Airplanes: Major Components (Fuselage, Wings, Empennage, Landing Gear, The Powerplant)
Obwohl Flugzeuge für eine Vielzahl von Zwecken konstruiert sind, haben die meisten von ihnen die gleichen Hauptkomponenten. Die Gesamteigenschaften werden weitgehend durch die ursprünglichen Konstruktionsziele bestimmt. Die meisten Flugzeugstrukturen umfassen einen Rumpf, Flügel, ein Leitwerk, ein Fahrwerk und ein Triebwerk.
Rumpf
Der Rumpf ist der zentrale Körper eines Flugzeugs und dient der Aufnahme von Besatzung, Passagieren und Fracht. Es stellt auch die strukturelle Verbindung für die Tragflächen und die Leitwerksbaugruppe her. Ältere Arten von Flugzeugkonstruktionen verwendeten eine offene Fachwerkstruktur aus Holz-, Stahl- oder Aluminiumrohren. Die beliebtesten Arten von Rumpfstrukturen, die in heutigen Flugzeugen verwendet werden, sind das Monocoque (französisch für „Einzelschale“) und das Semimonocoque.
Flügel
Die Flügel sind Tragflächen, die an jeder Seite des Rumpfes angebracht sind und die Hauptauftriebsflächen sind, die das Flugzeug im Flug tragen. Es gibt zahlreiche Flügeldesigns, -größen und -formen, die von den verschiedenen Herstellern verwendet werden. Jeder erfüllt einen bestimmten Bedarf in Bezug auf die erwartete Leistung für das bestimmte Flugzeug.
Flügel können am oberen, mittleren oder unteren Teil des Rumpfes angebracht werden. Diese Konstruktionen werden als High-, Mid- und Low-Wing bezeichnet. Auch die Anzahl der Flügel kann variieren. Flugzeuge mit einem Flügelsatz werden als Eindecker bezeichnet, während Flugzeuge mit zwei Flügelsätzen Doppeldecker genannt werden.
Viele Hochflügelflugzeuge haben externe Streben oder Flügelstreben, die die Flug- und Landelasten durch die Streben auf die Hauptrumpfstruktur übertragen. Da die Flügelstreben meist etwa zur Hälfte außen am Flügel angebracht sind, nennt man diese Art der Flügelkonstruktion Semi-Cantilever. Einige wenige Hochdecker und die meisten Tiefdecker haben einen voll freitragenden Flügel, der so konstruiert ist, dass er die Lasten ohne externe Streben tragen kann.
Die Hauptstrukturteile des Flügels sind Holme, Rippen und Stringer. Diese werden durch Traversen, I-Träger, Schläuche oder andere Vorrichtungen, einschließlich der Haut, verstärkt. Die Flügelrippen bestimmen die Form und Dicke des Flügels (Tragfläche). In den meisten modernen Flugzeugen sind die Kraftstofftanks entweder ein integraler Bestandteil der Flügelstruktur oder bestehen aus flexiblen Behältern, die im Inneren des Flügels montiert sind.
An der Rückseite oder den Hinterkanten der Flügel sind zwei Arten von Steuerflächen angebracht, die als Querruder und Klappen bezeichnet werden. Querruder erstrecken sich etwa vom Mittelpunkt jedes Flügels nach außen zur Spitze und bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, um aerodynamische Kräfte zu erzeugen, die das Flugzeug zum Rollen bringen. Klappen erstrecken sich vom Rumpf nach außen bis nahe zum Mittelpunkt jedes Flügels. Die Klappen schließen im Reiseflug normalerweise bündig mit der Flügeloberfläche ab. Beim Ausfahren bewegen sich die Klappen gleichzeitig nach unten, um die Auftriebskraft des Flügels für Starts und Landungen zu erhöhen.
Alternative Arten von Flügeln
An Flugzeugen sind häufig alternative Arten von Flügeln zu finden. Die Form und Gestaltung eines Flügels hängt von der Art des Einsatzes ab, für den ein Flugzeug bestimmt ist, und ist auf bestimmte Flugarten zugeschnitten. Diese Konstruktionsvariationen werden in Kapitel 5, Aerodynamik des Fluges, erörtert, das Informationen zu den Auswirkungen von Steuerungen auf Auftriebsflächen von herkömmlichen Flügeln bis hin zu Flügeln enthält, die sowohl Biegung (aufgrund von Aufblähen) als auch Verschiebung (durch Änderung des Schwerpunkts des Flugzeugs) verwenden. Beispielsweise ist der Flügel des Flugzeugs mit Gewichtsverlagerungssteuerung stark gepfeilt, um den Luftwiderstand zu verringern und die Gewichtsverlagerung zu ermöglichen, um einen kontrollierten Flug bereitzustellen.
