Flugzeugtheorie des Fluges 

Bevor ein Techniker Wartungsarbeiten an einem Flugzeug durchführen kann, ist es notwendig, die Teile zu verstehen, aus denen das Flugzeug besteht. Namen wie Rumpf, Leitwerk, Flügel und so viele andere kommen ins Spiel, wenn es darum geht, zu beschreiben, was ein Flugzeug ist und wie es funktioniert. Bei Hubschraubern fallen Namen wie Hauptrotor, Gegendrehmomentrotor und Autorotation als ein kleiner Teil dessen ein, was man über Drehflügler verstehen muss. Das Studium der Physik, einschließlich grundlegender Aerodynamik, ist ein notwendiger Teil, um zu verstehen, warum Flugzeuge so funktionieren, wie sie es tun.

Vier Flugkräfte 

Während des Fluges wirken vier Kräfte auf ein Flugzeug. Diese Kräfte sind Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand. Der Auftrieb ist die vom Flügel erzeugte Aufwärtskraft, das Gewicht ist die Anziehungskraft der Schwerkraft auf die Masse, der Schub ist die Kraft, die vom Propeller oder Turbinentriebwerk des Flugzeugs erzeugt wird, und der Luftwiderstand ist die Reibung, die durch die um das Flugzeug strömende Luft verursacht wird. 

Alle vier dieser Kräfte werden in Pfund gemessen. Jedes Mal, wenn die Kräfte nicht im Gleichgewicht sind, ändert sich etwas am Zustand des Flugzeugs. Die Möglichkeiten sind wie folgt:

1. Wenn ein Flugzeug beschleunigt, hat es mehr Schub als Luftwiderstand. 

2. Wenn ein Flugzeug verzögert, hat es weniger Schub als Luftwiderstand. 

3. Wenn ein Flugzeug eine konstante Geschwindigkeit hat, sind Schub und Luftwiderstand gleich. 

4. Wenn ein Flugzeug steigt, hat es mehr Auftrieb als Gewicht. 

5. Wenn ein Flugzeug im Sinkflug ist, hat es mehr Gewicht als Auftrieb. 

6. Wenn sich ein Flugzeug in konstanter Höhe befindet, sind Auftrieb und Gewicht gleich.  

Bernoulli-Prinzip und Unterschallströmung 

Das Grundkonzept des Unterschallluftstroms und der daraus resultierenden Druckunterschiede wurde von Daniel Bernoulli, einem Schweizer Physiker, entdeckt. Das Bernoulli-Prinzip, wie wir es heute nennen, besagt, dass „wenn die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zunimmt, der statische Druck dieser Flüssigkeit abnimmt, vorausgesetzt, es wird keine Energie hinzugefügt oder Energie entzogen.“ Eine direkte Anwendung des Bernoulli-Prinzips ist die Untersuchung von Luft, wenn sie entweder durch einen konvergierenden oder einen divergierenden Durchgang strömt, und um die Ergebnisse mit einigen Luftfahrtkonzepten in Beziehung zu setzen.

Eine konvergierende Form ist eine, deren Querschnittsfläche vom Eingang zum Ausgang zunehmend kleiner wird. Eine divergierende Form ist genau das Gegenteil, wobei die Querschnittsfläche von Eintritt zu Austritt größer wird. Die Abbildung zeigt einen konvergierenden Kanal, bei dem die Luft links mit Unterschallgeschwindigkeit eintritt und rechts austritt. Beachten Sie, dass die Luft mit einer erhöhten Geschwindigkeit und einem verringerten statischen Druck austritt, wenn Sie die Druck- und Geschwindigkeitsmesser sowie die angezeigte Geschwindigkeit und den angezeigten Druck betrachten. Die austretende Einheit muss ihre Geschwindigkeit erhöhen, wenn sie in einen kleineren Raum strömt, da eine Lufteinheit den Kanal verlassen muss, wenn eine andere Einheit eintritt.  

