenexperiment vorstellen: Das Flugzeug befindet sich auf der Startbahn und möchte abheben. Er steht still, deswegen wirkt auf ihn nur die Gegenkraft von der Landebahn, während das Flugzeug die Gewichtskraft auf die Landebahn ausübt. Wir wollen, dass das Flugzeug abhebt, also erzeugen wir mit den Triebwerken Schub, damit wir einen Luftstrom auf die Tragflächen erzeugen können, um den Auftrieb zu realisieren. Das Flugzeug wird nun schneller, bald ist die Auftriebskraft so groß wie die Gewichtskraft, aber der Reibungswiderstand auf den Reifen wird zunehmend größer. Damit wir früher abheben können, kann man den Einstellwinkel mit dem Höhenruder verändern, womit man den Auftrieb schnell erhöhen kann. In der Luft auf Reiseflughöhe kann sich die Auftriebskraft auf einer Ebene mit der Gewichtskraft befinden. Beide befinden sich nun im Kräftegleichgewicht. Um das Flugzeug in Bewegung zu behalten, gleicht der Schub den Luftwiderstand aus, damit das Flugzeug gleich schnell bleibt. Widerstand Auftrieb Gewicht Abbildung 5: Die vier Physikalischen Kräfte Schub 7 3.2 Stromlinienform Stromlinien sind vereinfacht dargestellte Luftströme für die Veranschaulichung des Strömungsverhalten auf ein Objekt (siehe Abb. Auftrieb). Diese sind dazu in der Lage Objekte zu umströmen, zum Beispiel entsteht bei der Umströmung eines Flügelprofils Auftrieb. Ist ein Objekt nun Stromlinienförmig, so umströmen die Stromlinien das Objekt so, dass möglichst wenig Luftwiderstand entsteht. Als Beispiel erkennt man auf der Abbildung rechts (Abb. 6) ein umströmtes Auto. Man erkennt, dass der Luftstrom vorne gut geteilt wird und der Luftstrom weitestgehend oben Abbildung 6: Stromlinienform verläuft. Am hinteren Ende ist die Stromlinienform hingegen schlecht, da es hinten zu Verwirbelungen kommt. Aufgrund dieser Verwirbelungen wird das Fahrzeug abgebremst, also kommt es zu einem Widerstand. Diese wirken sich auf den Treibstoffverbrauch aus, was wiederum bedeutet, dass man mehr Treibstoff verbraucht, aufgrund des Widerstands. Flugzeuge bewegen sich in der Luft, deswegen verläuft der Luftstrom auch unter und an den Seiten des Flugzeugs. Hier ist von der Luftreibung die Rede, beziehungsweise der Luftwiderstand. Je höher der Luftwiderstand, desto höher der Treibstoffverbrauch. Je höher aber der Treibstoffverbrauch, desto niedriger die Effizienz. Als Flugzeughersteller ist eine geringe Effizienz nicht gut, da Fluggesellschaften heutzutage vermehrt auf Effiziente und leise Flieger setzen mit hoher Reichweite. Das bedeutet also: Die Form eines Flugzeugs sollte Stromlinienförmig sein. Wie entwickelt man aber ein Stromlinienförmiges Flugzeug? Die Stromlinienform wird meistens mit Simulationen getestet, bei dem auch gemessen wird, wie hoch der Luftwiderstand ist. So kann man schnell Fehler ausfindig machen und verbessern. Der Luftwiderstand lässt sich natürlich auch anhand einer Formel berechnen: FL = 1 2 ·Cw•p.v². A Schaut man sich die Formel genauer an, ähnelt diese der Formel für den Auftrieb. Dabei beschreibt FL die Kraft des Luftwiderstands und cw den Luftwiderstandsbeiwert. 8 Der Luftwiderstandsbeiwert, auch Luftwiderstandskoeffizient genannt, beschreibt die Windschnittigkeit des Objekts, also wie gut das Objekt den Luftstrom teilen kann. Diese wird anhand einer Simulation gemessen oder mit einem äußerst komplizierten Diagramm. Dabei will man den niedrigsten Wert erreichen, damit so wenig Luftwiderstand wie möglich entsteht. Bei einem Flugzeug ist die Windschnittigkeit vorne am Bug unterschiedlich, je nachdem von welchem Flugzeughersteller sie stammt. Dabei sollte der Bug möglichst abgerundet aber dennoch etwas spitz sein. Der Rumpf sollte einen Runden Querschnitt besitzen, damit die Druckverteilung im Bizjet Simulation inneren gewährleistet wird. Seine Ecken und Kanten sollten möglichst abgerundet sein um die Stromlinienform beizubehalten. Das Heck sollte hinten auch spitz zulaufen, damit der Luftstrom ohne Verwirbelungen normal weiter verläuft. CFD Consulting & Analysis. Abbildung 7: Strömungssimulation Bei dieser Simulation an einem Privatjet (Abb. 7) erkennt man, dass der Bug eine sehr gute Windschnittigkeit besitzt. Man erkennt zum Beispiel, dass die Luftströme vom Bug geschnitten werden und um den ganzen Rumpf verlaufen, ohne zu viel Widerstand zu verursachen. Es wird dennoch hart daran gearbeitet Flugzeuge Stromlinienförmiger, leiser und effizienter zu machen. So wird in naher Zukunft versucht, neue Rumpfformen zu testen. 