Leitwerk
Das Leitwerk umfasst das gesamte Leitwerk und besteht aus festen Flächen, wie dem Seitenleitwerk und dem Höhenleitwerk. Die beweglichen Oberflächen umfassen das Seitenruder, das Höhenruder und eine oder mehrere Trimmklappen.
Das Seitenruder ist an der Rückseite des Seitenleitwerks befestigt. Während des Fluges wird es verwendet, um die Nase des Flugzeugs nach links und rechts zu bewegen. Das an der Rückseite des Höhenleitwerks angebrachte Höhenruder dient dazu, die Nase des Flugzeugs während des Flugs auf und ab zu bewegen. Trimmklappen sind kleine, bewegliche Teile der Hinterkante der Steuerfläche. Diese beweglichen Trimmklappen, die vom Flugdeck aus gesteuert werden, reduzieren den Steuerdruck. Trimmklappen können an den Querrudern, dem Seitenruder und/oder dem Höhenruder installiert werden.
Eine zweite Art von Leitwerksdesign erfordert kein Höhenruder. Stattdessen enthält es einen einteiligen horizontalen Stabilisator, der von einem zentralen Scharnierpunkt aus schwenkt. Diese Art von Konstruktion wird als Stabilator bezeichnet und wird mit dem Steuerrad bewegt, genau wie das Höhenruder bewegt wird. Wenn beispielsweise ein Pilot das Steuerrad zurückzieht, schwenkt der Stabilisator, sodass sich die Hinterkante nach oben bewegt. Dies erhöht die aerodynamische Hecklast und bewirkt, dass sich die Nase des Flugzeugs nach oben bewegt. Stabilisatoren haben eine Antiservo-Lasche, die sich über ihre Hinterkante erstreckt.
Die Antiservo-Lasche bewegt sich in die gleiche Richtung wie die Hinterkante des Stabilisators und trägt dazu bei, den Stabilisator weniger empfindlich zu machen. Das Antiservo-Tab fungiert auch als Trimm-Tab, um Steuerdrücke zu entlasten und hilft, den Stabilisator in der gewünschten Position zu halten.
Fahrwerk
Das Fahrwerk ist die Hauptstütze des Flugzeugs beim Parken, Rollen, Starten oder Landen. Die gebräuchlichste Art von Fahrwerk sind Räder, aber Flugzeuge können auch mit Schwimmern für den Wasserbetrieb oder Skiern für die Landung auf Schnee ausgestattet werden.
Radfahrwerke bestehen aus drei Rädern – zwei Haupträdern und einem dritten Rad, das entweder vorne oder hinten am Flugzeug positioniert ist. Ein Fahrwerk mit einem hinten montierten Rad wird als konventionelles Fahrwerk bezeichnet.
Flugzeuge mit herkömmlichem Fahrwerk werden manchmal als Spornradflugzeuge bezeichnet. Wenn sich das dritte Rad auf der Nase befindet, wird es als Bugrad bezeichnet, und das Design wird als Dreiradgetriebe bezeichnet. Ein lenkbares Bugrad oder Spornrad ermöglicht die Steuerung des Flugzeugs während aller Operationen am Boden. Die meisten Flugzeuge werden durch Bewegen der Seitenruderpedale gesteuert, egal ob Bugrad oder Spornrad. Zusätzlich werden einige Flugzeuge durch Differentialbremsung gesteuert.
Das Kraftwerk
Das Triebwerk umfasst normalerweise sowohl den Motor als auch den Propeller. Die Hauptfunktion des Motors besteht darin, die Kraft zum Drehen des Propellers bereitzustellen. Es erzeugt auch elektrische Energie, stellt eine Vakuumquelle für einige Fluginstrumente bereit und stellt in den meisten einmotorigen Flugzeugen eine Wärmequelle für den Piloten und die Passagiere bereit. Der Motor wird von einer Motorhaube oder einer Gondel abgedeckt, die beide Arten von abgedeckten Gehäusen sind. Der Zweck der Verkleidung oder Gondel besteht darin, den Luftstrom um das Triebwerk herum zu straffen und zur Kühlung des Triebwerks beizutragen, indem Luft um die Zylinder geleitet wird.