In einem divergierenden Kanal würde genau das Gegenteil passieren. Vom Eintrittspunkt bis zum Austrittspunkt breitet sich der Kanal aus und die Fläche wird größer. Mit zunehmender Querschnittsfläche nimmt die Geschwindigkeit der Luft ab und der statische Druck steigt. Die Gesamtenergie in der Luft hat sich nicht verändert. Was an Geschwindigkeit verloren gegangen ist, das ist kinetische Energie, wird an statischem Druck gewonnen, das ist potentielle Energie. 

Im konvergierenden Teil des Venturi würde die Geschwindigkeit zunehmen und der statische Druck abnehmen. Dasselbe würde mit der um den Flügel strömenden Luft passieren, wobei die Geschwindigkeit über der Oberseite zunimmt und der statische Druck abnimmt.

Ein Teil der Luft strömt über die Oberseite des Flügels und ein Teil entlang der Unterseite. Die Luft, die über die Spitze strömt, hat aufgrund der Krümmung einen weiteren Weg zurückzulegen. Bei einer größeren Entfernung muss sich die Luft, die über die Spitze strömt, mit einer größeren Geschwindigkeit bewegen. Die höhere Geschwindigkeit oben bewirkt, dass der statische Druck oben geringer ist als unten, und dieser Unterschied im statischen Druck erzeugt Auftrieb.

Lift und Newtons drittes Gesetz 

Newtons drittes Gesetz identifiziert, dass es für jede Kraft eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft gibt. Neben dem Bernoulli-Prinzip kann auch das dritte Newtonsche Gesetz verwendet werden, um den von einem Flügel erzeugten Auftrieb zu erklären. Wenn sich die Luft um einen Flügel herum bewegt und die Hinterkante verlässt, wird die Luft gezwungen, sich in eine Abwärtsrichtung zu bewegen. Da eine Kraft erforderlich ist, um etwas die Richtung zu ändern, muss es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft geben. In diesem Fall ist die Reaktionskraft das, was wir Auftrieb nennen. Um den Auftrieb basierend auf dem dritten Newtonschen Gesetz zu berechnen,

Das zweite Newtonsche Gesetz und die Formel „Kraft = Masse × Beschleunigung“ würden verwendet werden. Die Masse wäre das Gewicht der Luft, die jede Sekunde über den Flügel strömt, und die Beschleunigung wäre die Geschwindigkeitsänderung, die der Flügel der Luft verleiht.

Der Auftrieb am Flügel, wie er durch das Bernoulli-Prinzip beschrieben wird, und der Auftrieb am Flügel, wie er durch das dritte Newtonsche Gesetz beschrieben wird, sind nicht getrennt oder unabhängig voneinander. Sie sind nur zwei verschiedene Arten, dasselbe zu beschreiben, nämlich den Auftrieb an einem Flügel.

Tragflächen 

Ein Strömungsprofil ist jedes Gerät, das eine Kraft erzeugt, die auf den Prinzipien von Bernoulli oder den Gesetzen von Newton basiert, wenn Luft über die Oberfläche des Geräts strömt. Ein Tragflügel kann der Flügel eines Flugzeugs, das Blatt eines Propellers, das Rotorblatt eines Hubschraubers oder das Fanblatt eines Turbofan-Triebwerks sein. Der Flügel eines Flugzeugs bewegt sich durch die Luft, weil das Flugzeug in Bewegung ist, und erzeugt durch den zuvor beschriebenen Prozess Auftrieb. Im Vergleich dazu dreht sich ein Propellerblatt, ein Helikopterrotorblatt oder ein Lüfterblatt eines Turbofan-Triebwerks durch die Luft. Diese rotierenden Blätter könnten als rotierende Flügel bezeichnet werden, wie es bei Hubschraubern üblich ist, wenn sie Drehflügelflugzeuge genannt werden. Der rotierende Flügel kann als ein Gerät betrachtet werden, das Auftrieb erzeugt, oder genau so richtig, es kann als ein Gerät betrachtet werden, das Schub erzeugt. 