9 4. Schlussbetrachtung Anhand der gezeigten Erkenntnisse, kann so die geeignete Form eines Flugzeuges bestimmt werden. Der Rumpf sollte also Stromlinienförmig und rund sein um den Luftwiderstand zu verringern und um den Innendruck gerecht zu verteilen. Stromlinienförmig, damit der Luftwiderstand verringert wird und die Effizienz erhöht wird. Das bedeutet, dass der Bug so geformt sein muss, dass dieser die Luft teilen kann und die Luft einwandfrei entlang des Rumpfes strömen kann. All die äußeren Komponenten haben einen bestimmten nutzen, so wie die Leitwerke für die Stabilität sorgen, die Steuerwerke für die Manövrierfähigkeit oder das Fahrwerk für die Bewegung auf dem Boden. Ohne diese Baugruppen wird es nicht möglich sein, das Flugzeug zu steuern und in Betrieb zu nehmen. Der Grund für die Fähigkeit zum Fliegen eines Flugzeugs, besteht aus einem Kräftegleichgewicht von vier Kräften. Damit es abheben kann ist aber der Auftrieb und der Schub essentiell. Der Auftrieb wird erzeugt durch den von Triebwerken erzeugten Luftstrom und aufgrund von der Form der Tragflächen. So werden die Tragflächen aufgrund des Druckunterschieds nach oben gezogen/gesaugt und gedrückt, wodurch so die Auftriebskraft entsteht. Diese gleicht die Gewichtskraft aus, während der Schub den Luftwiderstand ausgleicht, oder vom Luftwiderstand ausgeglichen wird. Mit dieser Kraft des Auftriebs ist es möglich, ein Koloss mit mehreren Tonnen in die Luft zu befördern. Apropos Gewicht: Mit den verwendeten Materialien CFK, GFK und Aluminiumlegierungen wird das Gewicht so weit wie möglich verringert, da ein höheres Gewicht Auswirkung auf den Treibstoffverbrauch hat. Behält man dieses Wissen im Hinterkopf, so ist es einem vielleicht möglich ein Flugzeug selber zu bauen. Es erfordert allerdings einen enormen Aufwand eine gute Stromlinienform zu entwickeln, da man oft experimentieren muss. Man muss sich aber merken, dass es nie möglich sein wird, ein Flugzeug ohne Luftwiderstand zu entwickeln. 10 Literaturverzeichnis Engmann, Klaus (Hrsg.): Technologie des Flugzeuges, 5. Auflage. Würzburg 2009 walter.bislins.ch/ (12.05.20) Berechnung des Auftriebs. Artikel aufgerufen am 12.05.20 http://walter.bislins.ch/aviatik/index.asp?page=Berechnung+des+Auftriebs walter.bislins.ch/ (12.05.20) Berechnung des Luftwiderstandes. Artikel aufgerufen am 12.05.20 http://walter.bislins.ch/aviatik/index.asp?page=Berechnung+des+Luftwiderstandes www.dlr.de (12.05.20) Das Geheimnis des Fliegens. Artikel aufgerufen am 12.05.20 https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6621/10878 read-24681/ www.dlr.de (12.05.20) Warum können Flugzeuge eigentlich fliegen? Artikel aufgerufen am 12.05.20 https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6122/10193 read-24679/ www.science.lu/de (12.05.20) Warum und wie können Flugzeuge fliegen? Aufgerufen am 12.05.20 https://www.science.lu/de/physik/warum-und-wie-koennen-flugzeuge-fliegen www.wikipedia.org (12.05.20) Aerodynamik. Artikel aufgerufen am 12.05.20 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Aerodynamik&oldid=196664465 www.wikipedia.org (12.05.20) Dynamischer Auftrieb. Artikel aufgerufen am 12.05.20. https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Dynamischer Auftrieb&oldid=199362512 www.wikipedia.org (12.05.20) Stromlinien. Artikel aufgerufen am 12.05.20 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Stromlinie&oldid=199736952 11 www.wikipedia.org (12.05.20) Stromlinienform. Artikel aufgerufen am 12.05.20 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Stromlinienform&oldid=194661492 www.wikipedia.org (12.05.20) Strömungswiderstand. Artikel aufgerufen am 12.05.2020 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Str%C3%B6mungswiderstand&oldid=195958115 www.youtube.com (12.05.20) Loviscach, Jörn: Auftrieb; warum ein Flugzeug fliegt. Aufgerufen am 12.05.20 https://www.youtube.com/watch?v=XqHKStAZOWs 12 Bildverzeichnis Abbildung 1: Die Leitwerke....... Abbildung 2. Steuerung eines Flugzeugs Abbildung 3. Entstehung des Auftriebs Abbildung 4. Der Anstellwinkel. Abbildung 5: Die vier Physikalischen Kräfte.. Abbildung 6: Stromlinienform....... Abbildung 7: Strömungssimulation.. Quellen dazu: Abb. 1 https://fw200-restaurierung-bremen.de/2017/09/03/steuerwerk/ Abb. 2 https://sites.google.com/site/weginscockpit/performance/aerodynamik/achsen Abb. 3 https://www.wind- energie.de/themen/anlagentechnik/funktionsweise/widerstandlaeufer-auftriebslaeufer/ Abb. 4 https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Anstellwinkel Abb. 5 https://www.planet-schule.de/warum/fliegen/themenseiten/t4/s1.html Abb. 6 https://de.wikipedia.org/wiki/Stromlinie#/media/Datei: Auto stromlinien.gif Abb. 7 http://www.cfd-ca.de/images/plane.jpg 2 2 2 2 2 2 2 13 Versicherung Ich versichere, dass ich diese schriftliche Arbeit selbstständig und nur mit den angegebenen Hilfsmitteln angefertigt habe und dass ich alle Stellen, die dem Wortlaut und dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind, durch Angabe der Quellen als Entlehnung kenntlich gemacht habe. Stuttgart, 12.05.2020 Ilham 14