Flugzeuge

Warum kann ein Flugzeug fliegen?

Ist es nicht faszinierend? Kein Auto kann fliegen, aber ein Jumbo-Jet, der so viel wiegt wie mehrere hundert Autos, erhebt sich scheinbar mühelos in die Lüfte! Wie geht so etwas? Wie kann ein Airbus mit seinen mehr als 500 Tonnen abheben und fliegen? Wie ist es überhaupt möglich, dass Flugzeuge fliegen können?

Ein Heißluftballon kann nach oben steigen, weil die warme Luft in ihm leichter ist als die kalte um ihn herum. Bei einem Flugzeug kommt ein solcher Effekt jedoch nicht zum Tragen. Was ist es also, dass den Flieger in der Luft hält? Seit es Menschen gibt, träumen sie davon zu fliegen, sich mit Leichtigkeit in die Lüfte erheben zu können wie die Vögel. Und an genau denen hat man sich orientiert, als man begann, die ersten Flugkonstruktionen zu ersinnen und zu bauen. Die entscheidenden Inspirationen fand der Mensch in der Natur. Dass Vögel so anmutig und akrobatisch durch die Luft segeln können, musste also etwas mit der Form ihrer Flügel zu tun haben. Bereits vor 500 Jahren hatte Leonardo da Vinci eine solche Ahnung. Allerdings sollte es danach noch etwa 400 Jahre dauern, bis der Flugpionier Otto Lilienthal erfolgreich mit dem ersten bemannten Flugapparat einen Hang hinunter schwebte.

Die Antwort auf die Frage, warum ein Flugzeug fliegen kann, finden wir also vor allem in der Form und im gekrümmten Profil der Tragflächen, die tatsächlich an die Flügel eines Vogels erinnern. Diese sind so geformt, dass die Luft auf der gewölbten oberen Seite um ein Vielfaches schneller strömt als auf der unteren Seite. Das bedeutet, dass über den Tragflächen ein sehr starker Sog nach oben entsteht, welcher als Auftrieb bezeichnet wird. Das heißt also: Das Flugzeug „liegt“ nicht auf der Luft unter ihm, sondern es „klebt“ vielmehr an der Luft über ihm. Voraussetzung dafür ist aber natürlich, dass der Flieger mit einer entsprechenden Geschwindigkeit unterwegs ist, damit dieser Auftrieb auch stark genug ist, um die Maschine in der Luft zu halten.

Die entscheidenden vier Kräfte

Es sind vier physikalische Kräfte, die auf ein Flugzeug einwirken, und diese sind:

• Schwerkraft
• Auftrieb
• Vortrieb und
• Widerstand

Die Schwerkraft zieht das Flugzeug nach unten, während der Auftrieb es in der Luft hält. Der Vortrieb treibt die Maschine vorwärts, während der Widerstand sie abbremst. Das bedeutet: Ist der Auftrieb stärker als die Schwerkraft, kann das Flugzeug abheben. Im Gegensatz zu Heißluftballons oder Zeppelinen, die schweben, weil sie leichter als Luft sind, kann ein Auftrieb bei einem Flugzeug erst dann entstehen, wenn die Luft so schnell um die Tragflächen strömt, dass immer mehr Auftrieb erzeugt wird. Dazu wiederum wird der Vortrieb benötigt, der von Düsentriebwerken oder Propellern geliefert wird. Ist der Flieger einmal in der Luft, muss ständig ein Vortrieb erzeugt werden, der stärker als der Widerstand ist.

Mit dem Wissen um das Zusammenwirken der vier Kräfte Schwerkraft, Auftrieb, Vortrieb und Widerstand haben Ingenieure seit Beginn der Herstellung von Flugzeugen diese immer weiter verbessert und perfektioniert.

Der Bernoulli-Effekt

Bereits im 18. Jahrhundert beschrieb der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli den später nach ihm benannten Effekt, der später zu einem entscheidenden Kriterium für das Fliegen wurde. Strömende Gase und Flüssigkeiten üben auf ihre Umgebung einen geringeren Druck aus als ruhende. Und je höher die Geschwindigkeit, mit der sie strömen, desto geringer ist der Druck.

Diesen Effekt kann jeder ganz einfach zu Hause ausprobieren: Wenn man ein Blatt Papier an den Ecken einer Seite festhält, dann hängt das Blatt in einem leichten Bogen herunter. Wenn man jedoch oben kräftig über den Papierstreifen bläst, ist die Luftgeschwindigkeit dort größer als unten, wo es keine Luftbewegung gibt. Dadurch wird der Druck an der oberen Seite des Blattes verringert, und der größere Druck an der unteren Seite drückt das Blatt nach oben.