Sturz 

Die Wölbung eines Flügels ist die Krümmung, die an der Ober- und Unterseite vorhanden ist. Die Wölbung auf der Oberseite ist viel ausgeprägter, es sei denn, der Flügel ist ein symmetrisches Tragflügelprofil, das oben und unten die gleiche Wölbung aufweist. Die Unterseite des Flügels ist meistens relativ flach. Die erhöhte Wölbung oben bewirkt, dass die Luftgeschwindigkeit zunimmt und der statische Druck abnimmt. Die Unterseite des Flügels hat weniger Geschwindigkeit und mehr statischen Druck, weshalb der Flügel Auftrieb erzeugt.

Sehnenlinie 

Die Sehnenlinie ist eine imaginäre gerade Linie, die von der Vorderkante des Flügels zu seiner Hinterkante verläuft. Der Winkel zwischen der Sehnenlinie und der Längsachse des Flugzeugs wird als Einfallswinkel bezeichnet.  

Relativer Wind 

Der relative Wind ist eine Beziehung zwischen der Richtung des Luftstroms und dem Flugzeugflügel. Unter normalen Flugbedingungen ist der relative Wind die entgegengesetzte Richtung der Flugbahn des Flugzeugs. 

• Wenn die Flugbahn vorwärts ist, dann ist der relative Wind rückwärts. 

• Wenn die Flugbahn vorwärts und aufwärts ist, dann ist der relative Wind rückwärts und abwärts. 

• Wenn die Flugbahn vorwärts und abwärts ist, dann ist der relative Wind rückwärts und aufwärts. 

Daher ist der relative Wind parallel zur Flugbahn und bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung.

Angriffswinkel 

Der Winkel zwischen der Sehnenlinie und dem relativen Wind ist der Anstellwinkel. Mit zunehmendem Anstellwinkel nimmt der Auftrieb am Flügel zu. Wird der Anstellwinkel zu groß, kann sich der Luftstrom vom Flügel lösen und der Auftrieb zerstört werden. Wenn dies auftritt, tritt ein Zustand ein, der als Stall bekannt ist.

Es gibt eine Reihe verschiedener Formen, die als Planformen bekannt sind und die ein Flügel haben kann. Ein Flügel in Form eines Rechtecks ​​ist bei kleinen Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt sehr verbreitet. Eine elliptische Form oder ein sich verjüngender Flügel können ebenfalls verwendet werden, aber diese haben nicht die erwünschte Abrisscharakteristik. Für Flugzeuge, die mit hohen Unterschallgeschwindigkeiten betrieben werden, sind Pfeilflügel üblich, und für Überschallflüge kann eine Delta-Form verwendet werden.

Das Seitenverhältnis eines Flügels ist das Verhältnis zwischen seiner Spannweite oder einer Messung von Flügelspitze zu Flügelspitze und der Sehne des Flügels. Wenn ein Flügel eine große Spannweite und eine sehr schmale Sehne hat, spricht man von einer hohen Streckung. Ein höheres Seitenverhältnis erzeugt bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit weniger Luftwiderstand und wird typischerweise bei Flugzeugen vom Segelflugzeugtyp gefunden.

Der Anstellwinkel eines Flügels ist der Winkel, der durch den Schnittpunkt der Flügelsehnenlinie und der durch die Längsachse des Flugzeugs verlaufenden horizontalen Ebene gebildet wird. Viele Flugzeuge sind mit einem größeren Einfallswinkel an der Flügelwurzel als an der Spitze konstruiert, und dies wird als Auswaschen bezeichnet. Diese Funktion bewirkt, dass der innere Teil des Flügels vor dem äußeren Teil abreißt, was dazu beiträgt, die Querruderkontrolle während der Anfangsphase eines Flügelabrisses aufrechtzuerhalten. 

Grenzschicht-Luftstrom 

Die Grenzschicht ist eine sehr dünne Luftschicht, die über der Oberfläche des Flügels und allen anderen Oberflächen des Flugzeugs liegt. Da Luft viskos ist, neigt diese Luftschicht dazu, am Flügel zu haften. Wenn sich der Flügel durch die Luft vorwärts bewegt, strömt die Grenzschicht zunächst glatt über die stromlinienförmige Form des Tragflächenprofils. Hier wird die Strömung als laminare Schicht bezeichnet.  