Der Propeller, der an der Vorderseite des Motors montiert ist, wandelt die Rotationskraft des Motors in Schub um, eine nach vorne wirkende Kraft, die hilft, das Flugzeug durch die Luft zu bewegen. Ein Propeller ist ein rotierendes Tragflächenprofil, das Schub durch aerodynamische Wirkung erzeugt. An der Rückseite des Flügels des Propellers wird ein Hochdruckbereich gebildet, und an der Vorderseite des Propellers wird ein Unterdruck erzeugt, ähnlich wie Auftrieb durch ein als Auftriebsfläche oder Flügel verwendetes Profil erzeugt wird. Diese Druckdifferenz entwickelt Schub vom Propeller, der wiederum das Flugzeug nach vorne zieht. Motoren können umgedreht werden, um Drücker mit dem Propeller am Heck zu sein.
Bei der Konstruktion eines Propellers spielen zwei wichtige Faktoren eine Rolle, die sich auf seine Wirksamkeit auswirken. Der Winkel eines Propellerblatts, gemessen gegen die Nabe des Propellers, hält den Anstellwinkel (AOA) (siehe Definition im Glossar) entlang der Spannweite des Propellerblatts relativ konstant, wodurch die Möglichkeit eines Strömungsabrisses verringert oder ausgeschlossen wird. Die vom Propeller erzeugte Auftriebsmenge steht in direktem Zusammenhang mit dem AOA, dem Winkel, in dem der relative Wind auf das Blatt trifft. Der AOA ändert sich während des Fluges kontinuierlich in Abhängigkeit von der Richtung des Flugzeugs.
Die Steigung ist definiert als die Strecke, die ein Propeller bei einer Umdrehung zurücklegen würde, wenn er sich in einem Festkörper drehen würde. Diese beiden Faktoren zusammen ermöglichen eine Messung des Wirkungsgrads des Propellers. Propeller sind normalerweise auf eine bestimmte Kombination aus Flugzeug und Triebwerk abgestimmt, um den besten Wirkungsgrad bei einer bestimmten Leistungseinstellung zu erzielen, und sie ziehen oder drücken, je nachdem, wie der Motor montiert ist.
Unterkomponenten
Die Unterkomponenten eines Flugzeugs umfassen die Flugzeugzelle, das elektrische System, die Flugsteuerung und die Bremsen.
Die Flugzeugzelle ist die Grundstruktur eines Flugzeugs und darauf ausgelegt, allen aerodynamischen Kräften sowie den Belastungen durch das Gewicht von Treibstoff, Besatzung und Nutzlast standzuhalten.
Die Hauptfunktion eines elektrischen Flugzeugsystems besteht darin, elektrische Energie im gesamten Flugzeug zu erzeugen, zu regeln und zu verteilen. Es gibt mehrere unterschiedliche Energiequellen in Flugzeugen, um die elektrischen Systeme des Flugzeugs mit Energie zu versorgen. Zu diesen Energiequellen gehören: motorbetriebene Wechselstromgeneratoren (AC), Hilfsenergieeinheiten (APUs) und externe Energie. Das elektrische Energiesystem des Flugzeugs wird verwendet, um die Fluginstrumente, wesentliche Systeme wie Anti-Icing und Passagierdienste wie Kabinenbeleuchtung zu betreiben.
Die Flugsteuerungen sind die Vorrichtungen und Systeme, die die Fluglage eines Flugzeugs und folglich den Flugweg, dem das Flugzeug folgt, steuern. Bei vielen konventionellen Flugzeugen verwenden die primären Flugsteuerungen angelenkte Hinterkantenoberflächen, die Höhenruder für Nicken, Querruder für Rollen und Seitenruder für Gieren genannt werden. Diese Oberflächen werden vom Piloten im Flugdeck oder von einem automatischen Piloten bedient.
Bei den meisten modernen Flugzeugen bestehen Flugzeugbremsen aus mehreren Belägen (Bremssattelbeläge genannt), die hydraulisch gegeneinander gedrückt werden, wobei sich zwischen ihnen eine rotierende Scheibe (Rotor genannt) befindet. Die Beläge üben Druck auf den Rotor aus, der sich mit den Rädern dreht. Als Ergebnis der erhöhten Reibung am Rotor werden die Räder von Natur aus langsamer und hören auf, sich zu drehen. Die Scheiben und Bremsbeläge bestehen entweder aus Stahl wie beim Auto oder aus einem Carbonmaterial, das weniger wiegt und mehr Energie aufnehmen kann. Da Flugzeugbremsen hauptsächlich während der Landung verwendet werden und enorme Energiemengen absorbieren müssen, wird ihre Lebensdauer eher in Landungen als in Meilen gemessen.