Asymmetrie heißt das Zauberwort

Ein Blick auf die Tragfläche eines Flugzeugs verrät es: Der Querschnitt ist asymmetrisch. Während die Unterseite fast gerade ist, zeigt die Oberseite sich gewölbt. Auf der unteren Seite hat der Luftstrom einen kürzeren Weg als auf der oberen, und das bedeutet, das die Luft oben schneller strömt. Laut Bernoulli heißt das, oben ist der Druck geringer als unten, was einen Auftrieb entstehen lässt.

Aufgrund des Gewichts und der einwirkenden Kräfte verformt sich die Struktur jedes Flugzeugs. Als Reisender kann man dies beobachten, indem man beim Start die Spitzen der Tragflächen beobachtet. Diese heben und senken sich bis zu zwei Metern.

Eine Mindestgeschwindigkeit ist notwendig

Je nach Gewicht und tragender Fläche braucht ein Flugzeug eine Mindestgeschwindigkeit. Wird diese unterschritten, würde der Flügel nicht mehr glatt umflossen werden. Die Folge wäre ein Horrorszenario: Der Flieger würde nicht mehr genügend Auftrieb erhalten und wie ein Stein vom Himmel fallen.

In manchen Situationen werden die Strömungsverhältnisse aber auch absichtlich verändert. Dies ist zum Beispiel während der Landung der Fall, wenn das Flugzeug seine Geschwindigkeit nach und nach drosseln muss. Durch Ausfahren der Landeklappen wird die Wölbung des Flügels vergrößert, bei manchen Flugzeugtypen vergrößert sich durch diesen Vorgang ebenfalls die Fläche des Flügels.

Eine weitere Maßnahme zur Drosselung der Geschwindigkeit ist die Verlängerung der Flügel des Flugzeugs. Wer bei einer Landung schon einmal am Fenster gesessen hat, hat es garantiert schon einmal beobachtet – das hydraulische Ausfahren der Flügelverlängerung. Auch dies erhöht den Auftrieb und ermöglicht eine reduzierte Geschwindigkeit während der Landung.

Erst rechnen, dann abheben

Eine ganze Menge ist also zu beachten, wenn man ein Flugzeug bauen will. Die Konstruktion eines Flugzeuges erfolgt zunächst am Computer. Hier werden bei der sogenannten „numerischen Simulation“ die künftigen Eigenschaften der Maschine mit Hilfe eines computergestützten Verfahrens exakt berechnet. Anschließend werden zunächst Modelle des Flugzeugs hergestellt und in einem Windkanal getestet. So wird die am Computer entworfene Konstruktion geprüft. In Köln gibt es einen besonderen Windkanal, den European Transonic Windtunnel (Europäischer Überschal Windkanal). Hier werden Geschwindigkeiten von bis zu 1,3 Mach erreicht – das heißt natürlich nicht, dass das Modell so schnell fliegt, es wird vielmehr die Luftströmung auf ein solches Tempo beschleunigt.

Flugzeuge – wie geht es weiter?

Ein Flugzeug benötigt eine bestimmte Geschwindigkeit, um abzuheben und sich in der Luft zu halten, denn nur auf diese Weise kann der Auftrieb die Schwerkraft überwinden. Für diesen Schub werden starke Triebwerke eingesetzt. In der Flugzeugindustrie arbeitet man daran, dass diese Triebwerke in Zukunft sparsamer im Umgang mit Treibstoff werden. Ein weiteres Ziel ist, dass Triebwerke leiser arbeiten und weniger Abgase ausstoßen, um die Umwelt zu schonen. Und hierfür gibt es auch ganz konkrete Ziele: Bis zum Jahr 2050 soll der Ausstoß von Kohlendioxid im Vergleich zum Jahr 2000 um 75 Prozent, der von Stickoxid sogar um 90 Prozent gesenkt werden. Fluglärm, der am Boden wahrgenommen wird, soll um 65 Prozent sinken. Und auch wenn ein Flugzeug bereits seit langem als das sicherste Verkehrsmittel gilt, ist geplant, dass die Unfallrate um weitere 80 Prozent reduziert werden soll. Deshalb wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fleißig am Flugzeug von morgen geforscht.