Wenn sich die Grenzschicht der Mitte des Flügels nähert, beginnt sie aufgrund der Hautreibung an Geschwindigkeit zu verlieren und wird dicker und turbulenter. Hier wird sie als turbulente Schicht bezeichnet. Der Punkt, an dem die Grenzschicht von laminar zu turbulent wechselt, wird als Übergangspunkt bezeichnet. Dort, wo die Grenzschicht turbulent wird, ist der Reibungswiderstand durch Mantelreibung relativ hoch. Wenn die Geschwindigkeit zunimmt, tendiert der Übergangspunkt dazu, sich nach vorne zu bewegen. Mit zunehmendem Anstellwinkel verschiebt sich auch der Übergangspunkt tendenziell nach vorne. Bei höheren Anstellwinkeln und einer weiteren Verdickung der Grenzschicht werden die Turbulenzen so groß, dass die Luft von der Flügeloberfläche abreißt. An diesem Punkt ist der Auftrieb des Flügels zerstört und es ist ein Zustand eingetreten, der als Strömungsabriss bekannt ist. 

Flügelspitzenwirbel 

Flügelspitzenwirbel werden durch die Luft unter dem Flügel verursacht, die den höheren Druck hat, über die Flügelspitze und nach oben zur Flügeloberseite strömt. Das Endergebnis ist eine Spirale oder ein Wirbel, der immer dann hinter der Flügelspitze nachzieht, wenn Auftrieb erzeugt wird. Dieser Wirbel wird auch als Wirbelschleppe bezeichnet und ist ein wesentlicher Faktor dafür, wie dicht ein Flugzeug einem anderen beim Landeanflug folgen kann. Die Nachlaufturbulenz eines großen Flugzeugs kann dazu führen, dass ein kleineres Flugzeug, wenn es zu dicht folgt, außer Kontrolle geschleudert wird.

Aufwind und Abwind beziehen sich auf die Wirkung, die ein Schaufelblatt auf den freien Luftstrom hat. Aufwind ist die Ablenkung des entgegenkommenden Luftstroms, wodurch er nach oben und über den Flügel strömt. Downwash ist die Ablenkung des Luftstroms nach unten, nachdem er den Flügel passiert hat und die Hinterkante verlässt. Diese Abwärtsauslenkung erzeugt die Aktion und Reaktion, die unter Auftrieb und Newtons drittem Gesetz beschrieben werden.

Achsen eines Flugzeugs 

Ein fliegendes Flugzeug wird um eine oder mehrere von drei Rotationsachsen gesteuert. Diese Rotationsachsen sind die Längsachse, die Querachse und die Vertikalachse. Im Flugzeug schneiden sich alle drei Achsen im Schwerpunkt. Wenn das Flugzeug um eine dieser Achsen schwenkt, schwenkt es im Wesentlichen um den Schwerpunkt (CG). Der Schwerpunkt wird auch als Rotationszentrum bezeichnet.

Flugzeugstabilität 

Wenn sich ein Flugzeug im Geradeausflug mit konstanter Geschwindigkeit befindet, befinden sich alle auf das Flugzeug einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht. Wenn dieser Geradeausflug durch eine Störung in der Luft, wie z. B. Wirbelschleppen, gestört wird, kann das Flugzeug nach oben oder unten kippen, nach links oder rechts gieren oder in eine Rolle geraten. Wenn das Flugzeug das hat, was als Stabilität bezeichnet wird, kehrt das Flugzeug in einen Gleichgewichtszustand zurück, sobald die Störung verschwindet. 

Flugsteuerflächen 

Der Zweck der Flugsteuerung besteht darin, dem Piloten zu ermöglichen, das Flugzeug zu manövrieren und es vom Beginn des Startlaufs bis zur Landung und zum sicheren Stillstand zu steuern. Flugsteuerungen sind typischerweise mit dem Flügel und den vertikalen und horizontalen Stabilisatoren verbunden, da dies die Teile des Flugzeugs sind, an denen Flugsteuerungen am häufigsten angebracht sind. Im Flug und bis zu einem gewissen Grad am Boden geben Flugsteuerungen dem Flugzeug die Möglichkeit, sich um eine oder mehrere der drei Achsen zu bewegen. Flugsteuerungen funktionieren, indem sie die Form oder die aerodynamischen Eigenschaften der Oberfläche ändern, an der sie angebracht sind.  

Hubschrauber Aerodynamik 

Der Hubschrauber, wie wir ihn heute kennen, fällt unter die als Drehflügler bekannte Klassifikation. Drehflügler werden auch als Drehflügler bezeichnet, da der Flügel nicht wie bei einem Flugzeug fixiert ist, sondern sich dreht. Der rotierende Flügel eines Drehflüglers kann als eine auftriebserzeugende Vorrichtung wie der Flügel eines Flugzeugs oder als eine schuberzeugende Vorrichtung wie der Propeller eines Kolbenmotors betrachtet werden.  

Hubschrauber-Flugachsen 

Hubschrauber haben wie Flugzeuge eine vertikale, seitliche und Längsachse, die durch den Schwerpunkt des Hubschraubers verläuft. Hubschrauber gieren um die Hochachse, neigen sich um die Querachse und drehen sich um die Längsachse. Alle drei Achsen schneiden sich im Schwerpunkt des Helikopters, und der Helikopter schwenkt um diesen Punkt. Beachten Sie in der Abbildung, dass die vertikale Achse fast durch die Mitte des Hauptrotors verläuft, da der Schwerpunkt des Hubschraubers sehr nahe an diesem Punkt liegen muss. 

Gewichtsverlagerungskontrolle, Flugzeugaerodynamik mit flexiblen Flügeln 

Ein Flugzeug mit Gewichtsverlagerungssteuerung und flexiblen Flügeln besteht aus einem stoffbespannten Flügel, der oft als Segel bezeichnet wird und an einer röhrenförmigen Struktur befestigt ist, die Räder, Sitze und einen Motor und Propeller aufweist. Die Flügelstruktur ist ebenfalls röhrenförmig, wobei die Stoffbespannung die Tragflächenform erzeugt. Die Form des Flügels variiert zwischen den verschiedenen Modellen von Flugzeugen mit Gewichtsverlagerungssteuerung, die hergestellt werden, aber ein deltaförmiger Flügel ist ein sehr beliebtes Design. Innerhalb der Flugzeuggemeinschaft mit Gewichtsverlagerungssteuerung werden diese Flugzeuge typischerweise als Trikes bezeichnet. 

Angetriebene Fallschirm-Aerodynamik 

Ein angetriebener Fallschirm hat einen Wagen, der dem Flugzeug mit Gewichtsverlagerungssteuerung sehr ähnlich ist. Sein Flügel hat jedoch keine Stützstruktur oder Starrheit und nimmt nur dann die Form eines Tragflügels an, wenn er durch den Luftstoß des Propellers und die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs aufgeblasen wird, mit dem ein angetriebener Fallschirm landet Der Flügel ist vollständig aufgeblasen und erhebt sich über das Flugzeug. 

Jeder farbige Abschnitt des aufgeblasenen Flügels besteht aus Zellen, die vorne offen sind, damit Luft eindringen kann, und hinten geschlossen sind, um die Luft im Inneren eingeschlossen zu halten. Zwischen allen Zellen befinden sich Löcher, die es der Luft ermöglichen, von einer Zelle zur nächsten zu strömen, um den Druck innerhalb des aufgeblasenen Flügels auszugleichen. 

Der Flügel ist mit einer großen Anzahl von Nylon- oder Kevlar-Leinen, die von den Spitzen des Flügels bis zur Mitte verlaufen, am Wagen des Flugzeugs befestigt. Das auf diese Leinen wirkende Gewicht des Flugzeugs und ihre individuellen Längen bewirken, dass der aufgeblasene Flügel seine Form annimmt. Die Leinen sind am Körper des Flugzeugs an einer Stelle befestigt, die sehr nahe an dem Ort liegt, an dem sich der Schwerpunkt befindet, und dieser Befestigungspunkt ist einstellbar, um Gleichgewichtsänderungen bei Insassen mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen.