Technik

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V 0.3.6

ALLGEMEINE LUFTFAHRZEUGKENNTNISSE

Prolog

Für fast alles in der Luftfahrt gibt es eine Ausnahme. Wenn Sie im folgenden Text Sätze lesen wie “das Flugzeug besteht aus … , einem Heckleitwerk, …”, so können Sie fast immer davon ausgehen, dass es auch ein Flugzeug ohne Heckleitwerk gibt. Es wurde in der Luftfahrt so viel experimentiert und dabei wurden so viele Wege beschritten, dass man vor fast alles ein “i. d. R.” setzen müsste. Doch lassen Sie sich davon nicht irritieren. Zunächst geht einfach um das Grundsätzliche – um die Dinge, die mit hoher Wahrscheinlichkeit im fliegerischen Leben auch vorkommen und notwendig sind. Die Ausnahmen werden wir zu gegebener Zeit an anderer Stelle behandeln.

Inhalt

Zelle

Aufbau der Zelle

Klassifizierung

Luftfahrzeuge werden anhand vieler unterschiedlicher Kriterien unterschieden und in Klassen eingeteilt. Da die Klassen immer ein bestimmtes Baumerkmal im Fokus haben, gibt es zwischen den Klassifizierungen Überschneidungen. Ein Luftfahrzeug fällt in jede dieser Klassen.

  1. Anzahl der Tragflächen
    Eindecker
    Eineinhalbdecker
    Doppeldecker
    Tripeldecker
  2. Anzahl der Motoren
    Einmotorig
    Zweimotorig
    Mehrmotorig
  3. Anordnung der Flügel
    Hochdecker
    Schulterdecker
    Mitteldecker
    Tiefdecker
  4. Art der Auftriebserzeugung
    Drehflügler
    Flächenflugzeug
  5. Bauweise
    Metallbauweise
    Holzbauweise
    Kunstsstoffbauweise
    Gemischtbauweise
  6. Verwendungszweck
    Reiseflugzeug
    Kunstflugzeug
    Verkehrsflugzeug
    Militärflugzeug
  7. Start- bzw. Landeart
    Landflugzeug
    Amphibienflugzeug
    Wasserflugzeug
  8. Bauausführung
    Verstrebt
    Freitragend
    Abgespannt

Bauweisen

Flugzeuge werden in unterschiedlichen Bauweisen gefertigt. Die historische Bauweise, die in Abwandlung heute auch im Ultraleichtflugzeugbau und in Bereichen des Sportflugzeugbaus noch eine Rolle spielt, ist die Holzbauweise. Hierbei wird das Flugzeug als Holzgerippe gefertigt, welches dann zumeist mit Stoff bespannt wird. Am weitesten verbreitet in der Luftfahrt ist die Metallbauweise. Verkehrsflugzeuge, Militärflugzeuge und Sportflugzeuge bzw. Flugzeuge aus dem Bereich der allgemeinen Luftfahrt werden in Metallbauweise hergestellt.

Bauweisen werden nicht nur nach den verwendeten Materialien eingeteilt, sondern auch nach der Konstruktionsart. Hat das Luftfahrzeug seine Stabilität durch eine Art Skelett, die nur mit Stoff bespannt wird, so spricht man eben von einer Gitter-Konstruktion oder von Fachwerkbauweise.

 
Holzbauweise  
Metallbauweise  
Kunststoffbauweise Schalenbauweise
Gemischtbauweise  
Gitter-Konstruktion Fachwerkbauweise

Bauteile

M_PPL-Bauteile eines Flugzeugs V3

Rumpf, Tragflügel, Leitwerk

Rumpf

Der Flugzeugrumpf dient dem Zweck Besatzung, Passagiere, Fracht und die für den Flug notwendigen Apparaturen aufzunehmen. An ihm sind die weiteren Bestandteile des Flugzeuges befestigt, deren Kräfte er aufnehmen muss. Bei einmotorigen Flugzeugen beherbergt er zumeist auch das Triebwerk.

Er wird in unterschiedlichen Bauweisen gefertigt. Man unterscheidet Schalenrumpf und Fachwerkrumpf. Der Fachwerkrumpf besteht aus einer Gitterstruktur, die für die notwendige Stabilität sorgt. Diese Gitterstruktur wiederum besteht aus Spanten und Pfetten bzw. Gurten. Sie wird mit Stoff bespannt oder mit einer Beplankung versehen. Die Pfetten bilden den waagrechten Teil der Struktur, die Spanten den senkrechten, an dem auch die Beplankung befestigt wird.

Der Schalenrumpf ist selbst tragend. Seine Außenhaut bildet ein torsionssteifes Rohr, das imstande ist die Belastungen zu tragen.

Auch der Rumpf erzeugt einen Teil des Gesamtauftriebes eines Flugzeugs.

Tragflügel bzw. Tragflächen

Den Tragflächen fällt die Aufgabe zu, den wesentlichen Teil des Auftriebs zu erzeugen, um das Flugzeug in die Lüfte zu erheben. Vom strukturellen Aufbau her ähneln sie dem Rumpf, auch sie bestehen entweder aus einer bespannten oder beplankten Gitterstruktur oder sind selbst tragend. An den Tragflächen befinden sich meist gleich mehrere Steuerflächen: Beispielsweise die Querruder, Landeklappen, in manchen Fällen auch Störklappen und Vorflügel, um nur einige zu nennen.

Flugzeuge werden unter anderem anhand der Anordnung der Tragflächen am Flugzeugrumpf klassifiziert. Bezüglich der Anordnung der Tragflächen am Rumpf existieren folgende Varianten und Bezeichnungen:

Hochdecker Schulterdecker
M_Hochdecker M_Schulterdecker
Mitteldecker Tiefdecker
M_Mitteldecker M_Tiefdecker

Leitwerk

Das Heck-Leitwerk besteht aus Höhenleitwerk und Seitenleitwerk. Diese wiederum setzen sich zusammen aus der Höhenflosse mit dem Höhenruder und der Seitenflosse mit dem  Seitenruder. Sie dienen dazu das Flugzeug um die Querachse (nicken) und um die Hochachse (gieren) zu steuern. Die beiden Leitwerke sind auch für die Stabilität des Flugzeuges verantwortlich. Das Seitenleitwerk sorgt für Kursstabilität, das Höhenleitwerk für Längsstabilität.

Normales Leitwerk
Normales Leitwerk
T-Leitwerk
T-Leitwerk
Seitenleitwerk Seitenflosse Seitenruder Hochachse Gieren Kursstabilität
Höhenleitwerk Höhenflosse Höhenruder Längsachse Nicken Längsstabilität

Höhen-, Quer- und Seitensteuerung

Um die Lage eines Flugzeugs in der Luft, die Fluglage, kontrollieren zu können, bedarf es einiger Hilfen. Zur Lage im Raum lässt sich zunächst feststellen, dass sie sinnvollerweise unter Zuhilfenahme der folgenden drei Achsen Beschrieben werden kann:

Querachse Die Querachse läuft waagrecht durch die Tragflächen des Flugzeugs. Flugzeug-Quer-Achse Hochachse

Die Hochachse läuft senkrecht durch den Rumpf und schneidet die Querachse dabei in der Mitte in einem Winkel von 90°.

Flugzeug-Hoch-Achse Längsachse

Die Längsachse des Flugzeugs erstreckt sich mittig durch den Rumpf und schneidet Quer- und Hochachse in deren Schnittpunkt wieder mit 90° zu den beiden anderen Achsen.

Flugzeug-Längs-Achse

Alle drei Achsen stehen also aufeinander senkrecht und treffen sich, grob gesagt, in der Mitte des Flugzeugs.

Flugzeug-Achsen

Um nun Bewegungen um die einzelnen Achsen steuern zu können, gibt es Steuerflächen am Flugzeug. Bewegungen um die Längsachse werden mit den Querrudern an den Tragflächen ausgelöst. Diese Bewegung wird als Rollen bezeichnet. Diese Steuerung wird durch hin- und herdrehen des Steuerhorns (gleich dem Lenkrad eines Autos) oder mit dem von links nach rechts Bewegen eines Steuerknüppels ausgeführt. Bewegungen um die Querachse des Flugzeuges werden mit dem Höhenruder gesteuert. Die Bewegung um die Querachse nennt man Nicken. Man steuert sie durch Herausziehen oder Hineindrücken des Steuerhorns beziehungsweise durch nach vorne Drücken oder nach hinten Ziehen eines Steuerknüppels. Bewegungen um die Hochachse des Flugzeuges werden mit dem Seitenruder ausgeführt. Die Bezeichnung für diese Bewegung ist das Nicken. Das Seitenruder wird hierfür durch wechselseitiges Treten in die Pedale bewegt.

In der Aerodynamik wird hierauf noch eingehend eingegangen.

Trimmanlage und Landeklappen/Vorflügel

Da man im Fluge nicht einfach nur geradeaus steuert, sondern auch längere Steig- und Sinkflüge zu absolvieren hat, ist es wichtig, dass man für die Steuerorgane eine Grundeinstellung vorgeben kann, um nicht andauernd eine Kraft auf sie ausüben zu müssen. Dazu kommt, dass auch die Schwerpunktlage des Flugzeuges eine Rolle spielt. Hat man Passagiere dabei, so werden die meisten Kleinflugzeuge schwanzlastiger, weil sich hinten im Flugzeug mehr Gewicht befindet. Das Flugzeug hätte also dauerhaft die Tendenz zu steigen. Wenn die Tanks ungleich ausgeflogen werden, so kann es auch zu einer Wanderung des Schwerpunktes auf eine Seite des Flugzeuges kommen, was auch dauerhaft nur mit Ruderkraft zu kompensieren wäre.

Throttle-Quadrant mit Trimmung, Cowlflaps und Vergaservorheizung
Throttle-Quadrant mit Trimmung, Cowlflaps und Vergaservorheizung

Aus diesen Gründen verfügen Flugzeuge über Einrichtungen zur Trimmung, die Trimmräder. Diese Trimmräder wirken jeweils um eine der drei Flugzeug-Achsen. In Kleinflugzeugen ist zumindest die Höhenrudertrimmung obligatorisch. Seltener zu finden, aber trotzdem durchaus gebräuchlich, sind die Querrudertrimmung und die Seitenrudertrimmung. Die Trimmräder sind in der Regel immer so konstruiert, dass man sie um die Achse dreht, um die man auch trimmt. Auf der Abbildung mit dem Throttle-Quadranten sind die Querrudertrimmung und die Seitenrudertrimmung deutlich zu sehen. Das große, waagrechte, geriffelte Rad ist für das Seitenruder. Es ist passend mit “nose left” und “nose right” beschriftet. Über dem Rad befindet sich die Anzeige für den Stand der Trimmung. Das kleinere Rad unten, mittig im Bild, ist die Querrudertrimmung. Ihr Stand kann in diesem Falle direkt durch die Stellung des Einstellrades erkannt werden.

Höhenrudertrimmung C172
Höhenrudertrimmung C172

Die Höhenrudertrimmung befindet sich meist unten in der Mitte des Instrumentenpanels und illustriert so bereits, dass um die Querachse getrimmt wird. Die Abbildung zeigt das Höhenruder-Trimmrad einer Cessna C172. Neben dem Trimmrad ist auch hier eine Anzeige für den Stand der Trimmung zu erkennen. Die Stellung für den Start ist markiert (senkrechte Schrift “Take Off” mit Pfeil). In manchen Flugzeugen kann die Höhenrudertrimmung elektrisch über einen Wippschalter, der meist auf der linken Seite des Steuerhornes angebracht ist, betätigt werden.

Höhenrudertrimmung Trimmung um die Querachse
Seitenrudertrimmung Trimmung um die Hochachse
Querrudertrimmung Trimmung um die Längsachse

Fahrwerk

Das Fahrwerk besteht bei Kleinflugzeugen aus dem Hauptfahrwerk und dem Bug- oder Heckrad. Zumeist wird heutzutage ein Bugrad bevorzugt. Das Fahrwerk dient den Bewegungen am Boden und dem Abfangen des Flugzeuges bei der Landung.  Das Hauptfahrwerk ist an oder unter den Tragflächen angeordnet.

Man unterscheidet noch ein starres Fahrwerk von einem Einziehfahrwerk. Letzteres kann in der Luft eingefahren werden und verschwindet ganz oder teilweise in der Struktur des Flugzeugs. Das Bug- oder Heckrad ist für die Lenkbewegungen am Boden steuerbar, die beiden Räder des Hauptfahrwerkes können gebremst werden. Da die Bremsen für jedes Rad einzeln betätigt werden, können sie auch unterstützend zum Lenken verwendet werden.

Bugrad, einschließlich Steuerung

Die Steuerung des Bugrades am Boden erfolgt über die beiden Pedale. Schiebt man die Pedale wechselseitig  an ihrem unteren Ende hin und her, so steuert man über Seilzüge nicht nur das Seitenruder des Leitwerkes, sondern auch direkt vorne das Bugrad an. In wenigen Fällen ist das Bugrad frei beweglich und läuft nur mit, wenn mit den Pedalen das Hauptfahrwerk gebremst wird. Es gibt auch Beispiele für andere Steuerungsarten (beispielsweise hydraulisch über einen Kippschalter), die aber kaum Praxisrelevanz haben.

Bereifung, Zustand der Reifen

Die Reifen eines Flugzeuges sind besonderen Belastungen ausgesetzt. Sie müssen hohe Rotationsgeschwindigkeiten erdulden und die Belastungen bei der Landung verkraften. Dabei müssen sie das mehrfache Gewicht des Flugzeugs aufnehmen und aushalten, aus dem Zustand der Ruhe in praktisch keiner Zeit auf die für der Landegeschwindigkeit des Flugzeugs entsprechenden Drehzahl beschleunigt zu werden.

Wie im Automobilbereich gibt es auch bei den Flugzeugen schlauchlose Reifen oder Reifen mit Schlauch. Bei modernen Flugzeugen hat sich die schlauchlose Variante durchgesetzt. Da beim schlauchlosen Reifen keine Reibung zwischen dem Schlauch und dem Mantel stattfindet, bleiben schlauchlose Reifen ca. 25% kühler als die mit Schlauch. Daneben sind schlauchlose Reifen auch ca. 7% leichter als ihre Verwandten mit Schlauch.

Bauteile

Die wesentlichen Bestandteile eines Reifens sind die Lauffläche, die Karkasse und die Wulst. Die Karkasse ist eine in Gummi vulkanisierte Gewebeschicht, die dem Reifen seine Stabilität gibt. Sie besteht aus mehreren Lagen Gewebe, die über Kreuz gelegt werden. Auf der Lauffläche befindet sich das Profil, das bei Flugzeugreifen nur aus Längsrillen besteht. Die Wulst besitzt einen Drahtkern, der ihr die notwendige Stabilität gibt, um den Reifen auf der Felge zu halten.

G_Reifenaufbau

Luftdruck

Von besonderem Interesse ist der Druck, der für die Reifen angegeben ist. Ist der Luftdruck nicht korrekt, so kann zum einen der Reifen durch erhöhte Walkarbeit Schaden nehmen, zum anderen ändert sich die Reibung am Boden, was wiederum die Startstrecke oder den Bremsweg beeinflussen kann. Da der Druck im Reifen auch von der Außentemperatur abhängig ist, sollte auch ein Augenmerk hierauf liegen. Der Luftdruck erhöht sich ca. alle +3°C um 1%.

Rutschmarkierung

Flugzeugreifen verfügen über eine Rutschmarkierung. Sie ist einfach ein Farbstrich, der radial über Reifen und Felge gezogen wird. Dieser Strich  markiert den korrekten Sitz des Reifens auf der Felge. Stimmt die Rutschmarkierung auf der Felge nicht mit dem Strich auf dem Reifen überein, so ist der Reifen auf der Felge verrutscht und kann nicht mehr als zuverlässig angesehen werden.

Abnutzung

Flugzeugreifen werden zur Aufnahme der hohen Kräfte, die bei schneller Rotation entstehen, häufig mit einem Verstärkungsgewebe, der Laufflächenverstärkung, versetzt. Dieses Gewebe kann bei Abnutzung des Reifens sichtbar werden, ohne dass es notwendig ist, den Reifen zu wechseln. Ob es im konkreten Fall dann auch so ist, muss über den Reifenhersteller in Erfahrung gebracht werden.

Bremsanlagen und Besonderheiten bei der Benutzung

Die Bremsen eines Flugzeugs wirken nur auf die Räder des Hauptfahrwerkes. Dabei werden die Räder unabhängig voneinander gebremst, jeweils ein Rad mit dem entsprechenden Pedal. Gerade bei einer starken Bremsung erfordert es also etwas Übung, beide Seiten gleichmäßig zu bremsen und damit das Flugzeug gerade zu halten. Die Möglichkeit des einseitigen Bremsens kann auch für das Rollen genutzt werden. Im Extremfall kann erreicht werden, dass man sich um eines der beiden Hauptfahrwerksbeine fast auf der Stelle dreht. Betätigt wird die Bremse durch Treten auf das obere Ende des jeweiligen Pedals.

Nach der Landung sollten die Bremsen erst eingesetzt werden, wenn das Bugrad bereits am Boden ist. Bei Flugzeugen mit Einziehfahrwerk werden sie nach dem Start benutzt um die Drehung der Räder zu stoppen, bevor das Fahrwerk eingefahren wird. Einerseits verdreckt bei Nässe sonst der Kasten, in den das Rad eingefahren wird, andererseits kann die Mechanik aufgrund der Präzession, die einsetzt sobald die schnell rotierenden Reifen einklappt werden (sie entsteht, weil die Drehachse geneigt wird), beschädigt oder zumindest unnötig belastet werden.

Die Übertragung der Kraft vom Pedal zu den Bremsen erfolgt meistens mittels Hydraulik, in manchen Fällen auch pneumatisch, mechanisch über ein Gestänge oder über Bowdenzüge.

Es existieren zwei Arten von Bremsen: Die Betriebsbremse und die Parkbremse. Die Parkbremse dient nur – gleich einer Handbremse beim Auto – dazu, das Flugzeug am Rollen zu hindern und es somit zu fixieren. Einige Parkbremsen bauen bei ihrer Betätigung selbst Bremskraft auf, andere arretieren nur über ein Ventil den Bremsdruck der Hydraulik. Bei diesen Parkbremsen muss mit den Pedalen die Bremse betätigt werden und dann durch den Einsatz der Parkbremse dieser Druck im System festgehalten werden. Die Betriebsbremse dient dazu, ein rollendes Flugzeug zum Stillstand zu bringen.

Die eigentliche Bremswirkung wird durch Reibung erzielt. Vereinzelt existieren Luftfahrzeuge mit Trommelbremsenin der Regel kommen aber Scheibenbremsen zum Einsatz. Im Bereich des Segelfluges sind auch noch archaischere Bremsen im Einsatz, beispielsweise welche, bei denen die Räder selbst direkt durch einen Stempel gebremst werden.

Systeme für Einziehfahrwerke

Für die Funktion der Einziehfahrwerke gibt es mehrere technische Lösungen:

  • mechanisches Einziehfahrwerk
  • elektrisches Einziehfahrwerk
  • hydraulisches Einziehfahrwerk

Das mechanische Fahrwerk wird durch einen Hebel betätigt, dessen Bewegung direkt auf das Fahrwerk übertragen wird. Beim elektrischen Fahrwerk wird ein Elektromotor genutzt um mit einem Schneckengetriebe das Fahrwerk ein- oder auszufahren. Beim hydraulischen Fahrwerk wird das Fahrwerk durch den Druck der Hydraulik mit Hydraulikzylindern/Actuators in die eingefahrene Position gebracht. Es ist wichtig, sich mit einem vorhandenen Einziehfahrwerk eingehend zu beschäftigen, denn die unterschiedlichen Arten von Einziehfahrwerken werden mit signifikant unterschiedlichen Verfahren notausgefahren, wenn der normale Ausfahrmechanismus seinen Dienst versagt.

Auch der restliche Umgang mit dem Einziehfahrwerk kann von Flugzeug zu Flugzeug stark divergieren. Es gibt unterschiedliche Anzeigen, Warnleuchten und akustische Signale. Viele Einziehfahrwerke warnen, wenn man die Leistung unter ein bestimmtes Maß reduziert (was normal nur im Landeanflug der Fall ist), manche davon fahren das Fahrwerk dann sogar automatisch aus.

Belastungen der Zelle

Statische Festigkeit

Naturgemäß wirken auf ein Flugzeug eine Unzahl an Lasten. Dies beginnt schon, wenn es nur am Boden steht und kompliziert sich weiter beim Rollen und wird nach dem Abheben noch einmal mehr und komplexer. Da die Zelle all diesen Belastungen stand halten muss und es grundsätzlich möglich ist, ein Flugzeug durch falsche Bedienung zu überlasten, ist es wichtig, diese Lasten zu kennen.

Arten von Lasten

Folgende Belastungsarten werden unterschieden:

1. Druckbelastung

M_Druck

Druckbelastungen treten beispielsweise bei der Landung auf: Das Fahrwerk muss beim Aufsetzen eine Druckbelastung aufnehmen. Auch die Bewegung des Flugzeuges durch die Luft führt zu einer Druckbelastung aller vorwärts gerichteten Bauteile entgegen der Bewegungsrichtung.

2. Zugbelastung M_Zug

Eine Zugbelastung gibt der Propeller auf seine Welle, indem er daran zieht. Der Unterdruck über der Tragfläche des fliegenden Flugzeugs (-> Aerodynamikführt zu einer Zugbelastung der Oberfläche der Tragfläche und damit der ganzen Tragfläche selbst.

3. Scherbelastung M_Scherung

Eine Scherbelastung erfahren Schrauben und Nieten. Vor allem dann, wenn zwei flächige Objekte damit zusammengehalten werden wie beispielsweise bei den Nieten, die die Bleche der Außenhaut zusammenhalten.

4. Torsions- oder Verwindungsbelastung M_Torsion

Eine Torsionsbelastung wirkt auf eine Tragfläche beim Betätigen der Landeklappen oder der an der Tragfläche befestigten Ruder.

In der Realität treten die Belastungen nicht isoliert auf. Auch in den oben angeführten Beispielen ist die beschriebene Belastung immer nur die stärkste aus einem Potpourri von Belastungen. Der Propeller mutet seiner Welle auch eine Torsionsbelastung zu, wird etwas zusammengenietet, so entsteht auch immer Zugbelastung: Da eine Niete die beiden Bleche zusammenpresst ist sie immer auch einer Zugbelastung ausgesetzt.

 Sicherheitsfaktor

Belastet man eine Struktur bis zur maximal zulässigen Last, nimmt sie davon keinen Schaden. Mit Schaden ist hier gemeint, dass sie keine Deformierung erleidet, die irreversibel ist und vor allem keine, die für die Festigkeit von Bedeutung wäre. Das Bauteil verliert seine Eigenschaften hierdurch nicht. Belastet man die Struktur darüber hinaus, so beschädigt man sie nachhaltig. Die Struktur erleidet dann etwa eine Biegung, die nicht mehr zurück geht, knickt ein oder bricht sogar. Die Last, bei der das stattfindet, wird als Bruchlast bezeichnet. Luftfahrzeuge werden so gebaut, dass sie bestimmte Lasten aushalten können. Da man in der Praxis aber weder mit absoluter Sicherheit voraussagen kann, ob eine Konstruktion auch die ihr zugedachte Last aushalten wird (das geht mit sehr, sehr hoher Wahrscheinlichkeit, aber nicht mit absoluter Sicherheit) noch, ob sie im Betrieb nie überschritten werden wird, bedient man sich eines Sicherheitsfaktors. Das heißt, die Konstruktion wird für eine bestimmte Belastung ausgelegt, dann aber für eine um diesen Sicherheitsfaktor höhere Belastung gebaut. Welcher Sicherheitsfaktor in der Luftfahrt zur Anwendung kommt, hängt von der Art des Luftfahrzeuges beziehungsweise von dessen Zweck ab. Da jedem Kilo Gewicht, das man in die Luft befördern will, auch Leistung und damit Verbrauch und Kosten entgegen stehen, muss eine Balance zwischen der notwendigen Sicherheit auf der einen Seite und der Wirtschaftlichkeit  (letztlich auch der Machbarkeit) auf der anderen Seite gefunden werden.

 Verriegelung der Steuerorgane

Solange ein Flugzeug am Boden steht und nicht hangariert ist, ist es den Einflüssen des Wetters, insbesondere des Windes ausgesetzt. Um zu verhindern, dass Steuerflächen, die daran angeschlossene Mechanik oder sogar Dinge im Cockpit Schaden nehmen, ist es nötig die Steuerflächen zu blockieren. Der Wind könnte sonst entweder durch fortwährende Bewegungen hin und her oder durch starke Krafteinwirkung für Beschädigungen in Lagern oder in der Mechanik sorgen. Aus diesem Grunde ist bei vielen Flugzeugen ein sogenannter Ruderlock vorgesehen. Er kann meist durch ein Loch in der Lenkstange und einer Manschette, an der Stelle, an der die Lenkstange aus dem Instrumentenbrett austritt, gesteckt werden. Ist bei einem Flugzeug hier bauseitig keine Vorrichtung vorgesehen, so kann das Steuerhorn oder der Steuerknüppel mit den Sitzgurten fixiert werden. Das Seitenruder braucht nicht fixiert zu werden. Es ist mit dem Bugrad gekoppelt, dessen Reibung am Boden in aller Regel hoch genug ist um ein Flattern oder dergleichen zu verhindern.

Der Ruderlock ist vor Inbetriebnahme des Flugzeugs dann wieder zu entfernen. Die Checklisten müssen so beschaffen sein, dass es nicht möglich ist den Ruderlock zu vergessen.

Vorsichtsmaßnahmen am Boden und während des Fluges

Triebwerk

Sportflugzeuge und kleinere Reiseflugzeuge werden in der Regel von einem Kolbentriebwerk angetrieben. Kolbentriebwerke gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, die nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Obwohl auch zunehmend Diesel-Motoren zum Einsatz kommen, ist immer noch der Viertakt-Ottomotor das am häufigsten verbaute Triebwerk.

Dieses Triebwerk setzt über eine Welle den Propeller in Bewegung. Viele dieser Flugzeuge haben einen Verstellpropeller mit konstanter Drehzahl, der bei jeder Fluggeschwindigkeit optimale Leistung garantiert. Kolbenmotoren gibt es in vielen Bauformen und gerade in der Luftfahrt wurden auch sehr viele davon verbaut. Die Bauformen werden anhand der Anordnung der Zylinder benannt. Am häufigsten werden in Kleinflugzeugen Boxermotoren eingesetzt.

Sternmotor Boxer-Motor
M_Sternmotor M_Boxer-Motor
V-Motor (hängend) Reihenmotor
M_V-Motor M_Reihenmotor

Motoren – Allgemeines

Grundlagen des 4-Takt-Verbrennungsmotors

Der 4-Takt-Motor bezieht seinen Namen aus der Tatsache, dass er seine Arbeit in vier Takten verrichtet: Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstoßen. Im dritten Arbeitsschritt, dem Zünden, liegt der wesentliche Unterschied zwischen dem Otto- und dem Diesel-Motor. Bei ersterem wird das Gemisch mit dem Funken einer Zündkerze gezündet, bei zweiterem geschieht die Zündung durch die hohe Kompression und der damit einhergehenden Zunahme der Temperatur ohne dass ein Funke notwendig wäre. Da Dieselmotoren in der Luftfahrt derzeit nicht sehr verbreitet sind, soll hier nur der Otto-Motor behandelt werden:

Im Zylinder eines Otto-Motors finden nacheinander also folgende Vorgänge statt:

Im ersten Takt wird das Gasgemisch aus Luft und Benzin in den Zylinder gesaugt. Das Einlassventil wird während dieses Zyklus geöffnet. Im zweiten Takt wird das Ventil wieder geschlossen und das eingesaugte Gemisch verdichtet. Durch die Verdichtung nimmt bereits die Temperatur zu. Beim dritten Takt wird das Benzin-/Luftgemisch mittels eines Funkens der Zündkerze gezündet. Dieser Takt ist der, der die nutzbare Energie erzeugt, er wird als Arbeitstakt bezeichnet. Im vierten Takt wird das Auslassventil geöffnet und das verbrannte Gemisch nach draußen befördert.

1. Takt: Das Gasgemisch aus Luft und Benzin wird in den Zylinder gesaugt. 2. Takt: Das eingesaugte Gemisch wird verdichtet.
4-Takt-Ottomotor-Takt1 4-Takt-Ottomotor-Takt2
3. Takt: Das Gemisch wird gezündet. 4. Takt: Das verbrannte Gemisch wird nach draussen befördert.
4-Takt-Ottomotor-Takt3 4-Takt-Ottomotor-Takt4

Durch das Hintereinanderschalten mehrerer Zylinder, multipliziert sich die Leistung und es wird ein ruhigerer Motorlauf erreicht. Beim Vierzylindermotor befindet sich beispielsweise immer ein Zylinder im eigentlichen Arbeitstakt.

Da all diese Prozesse bedingen, dass bereits Bewegung im System ist, muss der Motor mit einem Anlasser in Gang gesetzt werden. Anders wäre er nicht startfähig.

Grundlegender Aufbau des 4-Takt-Verbrennungsmotors

Als zentralstes Bauteil eines Motors darf wohl der Zylinder gelten. In ihn wird das Benzin-Luft-Gemisch eingebracht und dort gezündet. Der dabei entstehende Druck wird auf den Kolben abgegeben, der mittels Pleuel die Kraft der Explosion an die Kurbelwelle abgibt. Die Kurbelwelle setzt die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um und leitet diese über ein Getriebe an den Propeller weiter. An der Kurbelwelle angeschlossen sind die Nockenwellen, die für die Steuerung der Ein- und Auslass-Ventile verantwortlich ist. Dies geschieht in einem Übersetzungsverhältnis von 1:2, die Nockenwellen laufen also halb so schnell, wie die Kurbelwelle.

Der Punkt, an dem der Kolben (siehe Abbildung) oben ist und seine Bewegungsrichtung ändert heißt oberer Totpunkt. Der Punkt an dem er unten seine Bewegungsrichtung ändert, heißt unterer Totpunkt. Das Volumen im Zylinder, das sich durch die Abstände der beiden Totpunkte ergibt, wird als Hubraum bezeichnet.

Ursachen für Frühzündung und Klopfen

Um das Klopfen verstehen zu können, muss man sich bewusst machen, dass eine Explosion ein Vorgang ist, der sich von einem Punkt aus im Raum ausbreitet. Üblicherweise ist dieser Punkt der, an dem der Zündfunke erzeugt wird. Von diesem Punkt aus verbrennt das Gemisch explosionsartig aber radial quer durch den Zylinder. Die kugelartige, sich ausbreitende Oberfläche der Explosion wird als Flammfront bezeichnet. Sie breitet sich mit der Flammgeschwindigkeit aus.

In einem Otto-Motor wird das Benzin-/Luftgemisch immer durch einen Zündfunken zur Explosion gebracht. Der Zündfunke ist notwendig, weil das Gasgemisch nicht so weit komprimiert wird, dass es davon schon die notwendige Temperatur zur Zündung erreicht. Das ist auch der wesentliche Unterschied zum Dieselmotor. Der klassische Dieselmotor bringt sein Gemisch durch Kompression zur Zündung. Wird ein Otto-Motor zu heiß, so kann es passieren, dass das Gasgemisch doch schon zündet, bevor der Funke dafür sorgt. Auch diese Explosion nimmt irgendwo im Zylinder ihren Anfang und breitet ihre Flammfront in alle Richtungen aus. Wird nun noch der Zündfunke abgegeben, so finden also mehrere Explosionen gleichzeitig im Zylinder statt, deren Flammfronten sich begegnen. Dieser Effekt wird als Klopfen bezeichnet. Da sich der Kolben zu diesem Zeitpunkt noch auf dem Weg nach oben (bezogen auf die Abbildungen) befindet, bekommt er die Energie der Explosion ab, bevor er dafür in der richtigen Stellung ist. Zumindest ein Teil der Energie geht also gegen die eigentliche Arbeitsrichtung, was zu schweren Motorschäden führen kann.

Um dem Klopfen durch Überhitzung der Maschine vorzubeugen ist es wichtig, die Temperatur des Motors im Auge zu behalten. Insbesondere im Steigflug ist die Gefahr gegeben, da bei sehr hoher Leistung nur wenig Fahrtwind zur Kühlung zur Verfügung steht. Ist das Flugzeug mit Anzeigen zur Zylinderkopftemperatur ausgerüstet, so kann das leicht überwacht und berücksichtigt werden. Wenn nicht, bleibt noch die Öltemperatur zu überwachen. Neben seiner schmierenden Eigenschaften dient das Öl auch zu Kühlung des Motors. Steigt die Öltemperatur, so wird der ganze Motor heißer. Da von der Flugzeugnase aus betrachtet der erste Zylinder, weil er direkt dem Fahrtwind ausgesetzt ist, am besten gekühlt wird und die Kühlung nach hinten abnimmt, ist meist der letzte Zylinder der kritischste. Verfügt man über eine Anzeige zur Zylinderkopftemperatur, ist es also durchaus interessant, welcher Zylinder als Referenz dient. Bei modernen Geräten werden die Temperaturen aller Zylinder grafisch dargestellt.

Eine andere Ursache für das Klopfen kann auch die Verwendung von falschem Kraftstoff sein. Beim Kraftstoff wird eine Oktanzahl angegeben (üblich ist Avgas 100LL mit einer Oktanzahl von 100 und aus dem Bereich der Automobile bekannt sind die Spritarten Super Plus mit einer Oktanzahl von 98 oder Super, mit einer Oktanzahl von 95), die mit der Klopffestigkeit des Kraftstoffes korrespondiert. Da ein Motor für eine bestimmte Kompression ausgelegt ist, ist es wichtig Kraftstoff zu verwenden, der bei dieser Kompression nicht schon selbst zündet. Dies kann der Fall sein, wenn Kraftstoff mit zu niedriger Oktanzahl verwendet wird.

 Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Drehzahl (U/min)

Motorkühlung

In einem Kolbenmotor wird, je nach Technologie, das Gemisch so weit komprimiert, dass es Temeraturen von ca. 600° Celsius (Ottomotor) bis ca. 900° Celsius (Dieselmotor) erreicht. Die Verbrennung selbst findet dann bei ca. 2000° Celsius statt. Da also fortwährend sehr hohe Temperaturen im Spiel sind. müssen diese abgeleitet werden, um den Motor vor Überhitzung und damit vor Materialschäden zu bewahren. Um die benötigte Motorkühlung zu erreichen werden unterschiedliche Techniken angewandt. Zum einen nutzt man Kühlung von innen durch das Motoröl und durch die Art des Gemischs, auf das weiter unten im Skript noch eingegangen wird, und zum anderem durch die bauliche Gestaltung des Motors und damit die Kühlung von aussen.

Luftkühlung

Anders als bei den meisten Kraftfahrzeugen heutzutage (von Motorrädern einmal abgesehen), werden Flugmotoren meistens durch den Fahrtwind auf ihrer Betriebstemperatur gehalten. Der Hauptgrund hierfür ist, dass eine Wasserkühlung einen deutlichen Gewichtszuwachs bedeutet.

Gestaltung der Verkleidung und Zylinderleitbleche

Für die Kühlung des Motors durch den Fahrtwind ist eine große Oberfläche notwendig. Diese Oberfläche wird erreicht, indem die Zylinder des Motors mit Kühlblechen/Kühlrippen versehen werden, die direkt dem Fahrtwind ausgesetzt sind. Durch große, frontale Öffnungen an der Cowling gelangt der Fahrtwind ins Innere. Durch Zylinderleitbleche wird der Luftstrom so kanalisiert, dass die Kühlung überall möglichst optimal gewährleistet ist und dass gerade die heißen Stellen gut angeströmt werden. Trotzdem kann beobachtet werden, dass die dem Fahrtwind abgewandten Zylinder heißer werden als die, die direkt angeblasen werden.

Da der Luftwiderstand für die Performance eines Flugzeuges eine große Rolle spielt, ist man bestrebt die Stirnfläche von Flugmotoren möglichst gering zu halten. Sternmotoren haben unter diesem Aspekt betrachtet die ungünstigste Form, da sie eine sehr große Stirnfläche haben, werden sie oft speziell verkleidet, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Für die Kühlung erweist sich das als vorteilshaft: Alle Zylinder sind direkt dem Fahrtwind ausgesetzt.

Im Stand bei laufendem Motor sorgt der Luftstrom des Propellers für die Kühlung.

Beim Außencheck sollten die Öffnungen in der Cowling kontrolliert werden. Nach längerer Standzeit, vor allem im Frühjahr, kann es sich auch lohnen einmal hineinzugreifen und den Motor abzutasten.

 

DCF 1.0 MooneyMotorMitNest
Die frontalen Öffnungen für den Fahrtwind prägen das Erscheinungsbild vieler Flugzeuge. In der rechten Öffnung (von vorne betrachtet) ist der Luftfilter zu sehen über den der Motor Luft ansaugt. Diese Abbildung zeigt den Motor einer Mooney TLS bravo.Die Kühlrippen der Zylinder sind deutlich zu sehen.Wozu sie dienen können auch. Es ist ohne weiteres möglich, dass es hier durch eine Entzündung des Vogelnests zu einem Brand kommen kann.

Gestaltung und Handhabung der Kühlklappen

Um dem Effekt, dass im Steigflug bei hoher Leistung nur wenig Fahrtwind zur Kühlung zu Verfügung steht, Rechnung zu tragen, werden bei manchen Luftfahrzeugen sogenannte Kühlklappen (Cowlflaps) eingebaut. Die Cowlflaps sitzen normalerweise an der Triebwerksunterseite in Nachbarschaft zu den Auspuffrohren und beeinflussen hier den Luftdurchsatz durch das innere der Motorgondel. Geöffnete Cowlflaps sorgen für einen hohen Luftdurchsatz, weshalb sie beim Start und Steigflügen unter hoher Leistung geöffnet werden und ansonsten geschlossen bleiben.

CrashMooneyCowlFlaps Die Cowlflaps sind auf diesem Bild gut zu erkennen. Leider büßten sie bei einer Landung mit eingefahrenem Fahrwerk etwas von ihrer Eleganz ein.

Zylinderkopftemperaturanzeige

Motorschmierung

Fast alles, was im Inneren eines Motors stattfindet hat mit Reibung zu tun. Die Kolben reiben an den Zylinderwänden, Kurbelwelle und die Nockenwellen in ihren Lagern und die Ventile in ihren Sitzen.

Aufgaben und Arten der Schmierung

Um keinen Abrieb und damit einen Materialschaden zu bekommen und wenig Reibungsverluste und damit auch wenig durch Reibung hervorgerufene Erwärmung zu haben, muss folglich Schmierung stattfinden. Zu diesem Zweck benötigt ein Motor ein Schmiersystem.

Schmierstoffsysteme

Für Kolbentriebwerke existieren mehrere Arten von Schmierstoffsystemen. Gebräuchlich sind die Frischöl-Schmierung, die Druckumlauf- oder Nasssumpf-Schmierung und die Trockensumpf-Schmierung. Die Frischölschmierung kommt in Zweitatkmotoren zum Einsatz, die Trockensumpfschmierung, wenn der Motor für extremen Kunstflug ausgelegt wird oder wenn es sich um einen Sternmotor handelt. Üblich ist die Nasssumpfschmierung. Hierbei wird das Öl, nachdem es zu den Schmierstellen im Motor gepumpt wurde, in der Ölwanne wieder gesammelt und von dort wieder in den Kreislauf gepumpt. Da dieser Vorgang von der Schwerkraft und deshalb von der Fluglage anhängig ist, werden Kunstflugversionen dieser Motoren so konstruiert, dass sie das Öl auch im Kurbelgehäuse ansaugen können, das unten liegt, wenn sie auf den Kopf gestellt werden.

Dem Schmierstoffsystem eines Motors kommen auch noch andere Aufgaben zu als das reine Reduzieren von Reibung. Über das Öl des Schmierstoffsystems wird ein großer Teil der Wärme über einen Ölkühler abgeleitet. Dazu dient das Öl auch der Abdichtung und dem Korrosionsschutz. Weiter bindet es kleine Partikel, die sich sonst irgendwo sammeln und Ablagerungen bilden könnten, die dann im Ölfilter abgeschieden oder auch mit dem Ölwechsel aus dem Kreislauf genommen werden.

Ölverteilungsverfahren

Eine Ölpumpe sorgt im Ölkreislauf für den Druck, der notwendig ist, um die Schmierung des Motors sicherzustellen. Sinkt dieser Druck ab, etwa durch Versagen der Pumpe oder durch zu wenig Öl im System, so kann die Schmierung nicht mehr gewährleistet werden.

Anforderungen an Ölpumpe und Ölfilter

Ölsorten und -qualitäten

Ein wichtiges Merkmal für Motoröl ist dessen Viskosität. Sie ist ein Maß für die Zähigkeit bzw. Fließfähigkeit des Öls. Zur Vermeidung von Widerstand (was zu Leistungseinbußen und hohem Spritverbrauch führt) möchte man erreichen, dass das Öl möglichst dünnflüssig ist. Wird es aber zu dünnflüssig, so kann der Schmierfilm abreißen wodurch es zu Reibung von Metall an Metall kommt. Das kann bedeuten, dass sich Lager fressen oder dass ein Kolben Spuren im Zylinder hinterlässt und es infolgedessen zu einem Kolbenfresser kommt. Der Schmierfilm muss auch eine ausreichend große Druckfestigkeit haben um beispielsweise auch ineinandergreifende Zahnräder noch ausreichend vor Abrieb zu schützen. Da die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Viskosität des Öls hat, werden hier besondere Anforderungen gestellt. Der Schmierfilm muss beim Anlassen eines kalten Triebwerkes genau so vorhanden sein, wie im Steigflug bei hoher Temperatur und maximaler Leistung. Dabei  muss auch betrachtet werden, in welchen Klimatischen Bedingungen ein Luftfahrzeug betrieben wird. Es spielt eine entscheidende Rolle, wie kalt das Triebwerk ist, wenn es in Betrieb gesetzt wird. Ideal wäre ein Öl, das über den gesamten Temperaturbereich die gleiche Viskosität hat. Es gibt mehrere Sorten von Ölen, die als Motoröle zum Einsatz kommen. Grundsätzlich werden sie unterschieden in Mineralöle und Synthetische Öle. Synthetische Öle nehmen seit einigen Jahren an Verbreitung zu. Bei den Mineralischen Ölen unterscheidet man zwischen legierten und unlegierten Ölen. Legierte Öle sind Mineralöle, denen ein Additiv zugemischt wurde. Unlegierte Mineralöle kommen in der Praxis nicht mehr vor.

Überwachung von Öltemperatur und Öldruck

Um im Flug eine Aussage darüber treffen zu können, ob es dem Motor gut geht, stehen neben anderen Instrumenten (siehe 2.2.4 Zylinderkopftemperatur) meist Anzeigen für die Öltemperatur und den Öldruck zur Verfügung. Sie sollten im Fluge unbedingt regelmäßig kontrolliert werden. Die zulässigen Bereiche sind dem jeweiligen Flughandbuch zu entnehmen und in Form von farbigen Markierungen oft auch direkt am Instrument abzulesen.

Öldruck und Öltemperatur
Öldruck und Öltemperatur

Anzeige von Öldruck und Öltemperatur einer zweimotorigen Maschine. Die zulässigen Bereiche sind deutlich markiert.

Öldruck: Die roten Markierungen definieren den unzulässigen Bereich, die gelbe Markierung bedeutet, dass man mit dem Flughandbuch in medias res gehen sollte, dauerhaft sollte die Anzeige hier nicht verharren, eventuell bei niedrigen Drehzahlen. Bei sehr kaltem Motor zeigt die Anzeige zunächst hohen Druck, der sich dann mit zunehmender Erwärmung etwas senkt, wenn das Öl mit zunehmender Temperatur dünnflüssiger wird.

Öltemperatur: Im grünen Bereich ist alles in Ordnung, wobei bei der Öltemperaturanzeige auch erwartet werden kann, dass der Motor sich irgendwann im warmen Bereich, also in etwa bei der 180°F Markierung einfindet. Wäre die Temperaturanzeige dauerhaft im kühlen Bereich, sollte das hinterfragt werden, auch wenn die Markierung grün ist.

Ölkühlungsverfahren

Im Ölkreislauf befindet sich ein Ölkühler, der so verbaut wird, dass er dem Fahrtwind oder dem Propellerluftstrom ausgesetzt ist. Das Motoröl zirkuliert durch diesen Kühler, sobald es eine Temperatur von ca. 65°C erreicht. Bei niedrigeren Temperaturen wird es über ein Bypass-Ventil am Ölkühler vorbei befördert. Ab den 65°C schließt sich das Bypass-Ventil kontinuierlich, um dann bei einer Temperatur von ca. 85°C den gesamten Ölkreislauf durch den Ölkühler zu pumpen. Da kaltes Öl sehr zäh ist kann so auch verhindert werden, dass der Ölkühler platzt.

Fehlererkennung im Schmierstoffsystem

Zündanlagen

Die Zündanlagen von Flugmotoren weisen spezielle Merkmale auf, die den gehobenen Sicherheitsansprüchen in der Luftfahrt gerecht werden. So ist beispielsweise das Zündsystem unabhängig vom sonstigen elektrischen System des Flugzeuges. Um die Ausfallsicherheit weiter zu erhöhen, hat jeder Zylinder nicht nur eine, sondern zwei Zündkerzen.
Die Unabhängigkeit des Zündsystemes in Bezug auf die Bordelektrik wird durch die Magnetzündung erreicht.

Grundlagen der Magnetzündung

Bei der Magnetzündung reicht es die “Zündeinheit”, die insgesamt als Zündmagnet bezeichnet wird, mechanisch zu bewegen, um die für den Zündfunken notwendige Spannung zu erzeugen. Das restliche elektrische Bordsystem mit Batterie und Generator ist hierfür nicht notwendig.

Aufbau und Arbeitsweise

Um einen Zündfunken mittels einer Zündkerze zu erzeugen, ist eine Spannung von ca. 20.000V notwendig. Diese Spannung muss vom Zündmagneten kurzzeitig erzeugt werden. Um das zu erreichen, wird folgender Aufbau gewählt:

Um einen rotierenden Dauermagneten, den Läufer, wird ein Anker gebaut. Auf diesem Anker sitzen zwei Wicklungen aus Draht. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung. Die Primärwicklung hat nur wenige Windungen um den Anker, die Sekundärwicklung viele.

Durch die Rotation des Läufers wird ein Magnetfluss im Anker erzeugt. Dieser wiederum induziert eine Wechselspannung in den Wicklungen. Der im geschlossenen Primärstromkreis fließende Strom erzeugt seinerseits wieder ein magnetisches Feld im Anker. Der erzeugte Magnetfluss und der elektrische Fluss unterliegen entlang der Zeitachse betrachtet einer Sinusschwingung. Trennt man den Primärstromkreis im Augenblick hoher Spannung, so wird durch die resultierende Änderung des Magnetfeldes im Anker kurzzeitig eine sehr hohe Spannung in der Sekundärwicklung erzeugt, die über den Verteiler an eine Zündkerze weitergegeben wird. Die Trennung des Primärstromkreises erfolgt mit dem Unterbrecherkontakt.
Um einen Verschleiß des Unterbrecherkontaktes zu vermeiden, darf bei der Trennung des Kontaktes kein Funke entstehen. Da bei einer gegebenen Spannung hierfür der Abstand der Kontakte entscheidend ist (je größer der Abstand, desto größer ist die Spannung, die notwendig ist, dass ein Funke entsteht), bringt man die Kontakte aus der Gefahrenzone, indem man einen Kondensator parallel schaltet, der gerade so lange zum Laden braucht, und damit den Strom aufnimmt, der einen Funken erzeugen könnte, bis die Kontakte weit genug auseinander sind.

Zweck und Arbeitsweise der Schnappkupplung eines Zündmagneten

Da die Höhe der induzierten Spannung davon abhängt, wie schnell der Läufer läuft, hätte man bei niedrigen Drehzahlen nicht genug Spannung zur Verfügung, um den Zündfunken zu erzeugen.

Überprüfungen, Fehlererkennung

Betriebliche Verfahren zur Vermeidung von Zündkerzenverschmutzung

Der Teil der Zündkerze, mit dem der Funken erzeugt wird, ragt direkt in den Zylinder und damit in den Raum, in dem die Verbrennung des Kraftstoffs stattfindet. Läuft dieser Vorgang nicht sauber ab, so bleiben Rückstände, die sich an Kolben, den Wänden des Zylinders und eben auch an der Zündkerze festsetzen können. Insbesondere zu fettes Gemisch führt dazu, dass der Kraftstoff nicht rückstandsfrei verbrannt wird und sich folglich im Verbrennungsraum festsetzt. Wenn die Kontakte der Zündkerze immer mehr mit Verbrennungsrückständen belegt werden, wird der Funke immer schwächer, mit dem Effekt, dass die Verbrennung immer noch schlechter abläuft, bis schließlich kein Funke mehr erzeugt werden kann. Eine ähnliche Wirkung kann man erzeugen, indem man beispielsweise vor dem Anlassen der Maschine zu viel Sprit einspritzt (“Primed”). Der unverbrannte Kraftstoff sammelt sich dann im Zylinder, der Motor ersäuft. Setzt man diesen Vorgang zu lange fort, so kann es passieren, dass der unverbrannte Sprit aus dem Motor über das Innere der Cowling auf den Boden läuft und eine Pfütze bildet. Bekommt man den Motor schlussendlich doch noch zum laufen, besteht die Gefahr das Triebwerk oder sogar das ganze Flugzeug in Flammen zu setzen.

Die Verschmutzung der Zündkerzen vermeidet man folglich am besten, indem man dafür sorgt, dass die Verbrennung im Motor möglichst optimal stattfindet. Das bedeutet beispielsweise, dass man für das im Stand laufende Triebwerk oder auch für das Rollen bereits das Gemisch verarmt.

Gemischbildung

Grundlagen des Schwimmervergasers

Im Schwimmervergaser kommt einem Bauteil die wesentliche Bedeutung zu, das in der Aerodynamik genauer behandelt wird: Das Venturirohr. Das Prinzip des Venturirohres ist es, dass durch eine Verjüngung des Rohrquerschnittes die durchströmende Luft beschleunigt wird, wodurch gleichzeitig der Druck abnimmt. Diesen Umstand macht man sich zunutze und bringt an dieser Engstelle eine Öffnung ein, über die Kraftstoff zugeführt wird. Der Unterdruck saugt diesen Kraftstoff an und zerstäubt ihn. Ein zündfähiges Gemisch ist somit entstanden.

Schwimmervargaser Venturi-Rohr + Prinzip

Da die Menge und die Zusammensetzung des Gemisches, das der Vergaser erzeugt, variabel sein müssen, ist es notwendig den Vergaser noch etwas aufwändiger zu gestalten.

Aufbau und Arbeitsweise

Eine Drosselklappe macht den Gesamtdurchsatz regelbar. Da im Standlauf die Drosselklappe nahezu geschlossen ist und damit dort der Querschnitt am engsten, tritt auch hier ein Venturi-Effekt auf, und es ist eine kleine Kraftstoffdüse notwendig, um auch in dieser Situation ein zündfähiges Gemisch erzeugen zu können.

Schwimmervargaser Gesamtschaubild

Verfahren zur Beibehaltung des richtigen Gemischverhältnisses

Betrieb von Bemessungsdüsen und Beschleunigungspumpe

Auswirkung der Flughöhe

Mit zunehmender Flughöhe nimmt die Dichte der Luft ab. Da aber eine konstante Menge Kraftstoff zugeführt wird, bedeutet das weniger Luft bei gleicher Spritmenge und damit ein fetteres oder zu reiches Gemisch. Ist das Gemisch zu reich, so läuft die Verbrennung nicht mehr optimal ab. Es verbrennt nicht mehr der ganze Kraftstoff und der Motor wird zu kühl. Man verbraucht zu viel Kraftstoff und hat zeitgleich weniger Leistung zur Verfügung.

Manuelle Gemischregelung

Beibehaltung des richtigen Gemischverhältnisses

Beschränkter Einsatz im Vollastbereich

Vermeiden von Klopfen

Die Ursachen für das Klopfen wurden weiter oben beleuchtet. Wie vermeidet man es nun in der Praxis? Grundsätzlich natürlich zunächst durch die Wahl des korrekten Treibstoffes. Wenn das als gegeben vorausgesetzt werden kann, bleibt noch die Einflussnahme auf die Temperatur des Triebwerkes. Zu hohe Temperatur ist eine Folge von zu hoher Leistung bei unzureichender Kühlung. Besonders kritisch sind hier Steigflüge: Hier steht das Triebwerk unter hoher Last während das Flugzeug relativ langsam fliegt, was wenig Fahrtwind und damit wenig Kühlleistung bedeutet. Der einzig vernünftige Weg um eine Überhitzung des Triebwerkes zu vermeiden ist es, die Phasen mit maximaler Leistung und minimaler Airspeed auf ein Minimum, etwa zum Überflug von Hindernissen am Ende der Startbahn, zu beschränken. Danach sollte für längere Steigflüge ein Cruise-Climb-Powersetting gewählt werden. Auch die Einstellung des Gemischs spielt eine wesentliche Rolle: Ist das Gemisch sehr arm, so wird das Triebwerk heiß. Ist eine Reduzierung der Leistung des Triebwerkes nicht möglich, so bleibt also nur noch, das Gemisch ein wenig fetter zu machen. Man muss sich allerdings bewusst machen, dass zu fettes Gemisch auch eine Leistungseinbuße bedeutet. Der beste Weg ist es also, solche Situationen von vornherein zu vermeiden.

Kraftstoffabsperrventil

Um das Risiko eines Brandes in Notfall minimieren zu können, verfügen die Treibstoffsysteme von Luftfahrzeugen über ein Kraftstoffabsperrventil, den sogenannten Brandhahn. Dieser Brandhahn ist im Cockpit zugänglich. Seine Benutzung ist Thema des jeweiligen Flughandbuches. Verallgemeinernd lässt sich aber sagen, dass er immer dann geschlossen werden muss, wenn eine Landung ansteht, die einen Unfall bedeuten kann.

Arbeitsweise und Bedienung der Gemischregelanlage

Luftansaugsystem

Unter normalen Umständen wird die Luft, die dem Motor zugeführt wird, durch einen Luftfilter gesaugt. Dieser Luftfilter befindet sich in der Regel im Frontbereich der Cowling. Der Filter ist notwendig um zu verhindern, dass Schmutz oder Insekten angesaugt werden, was leicht zu einem Triebwerksausfall führen könnte. Soweit zu den Vorteilen. Der Nachteil des Filters ist, dass er sich bei entsprechenden meteorologischen Bedingungen mit Eis zusetzen kann, wodurch das Triebwerk ausfällt.

Ausweichansaugluft / Alternae air, ram air

Um sich vor dieser Art von Triebwerksausfall zu schützen verfügen fast alle Flugzeuge über einen Hebel, mit dem man die Luft über einen alternativen Weg ansaugen kann. Betätigt man diesen Hebel, so saugt der Motor seine Luft nicht mehr durch den Luftfilter, sondern über eine Öffnung im Motorraum, der kein Filter mehr vorgeschaltet ist. Da die Luft in der Umgebung des Motorblocks erwärmt wird, wird warme Luft mit geringerer Dichte angesaugt. Dies führt zu einer leichten Leistungseinbuße und kann an den Triebwerküberwachungsinstrumenten (Drehzahl bei Flugzeugen mit festem Propeller, Manifold-Pressure bei Flugzeugen mit Verstellpropeller) erkannt werden.

Einige wenige Flugzeuge, beispielsweise einige Mooneys, verfügen über eine sogenannte “Ram-Air”. Hier kann auch der Luftfilter umgangen werden, die Zielsetzung ist jedoch eine andere: Durch betätigen der Ram-Air wird eine Klappe an der Flugzeugnase geöffnet, durch die unmittelbar und ohne Filter der Fahrtwind ins Triebwerk gelangt. Auf diese Weise erreicht man ca. einen Inch Ladedruck mehr, was zu etwas mehr Leistung führt. Der Nachteil an diesem System ist, dass sowohl nicht in zu feuchter Atmosphäre als auch es erst ab einer Höhe eingesetzt werden soll, in der keine Insekten mehr vorkommen und dass es leicht vergessen werden kann, die Klappe für Flüge in tieferen Regionen oder gar zur Landung wieder zu schließen, was fatale Folgen für das Triebwerk haben kann.

Vergaservereisung, Einsatz der Vergaservorwärmung

Wie oben festgestellt wurde, ist das zentrale Bauteil des Vergasers ein Venturirohr. Dass die Verjüngung des Venturirohrs zu einem Druckabfall der durchströmenden Luft führt wurde bereits hinlänglich beschrieben, jedoch hat dieser Effekt auch  noch unerwünschte Nebenwirkungen: Bei Druckabnahme kühlt die Luft ab und Feuchtigkeit kondensiert aus. Dazu kommt noch die Verdunstungskälte des eingebrachten Kraftstoffes. Erreicht die Luft dabei Minusgrade, so gefriert das Kondensat und setzt damit das Venturirohr und damit den Vergaser zu. Da die Abkühlung der Luft sehr deutlich stattfindet (allein 5°-10° weniger durch den Druckabfall), kann Vergaservereisung bereits bei einer Temperatur von +20°Celsius stattfinden. Voraussetzung dafür ist, dass die Luft eine hohe relative Luftfeuchtigkeit aufweist. Bei Temperaturen unter -5°Celsius tritt der Effekt nicht mehr auf, da die Luft bei dieser Temperatur kaum mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann.

Vergaservereisung bemerkt man im Fluge durch die Beobachtung der Triebwerksinstrumente und durch rauen Triebwerkslauf, der spürbar und hörbar ist. Nimmt bei konstantem Horizonalflug die Drehzahl ab, so sollte man testhalber die Vergaservorwärmung ziehen anstatt einfach nur Leistung nachzusetzen. Um die Maßnahmen gegen Vergaservereisung zu verstehen muss man sich vergegenwärtigen, was die Konsequenz der Vergaservereisung ist: Durch die Verstopfung des Vergasers mit Eis wird nur die Luftzufuhr gedrosselt. Der Kraftstoff wird aber weiter in der selben Menge zugeführt. Das bedeutet, dass das Gemisch reicher wird. Zieht man nun bei fortgeschrittener Vergaservereisung einfach die Vorwärmung komplett, so wird warme Luft angesaugt, die zwar das Eis abtauen kann, die aber auch eine geringere Dichte hat. Das heißt im ersten Schritt wird das Gemisch noch reicher und es besteht die Gefahr, dass der Motor absäuft. Aus diesem Grunde sollte vor dem Ziehen der Vergaservorwärmung die Leistung über den Gashebel zurückgenommen  und erst dann die Vergaservorwärmung langsam aber voll gezogen werden. Erholt sich die Drehzahl und endet der rauhe Triebwerkslauf, was gut 30 Sekunden dauern kann, so kann die Leistung wieder nachgesetzt werden.

Merke: Es macht keinen Sinn die Vergaservorwärmung nur "ein bisschen" zu ziehen. Sie ist nur bei vollständiger Betätigung ausreichend wirksam.

Vergaservereisung kann bereits am Boden stattfinden. Beim Run-Up werden zuerst die Magnete und dann die Vergaservorwärmung getestet. Die Reihenfolge ist sinnvoll, weil der Motor durch die hohe Drehzahl beim Magnetcheck noch etwas wärmer wird, was notwendig ist um den Effekt der Vergaservorwärmung, also den Drehzahlabfall durch das Ansaugen warmer Luft, feststellen zu können. Funktioniert die Vergaservorwärmung nicht, soll nicht geflogen werden.

Einspritzanlagen, Grundlagen und Arbeitsweise

Kraftstoff

In der Luftfahrt kommen einige unterschiedliche Kraftstoffe zum Einsatz. Bis vor wenigen Jahren waren das vor allem AVGAS 100 LL (AvGas = Aviation Gasoline) oder Jet-A1. Gerade im Bereich der Kleinflugzeuge geht die Entwicklung jedoch hin zu moderneren, umweltfreundlicheren Kraftstoffen, die weniger oder kein Blei enthalten und die auch kostengünstiger sind. Die Art des Kraftstoffes, die ein Flugzeug benötigt ist auch entscheidend für dessen späteren Einsatzbereich. Wer einen seltenen Kraftstoff tanken muss, hat einen stark eingeschränkten Aktionsradius. An vielen Flugplätzen werden nicht alle Kraftstoffarten angeboten. Am weitesten verbreitet ist wohl Jet-A1, das von Turbinenbetriebenen Flugzeugen, also vor allem von Verkehrsflugzeugen getankt wird. Es ist mit dem Diesel verwandt. Für Kleinflugzeuge findet dieser petroleumbasierte Treibstoff noch selten Verwendung, es werden jedoch zunehmend Motoren angeboten, die Jet-A1 nutzen können. Als Beispiel sei die Firma Technify (vormals Thielert) genannt, die entsprechende Motoren herstellt. Diese Treibstoffe ähneln dem Diesel, das aus der Welt der Kraftfahrzeuge wohl bekannt ist.
Kolbentriebwerke werden in der Regel mit Benzin betrieben. Historisch gesehen wurde zunächst AvGas extra für die Luftfahrt hergestellt. Neuentwicklungen im Motorenbau, ein neues Bewusstsein bezüglich der Umweltverträglichkeit der Verbrennungsrückstände und nicht zuletzt der Preis zeitigten aber, dass auch MoGas (Motor Gasoline), das ursprünglich einfach Autobenzin war, mit auf dem Plan erschien.

Kraftstoffklassifizierung

Benzine

Diese Kraftstoffe werden anhand ihrer Klopffestigkeit klassifiziert. Die Klopffestigkeit gibt an, wie weit das Benzin-Luft-Gemisch komprimiert werden kann, bis es sich selbst entzündet. Sie wird durch die Angabe der Oktanzahl ausgedrückt. Je höher die Oktanzahl ist, desto weiter kann das Gemisch komprimiert werden.

Bei den AvGas-Sorten ist heute nur noch das AvGas 100 LL  gebräuchlich. Das LL in der Bezeichnung steht für “Lean Lead”, was bedeutet, dass es mit weniger Blei angereichert ist als AvGas 100. Es existiert auch noch der Zusatz “UL” für unleaded (bleifrei).
Andere AvGas Sorten sind im normalen Handel nicht mehr zu bekommen. Sie werden lediglich noch für historische Luftfahrzeuge / Motoren benötigt.

Früher wurden bei den einzelnen Treibstoffsorten zwei Oktanzahlen angegeben. Dabei bezeichnete die erste Oktanzahl die für abgemagertes Gemisch, die zweite Oktanzahl die für fettes Gemisch. Heute wird nur noch die erste davon, die für das magere Gemisch, angegeben. Trotzdem können die Bezeichnungen in alten Flughandbüchern noch auftauchen.

Petroleum-basierte Treibstoffe

Am gebräuchlichsten ist hier das Jet-A1. Dabei spiegelt der Name nicht wie bei AvGas oder MoGas die Eigenschaften den Kraftstoffes wieder. Dessen Eigenschaften müssen einer Tabelle entnommen werden. Die maßgeblichen Kriterien sind der Flammpunkt und die Gefriertemperatur. Jet-A1 gefriert bei -47°C. Andere Varianten sind z.T. in den USA oder allgemein in der Militärluftfahrt üblich.

Sorten und Farbkennzeichnung

Um Verwechslungen zu vermeiden werden die unterschiedlichen Treibstoffarten farblich codiert. Anbei eine Tabelle mit den möglichen Farben:

Treibstoff Farbe
AvGas 80 rot
AvGas 82 UL purpur
AvGas 91 braun
AvGas UL91 farblos
AvGas 100 grün
AcGas 100 LL blau

Qualitätsanforderungen

Kraftstoff, der in Luftfahrzeugen zum Einsatz kommt, muss besonderen Kriterien standhalten. Diese ergeben sich zum größten Teil aus der Tatsache, dass ein Flugzeug Höhen erreicht, in denen bestimmte Anforderungen wegen der niedrigen Temperatur und vor allem dem niedrigen Luftdruck, erfüllt werden müssen.

Wichtig hierbei ist der Effekt der “Dampfblasenbildung”. Nimmt der Umgebungsdruck immer weiter ab, so gibt es einen Punkt, ab dem der Kraftstoff anfängt, Blasen zu bilden. Er verhält sich dann ähnlich einem stark CO2-haltigem Mineralwasser und beginnt zu perlen bzw. zu schäumen, womit er natürlich seine notwendigen Eigenschaften für den Betrieb verliert. MoGas kann in Höhen von bis zu 10.000 Fuß eingesetzt werden, bevor dieser Effekt eintritt, mit AVGAS kann auch noch in 25.000 Fuß geflogen werden.

Da bei heutigen Treibstoffen für Automobile Bio-Ethanol beigemischt wird (Stichwort Super E10), ergaben sich für die Verwendung in Flugzeugen Probleme, denn die Beimengung von Bio-Ethanol bedeutet auch immer eine Zugabe von Wasser, das dann leicht im Vergaser gefrieren und auf diese Weise für Motorausfälle sorgen kann. Deshalb mussten für die Luftfahrt besondere Derivate dieser Treibstoffe entwickelt werden.

Welchen Kraftstoff ein bestimmtes Luftfahrzeug braucht, lässt sich nur mit dem Flughandbuch sicher bestimmen. Selbst bei augenscheinlich gleichen Luftfahrzeugen können unterschiedliche Motoren mit unterschiedlichen Anforderungen an ihren Kraftstoff verbaut sein.

Tanken und Prüfung auf Verunreinigung

Aufgrund möglicher statischer Aufladung werden Flugzeuge während des Tankvorgangs immer mit einer Erdungsleitung verbunden, um Funkenbildung zu verhindern. Während des Tankens darf die Parkbremse nicht gesetzt sein und es darf sich niemand mehr im Flugzeug aufhalten. Diese Vorsichtsmaßnahmen trifft man, damit im Falle eines Brandes das Flugzeug von der Tankstelle entfernt werden kann und natürlich, damit keine Personen zu Schaden kommen können. Nach dem Tanken sollte man sich immer durch direktes Nachsehen des Tankinhaltes versichern. Manche Flugzeuge haben Bleche oder andere Markierungen im Bereich des Tankstutzens, mit deren Hilfe man eine Aussage über die Menge des Kraftstoffvorrates treffen kann. Sind solche Vorrichtungen nicht vorhanden, so kann man eventuell einen Peilstab für das Flugzeugmuster erwerben oder im Zweifelsfalle selbst einen anfertigen.

Im Normalfall muss man sich um die Qualität des Kraftstoffes, den man aus einer Tankanlage bezieht, keine Sorgen machen. Kommt man jedoch in die Verlegenheit selbst mittels einer Handpumpe Sprit aus einem Fass pumpen zu müssen (AVGAS beispielsweise ist nicht an jedem Flugplatz zu bekommen ohne dass man ein Fass vorbestellt), so sollte man in Erwägung ziehen, den Kraftstoff noch durch einen Filter laufen zu lassen.

Gebrauch von Kraftstoffiltern und -ablässen, der Tanksumpf

Um sicher zu gehen, dass wirklich reiner Kraftstoff von den Tanks zum Motor gelangt, gibt es im Kraftstoffsystem eines Flugzeuges sogenannte Kraftstoffablässe oder Drain-Ventile. Diese Ventile sitzen jeweils am tiefsten Punkt eines Abschnitts des Kraftstofffsystems, weshalb sich dort Verunreinigungen, die eine höhere Dichte als der Kraftstoff aufweisen (insbesondere Wasser), ablagern und von außen abgelassen werden können. Wasser kann auf unterschiedliche Arten in den Tank gelangen: Zum einen durch undichte Tankdeckel, durch unvorsichtige Betankung in strömendem Regen oder auch durch die Bildung von Kondenswasser. Wenn ein relativ Tank leer ist und die Außentemperatur fällt, so kann die Feuchtigkeit der Luft im Tank auskondensieren und sich im Tank sammeln. Diese Mengen sind zwar gering, wenn das Flugzeug aber lange genug steht, kommt hier trotzdem etwas zusammen. An den Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt sind häufig drei Kraftstoffablässe vorhanden: Jeweils einer pro Tank in der Tragfläche und ein weiterer an oder unterhalb der Cowling, der den insgesamt tiefsten Punkt des Kraftstoffsystems darstellt.

Der tiefste Punkt eines Tanks wird als Tanksumpf bezeichnet. Am Tanksumpf ist das Ablassventil des Tankes angebracht. Man bezeichnet den Vorgang des Ablassens von potentiell verunreinigtem Sprit als “drainen”. Hierfür gibt es extra Drain-Becher, die transparent sind, damit man die abgelassene Flüssigkeit begutachten kann. Es existieren unterschiedliche Ventilarten, die auch unterschiedliche Drainbecher benötigen.

Es sollte grundsätzlich vor dem ersten Flug des Tages und nach dem Tanken “gedraint” werden. Besonders wichtig ist das für Luftfahrzeuge, die im Freien stehen.

Kraftstoffanlagen, Kraftstoffsystem

Der Kraftstoffanlage im Flugzeug kommt die Aufgabe zu, den Motor kontinuierlich mit Kraftstoff zu versorgen. Da die korrekte Beladung, also die Lage des Schwerpunktes und die Verteilung des Gewichtes, eine entscheidende Rolle spielen und man zudem eine möglichst große Reichweite erreichen möchte, ist es bei Flugzeugen normal, dass es mehr als einen Tank gibt. Das Vorhandensein mehrere Tanks bedeutet aber, dass das Kraftstoffsystem einiger Aufmerksamkeit bedarf. Nicht zuletzt Sicherheitsaspekte, die dazu dienen in Notsituationen zu verhindern, dass der Kraftstoff in Flammen aufgeht, bedingen, dass man sich auskennt. Man muss sich also mit dem Fuel-Management und dem Kraftstoffsystem intensiv auseinandersetzen. Für mehrmotorige Flugzeuge kompliziert sich das Kraftstoffsystem sogar noch weiter, weil es sicherstellen muss, dass im Falle eines Triebwerksausfalles das verbleibende Triebwerk auch komplett mit dem zur Verfügung stehenden Kraftstoff versorgt werden kann.

Kraftstofftanks und -Leitungen

Wie bereits erwähnt, verfügen die meisten Flugzeuge über mehr als einen Tank. Um das Gewicht des Kraftstoffes gleichmäßig über das Flugzeug zu verteilen, werden die Tanks meistens in den Tragflächen verbaut. Hier sitzen sie dann wiederum meist in der dem Rumpf zugewandten Hälfte der Tragfläche, um die Momente durch das Gewicht desselben gering zu halten. Manche Flugzeugkonstrukteure bauen mehrere Tanks oder Tanks mit mehreren Kammern in die Tragflächen. Dies dient neben der Gewichtsverteilung auch dazu ein übermäßiges Schwappen des Sprits und eine größere Verlagerung seines Gewichtes im Kurvenflug zu vermeiden. Gelegentlich findet man auch in kleineren Flugzeugen Tanks im Rumpf oder ganz außen an den Tragflächen in Form von Tip-Tanks. Die Tanks in den Tragflächen sind über ein Tankwahlventil, das im Cockpit zugänglich ist, mit der Leitung zum Motor verbunden.

Belüftungssystem

Damit aus einem geschlossen Behälter der Kraftstoff kontinuierlich abgezapft werden kann, muss es möglich sein, dass zum Volumenausgleich Luft nachströmen kann. Gelöst wird das durch einfache Röhrchen, die in der Regel im Bereich des Tanks zu finden sind. Es ist sehr wichtig, diese Röhrchen vor jedem Flug zu kontrollieren. Wären sie verstopft, so könnte durch den enstehenden Unterdruck im Tank die Kraftstoffzufuhr unterbrochen werden und infolgedessen das Triebwerk ausfallen, obwohl noch genug Sprit an Bord ist, um den Flug sicher bis zum Ziel fortzusetzen.

Mechanische und elektrische Pumpen, Fuel Pumps, Druck-Förderung

Sitzen die Tanks tiefer als die Maschine, , was vor allem bei Tiefdeckern und Mitteldeckern der Fall ist, so ist es notwendig den Kraftstoff aus den Tanks dorthin zu pumpen. Dies geschieht mittels mechanischer Pumpen, die über ein Getriebe vom Motor selbst angetrieben werden. Um auch bei niedriger Motorleistung eine konstante Fördermenge garantieren zu können und als Backup-System zur Sicherheit, werden elektrische Pumpen mit ins System integriert. Die Bedienung dieser Pumpen obliegt dem Pilot. Im Cockpit befindet sich also ein Schalter für die “Fuel pump”. Üblicherweise wird sie für den Start (zur Sicherheit bei Ausfall der mechanischen Pumpe) und zur Landung (wegen reduzierter Triebwerksleistung und einem eventuell bevorstehendem Durchstartmanöver) eingeschaltet, ausschlaggebend ist das Flughandbuch. Besitzt ein Flugzeug mehrere Motoren, so gibt es pro Engine eine mechanische und eine elektrische Pumpe mit jeweils einem eigenen Schalter im Cockpit.

Schwerkraftförderung, Fall-Förderung

Flugzeuge, die die Flügel oben haben, also Hochdecker und Schulterdecker, bedienen sich der Schwerkraft um den Kraftstoff aus dem Tank zum Motor zu befördern. Der Klare Vorteil hier ist, dass es keine Pumpe gibt, die ausfallen kann und man sich nebenbei auch noch das Gewicht der Pumpe spart.

Tankwahl

Sobald mehrere Tanks zur Verfügung stehen, gibt es auch einen Tankwahlschalter, mit dem bestimmt werden kann, aus welchem Tank der Motor mit Kraftstoff versorgt wird. Der wesentlichste Unterschied zwischen den Tankwahlschaltern ist, dass, abhängig vom Flugzeugmuster, eine Stellung “both” existieren kann, in der aus in diesem Fall dann zwei Tanks gleichzeitig Sprit entnommen wird. Vor allem bei den Schulterdecker-Modellen der Cessna-Serie findet man solch einen Tankwahlschalter. In den meisten Fällen wird man hier auch mit der Stellung “both” fliegen, da man hiermit am wenigsten falsch machen kann. Trotzdem kann es Gründe geben, die Tanks einzeln auszufliegen. Ein Grund kann eine ungleiche Lastverteilung Ω im Flugzeug sein, ein weiterer Grund kann sein, dass man an die Grenze des Kraftstoff-Vorrates gehen muss. So kann ein Tank sicher leer geflogen werden und dann auf den verbleibenden umgeschaltet werden. So weit sollte man es natürlich nie kommen lassen. Tiefdecker sind mit einem Tankwahlschalter ausgestattet, der nur die Stellung “left tank”, “right tank” oder “off” kennt.

Systemmanagement

Propeller

Fachausdrücke

Umwandlung von Motorleistung in Schubkraft

Gestaltung und Aufbau von festen Propellern

Kräfteeinwirkung auf die Propellerblätter

Abhängigkeit zwischen Drehzahl und Fluggeschwindigkeit

Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Geschwindigkeit

Gestaltung und Aufbau von Verstellpropellern

Konstante Drehzahlregelung (Constant Speed Propeller)

Auswirkung von Änderungen des Blatteinstellwinkels

 Einfluss der Fluggeschwindigkeit auf die Propellerdrehzahl (Windmilling)

Triebwerkbedienung

Anlassverfahren und Vorsichtsmaßnahmen

Fehlererkennung

Warmlaufen, Überprüfung der Triebwerke und Systeme

Betriebsgrenzen für Öltemperatur und Öldruck

Betriebsgrenzen für die Zylinderkopftemperatur

Überprüfung der Zündanlage und anderer Systeme

Leistungsgrenzen

Vermeidung von schnellen Leistungswechseln

Bedienung der Gemischregelung

Systeme

Elektrische Anlage

Einbau und Betrieb von Wechselstrom- und Gleichstromgeneratoren

Gleichstromversorgung

Batterien, Speichervermögen und Ladevorgang

Voltmeter und Amperemeter

Sicherungsautomaten und Schmelzsicherungen

Elektrisch betriebene Bordanlagen und Instrumente

Fehlererkennung

Verfahren bei Fehlfunktionen

Unterdruckanlage

Bauelemente

Pumpen

Regler und Messgeber

Filteranlage

Fehlererkennung

Verfahren bei Fehlfunktionen

Bordinstrumente

Pilot-Anlage/statische Druckanlage

Um die Fahrt eines Luftfahrzeuges messen zu können, braucht es eine Messsonde, die Werte liefert, die abhängig von seiner Geschwindigkeit sind und somit auf ein Anzeigeinstrument übertragen werden können. Zu diesem Zweck gibt es mehrere Methoden, von denen hier die gebräuchlichste und wichtigste erläutert werden soll.

Pitot-Rohr, Funktionsprinzip

Was an einem Luftfahrzeug immer als Grundlage zur Geschwindigkeitsmessung zur Verfügung steht, ist der Fahrtwind. Ihn gilt es also zu messen und zur Anzeige zu bringen. Denkt man diesen Gedanken konsequent zu Ende, so kommt man zwar darauf, dass man damit “nur” die Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges gegenüber der umgebenden Luft messen kann (und keine Geschwindigkeit, mit der man direkt auf eine Reisedauer schließen könnte), genau dieser Umstand erweist sich aber auch als Vorteil, denn die Geschwindigkeit gegenüber der Luft ist es, die in Zusammenhang mit den aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeuges steht. Diese Geschwindigkeit liefert die Anhaltspunkte für den sicheren Betrieb.

Pitot-Rohr, Grundlagen und Aufbau

Das Pitot-Rohr ist im Wesentlichen ein Metallrohr mit wenigen Millimetern Innendurchmesser, an das eine Leitung anschließt, die den so abgegriffenen Fahrtwind an das Anzeigeinstrument weiterleitet. Entscheidend ist, dass es an einer Stelle montiert wird, an der der Fahrtwind nicht durch das Flugzeug selbst beeinflusst wird. Aus diesem Grunde ist es immer etwas abgesetzt montiert, beispielsweise unterhalb der Tragflächen oder, insbesondere bei Jets, direkt an der Flugzeugnase. Damit eintretendes Wasser nicht ins Innere gelangen kann und sich nicht im Pitot-Rohr sammeln kann, findet man häufig eine kleine Bohrung an der Unterseite des Rohres, durch die das Wasser abfließen kann. Damit das Pitot-Rohr bei entsprechenden Wetterlagen nicht zufriert, ist es oftmals mit einer elektrischen Heizung ausgerüstet.

Abnahmestelle für den statischen Druck

Alternativabnahmestelle für den statischen Druck

Einbaufehler

Ablassöffnungen für Feuchtigkeit (Drainöffnungen)

Heizung der Drucksonden

Fehler durch Blockierung oder Undichtigkeit

Fahrtmesser

Arbeitsweise und Aufbau

Um Arbeitsweise und Aufbau eines Fahrtmessers verstehen zu können ist es notwendig, den oben ohne Weiteres eingeführten Begriff des “Fahrtwindes” genauer zu untersuchen. Betrachtet man ihn physikalisch, so ist er ein Begriff für einen Druck. Befindet sich das Flugzeug in Ruhe, so ist der Fahrtwind gleich null. Trotzdem herrscht aber der Umgebungsdruck, der problemlos mit einem Barometer gemessen werden kann. Setzt sich das Luftfahrzeug in Fahrt, so wächst der Fahrtwind an, da aber der Umgebungsdruck auch weiterhin vorhanden ist, misst das Pitot-Rohr den Umgebungsdruck plus den Druck, den der Fahrtwind verursacht. Es wird also nicht der Fahrtwind alleine gemessen, sondern eine Summe zweier Drücke. Wäre nun der Umgebungsdruck immer konstant, so müsste man sich bei der Anzeige und deren Eichung um ihn weiter keine Gedanken machen. Da der Umgebungsdruck aber andauernd variiert, muss ein Weg gefunden werden, ihn zu kompensieren bzw. ihn aus der Anzeige zu eliminieren.

Verhältnis zwischen Gesamtdruck und statischem Druck

Begriffsbestimmungen der angezeigten, berichtigten und wahren Fluggeschwindigkeit (IAS, CAS, TAS)

Instrumentenfehler

Fluggeschwindigkeitsangaben, Farbkennzeichnung

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Höhenmesser

Hähenmesser / Altitude indicator
Höhenmesser / Altitude indicator

Arbeitsweise und Aufbau

Aufgabe der Einstellskala für den Luftdruck

Auswirkungen der atmosphärischen Dichte

Druckhöhe

wahre Höhe

Internationale Standardatmosphäre

Flugfläche

Anzeige (Drei-Zeiger)

Instrumentenfehler

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Variometer

Variometer
Variometer

Arbeitsweise und Aufbau

Funktionsprinzip

Eigenverzögerung

Verzögerungsfreier Variometer

Anzeige

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Kreiselinstrumente

Grundlagen

Wie es der Name schon impliziert, stellt der Kreisel das wesentlichste Bauteil eines Kreiselinstrumentes dar. Kreiselinstrumente dienen dazu, Aussagen über die Lage und die Bewegungen des Luftfahrzeugs im Raum treffen zu können. Um das nachvollziehbar zu machen, betrachten wir zunächst die Definition und die physikalischen Eigenschaften eines Kreisels:

Ein Kreisel besteht aus einem starren Körper, der um eine Achse rotiert. Unterschieden werden freie Kreisel, die in maximal einem Punkt zwangsbedingt gelagert sind, von  gefesselten Kreiseln, deren Achse mehrfach gelagert ist. Für die Verwendung eines Kreisels in einem Kreiselinstrument ist Präzision gefragt. Aus diesem Grunde ist der “starre Körper” rotationssymetrisch mit dem größten Teil der Masse am äußeren Rand, er hat also die Form eines Rades.

Bringt man diesen starren Körper nun zur Rotation, so weist das Konstrukt, der Kreisel, ein paar besondere Eigenschaften auf.

Raumstabilität

Als Raumstabilität bezeichnet man das Phänomen, dass ein Kreisel die Lage seiner Rotationsachse beibehält. Die Rotationsachse des Kreisels kann in Ihrer Lagerichtung und und parallel dazu verschoben werden, sie kann aber nicht ohne Konsequenz gekippt werden.

Präzession

Versucht man die Achse zu kippen, so wirkt die Kraft, die man auf die Achse ausübt um 90° Grad “versetzt”. Flapsig formuliert kann man sich merken, dass die Kraft erst 90° der Kreislumdrehung mitfährt, bevor sie anfängt zu wirken. Um sich den Sachverhalt einfach merken zu können, gibt es hierzu eine Drei-Finger-Regel.

Die Präzession spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Sie hilft uns beim Fahrradfahren, insbesondere auch bei der freihändigen Variante und sie begegnet uns auch in der Fliegerei noch an vielen Orten. Beispielsweise in Zusammenhang mit den Triebwerken oder mit dem Einzieh-Fahrwerk. Eine besondere Rolle kommt ihr bei der Verwendung im Wendezeiger vor.

Wendezeiger

Der Wendezeiger zeigt die Bewegung des Luftfahrzeuges um die Hochachse nach Richtung und Geschwindigkeit an. Je stärker der Ausschlag des Zeigers, desto schneller die Drehbewegung. Üblicherweise ist nur eine Markierung für die Drehgeschwindigkeit für einen Standardturn markiert.

Wendekreisel

Der Wendezeiger birgt in seinem Inneren einen waagrecht und parallel zur Flugzeug Querachse gelagerten Kreisel. Der Kreisel ist an beiden Enden der Achse gelagert, die Lagerung wird aber an einem Ende nur mit einer Feder aufrecht erhalten. D.h. die Kreiselachse kann hier in dem Rahmen, wie die Feder das zulässt, ausweichen.

Aufgabe und Funktionsprinzip

Wird das Luftfahrzeug nun horizontal, also um die Hochachse gedreht, so weicht dieses Ende der Kreiselachse um 90° versetzt, und damit vertikal nach oben oder unten aus. Je schneller das Luftfahrzeug dreht, desto stärker ist das Moment, desto weiter weicht die Kreiselachse schließlich aus. Die Anzeige sagt also etwas über die Richtung und die Drehgeschwindigkeit einer Drehung um die Hochachse aus.  Der Ausschlag der Kreiselachse wird dann mechanisch zur Anzeige gebracht.

Auswirkung der Drehzahl (RPM) des Kreisels

Anzeige

Die Anzeige besteht aus einem senkrechten Zeiger (hier gelegentlich als Pinsel bezeichnet), der in der Mitte steht und nach links oder rechts ausschlagen kann. Auf jeder Seite ist jeweils eine Markierung für die notwendige Drehgeschwindigkeit um die Hochachse für einen Standard-Turn angebracht.

Kurvenkoordinator (Turn Co-ordinator)

Kurven-Koordinator / Turn and bank indicator
Kurven-Koordinator / Turn and bank indicator

Der Turn Coordinator zeigt die Drehbewegung des Flugzeuges um die Hochachse und um die Querachse an. Da einer Bewegung um die Querachse die Bewegung um die Hochachse folgt, ist der Turn Coordinator reaktiver als der Wendezeiger.

Aufgabe

Der Turn Coordinator wird allgemein als höherwertig gegenüber dem einfachen Wendezeiger angesehen, weil er im Instrumentenflug, beim Ausfall des künstlichen Horizontes, durch seine Reaktion auf Änderungen der Querlage schneller reagiert als ein reiner Wendezeiger. Problematisch ist aber, dass das Gerät, insbesondere seine Dämpfung, in gutem Zustand sein muss, da die Anzeige beim Flug in turbulenter Luft sonst nur zwischen den Vollausschlägen hin und her pendelt und es so dem Piloten unmöglich macht, seine Fluglage zu kontrollieren. Ein Wendezeiger wird deshalb oftmals bevorzugt.

Unterschied zum Wendezeiger

Der Turn Coordinator arbeitet in weiten Teilen nach dem selben Funktionsprinzip wie der Wendezeiger, hat aber neben der anderen Anzeige bautechnisch einen wesentlichen Unterschied: Der Kreisel im Instrument ist nicht waagrecht eingebaut sondern ist in einem 30° Winkel nach oben zur Waagerechten gekippt. Hierdurch wird erreicht, dass Bewegungen um Hoch- und Querachse beide zu einer Bewegung des Zeigers führen. Der Turncoordinator nutzt eine andere Symbolik als der Wendezeiger. Der Zeiger hat die Form eines Flugzeuges. Um nicht als künstlicher Horizont mißverstanden zu werden, trägt er meist die Beschriftung “no pitch information”. Auch der Turn Coordinator hat Markierungen für die Standardkurve.

Begrenzung der Drehgeschwindigkeitsanzeige

Energieversorgung

Libelle

Eine Besonderheit an Wendezeiger und Kurvenkoordinator ist, dass beide ein zusätzliches Instrument mit in der Anzeige tragen, die Libelle oder das Inklinometer. In den Anfängen der Luftfahrt wurde dafür eine Wasserwaage benutzt. Also ein waagrechtes, zur Mitte hin leicht nach oben gebogenes Glasröhrchen mit einer Luftblase in einer Flüssigkeit. Heute wird etwas ähnliches benutzt: Ein zur Mitte hin leicht nach unten gebogenes Glasröhrchen, gefüllt mit einer Dämpfungsflüssigkeit und einer kleinen Kugel. Die Libelle zeigt die Richtung des Scheinlotes des Luftfahrzeuges an. Sie ist in der Mitte, wenn das Scheinlot mit dem tatsächlichen Lot zusammenfällt. Auf die Kugel der Libelle wirken zwei Kräfte. Die Zentrifugalkraft und die Schwerkraft.

Grundlagen

Anzeige

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Der Wendezeiger wird beim Rollen, etwa auf dem Weg zum Rollhalt oder zur Tankstelle, überprüft. Er zeigt auch beim Rollen am Boden die Gierrate korrekt an. Zu beachten ist, dass der Kreisel etwas Zeit braucht um die zur Funktion nötige Drehzahl zu erreichen. Insbesondere bei pneumatischen Kreiseln kann es notwendig sein kurzzeitig etwas Leistung zu setzen, damit genug Unterdruck (-> Suction Anzeige) vorhanden ist, damit der Kreisel auf Touren kommt.

Fluglageanzeiger (Künstlicher Horizont)

Künstlicher Horizont / Artificial Horizon
Künstlicher Horizont / Artificial Horizon

Schwerkraftgestützter Kreisel

Aufgabe und Funktionsprinzip

Anzeigen

Interpretation

Betriebsgrenzen

Ist ein künstlicher Horizont nicht explizit für den Kunstflug ausgelegt, so funktioniert er nur innerhalb bestimmter Grenzen bezüglich seiner Lage im Raum. Diese Grenzen sind konstruktiv durch den Hersteller bedingt, also vom Fabrikat abhängig. Üblicherweise kann ein künstlicher Horizont bis zu 60° oder 70° Längsneigung und bis zu 100° oder 110° Querneigung bewegt werden. Darüber hinaus ist die Anzeige des Gerätes unbrauchbar. Die Anzeige kann nach einem solchen Manöver eine ganze Zeit fehlerhaft bleiben. Erst Durch die Schwerkraftstützung erholt sich die Anzeige wieder allmählich.

Aus diesem Grunde ist ein künstlicher Horizont in der Regel auch nicht geeignet, Trudeln zu beenden. Hier müssen andere Instrumente herangezogen werden: Der Wendezeiger oder Turn-Coordinator zum stoppen der Drehbewegung und Höhenmesser/Vario/Fahrtmesser um die Attitude wieder in den Griff zu bekommen.

Energieversorgung

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Kursanzeiger

Kurskreisel

Aufgabe und Funktionsprinzip

Anzeige

Nutzung in Verbindung mit dem Magnetkompass

Einstellung / Nachführung, scheinbare Auswanderung

Betriebsgrenzen

Energieversorgung

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Magnetkompass

Aufbau und Funktionsprinzip

Magnetfeld der Erde

Variation und Deviation

Kurven – Beschleunigungsfehler

Vorsichtsmaßnahmen beim Mitführen von magnetischen Gegenständen

Überprüfung der Betriebsbereitschaft durch den Piloten

Triebwerküberwachungsinstrumente

Grundlagen, Anzeige und Betrieb von:

Öltemperaturanzeige

Öltemperatur / Oil temperature
Öltemperatur / Oil temperature

Öldruckanzeige

Öldruck / Oil pressure
Öldruck / Oil pressure

Zylinderkopftemperaturanzeige

Abgastemperaturanzeige

EGT / Abgastemperatur
EGT / Abgastemperatur

Die Abgastemperaturanzeige, häufig auch als EGT (Exhaust Gas Temperature) bezeichnet, zeigt die Temperatur des verbrannten Benzin-Luft-Gemisches kurz nach dem Auslassventil an. Hierzu findet eine Bimetall-Sonde Anwendung, die in das Abgasrohr des bauartlich bedingt heißesten Zylinders des Triebwerkes eingebracht wird. Die Temperatur beträgt in etwa 900°C. Der rote Zeiger in der Anzeige lässt sich mit der Schraube unten in der Mitte des Instrumentes einstellen. Er dient dazu den höchsten Temperaturwert zu ermitteln indem man immer wieder die aktuelle Position des weißen Zeigers einstellt, um so durch einen einfachen Vergleich Im Blick zu haben, ob der seinen Weg nach oben oder unten fortsetzt. Die Abgastemperaturanzeige spielt eine wichtige Rolle beim Einstellen des korrekten Gemisches für die momentane Flughöhe.

Ladedruckanzeige

Kraftstoffdruckanzeige

Kraftstoffdurchflussanzeige

Kraftstoffvorratsanzeige(n)

Kraftstoff-Voratsanzeige / Fule Indicators
Kraftstoff-Vorratsanzeige / Fule Indicators

Luftfahrzeuge verfügen üblicherweise über eine Kraftstoffvorratsanzeige für jeden ihrer Tanks. Sie ist eine Volumenanzeige, die die Menge des vorhandenen Kraftstoffes zumeist in Gallonen oder Litern, manchmal auch nur als Verhältnis, angibt. Ermittelt wird der Wert mit einem Schwimmer, der sich im Tank befindet und der an einem Hebel befestigt ist. Über den Winkel des Hebels kann der Füllstand mechanisch zur Anzeige gebracht werden. Da die Form des Tanks bekannt ist, kann zu jeder Stellung des Schwimmers und damit des Zeigers der Anzeige, eine Aussage über den Tankinhalt getroffen werden.

Kraftstoffvorratanzeigen sind keine Präzisionsinstrumente. Ihre Anzeige ist mit vielerlei Fehlern behaftet, weshalb es unbedingt notwendig ist, sich nicht alleine auf sie zu verlassen. Es sollte beim Tanken immer bewusst der Füllstand im Tank kontrolliert werden. Während des Fluges empfiehlt es sich, über zur Verfügung stehende Daten über den Verbrauch und die Flugzeit den Kraftstoffvorrat zu überprüfen.

Folgende Fehler treten auf:

  • Schwankende Anzeigen: Da ein Luftfahrzeug nie ganz ruhig in der Luft liegt, schwappt der Brennstoff im Tank hin und her. Das führt dazu, dass die Anzeigen um den tatsächlichen Wert schwanken. Bei unruhigem Wetter kann die Schwankung so stark sein, dass sich über die Anzeige keine verlässliche Aussage über den Tankinhalt treffen lässt.
  • Falsche Anzeige im Kurven-, Steig- oder Sinkflug: Da die Kraftstoffanzeige auf ein waagrechtes Flugzeug ausgelegt ist, kann jede Abweichung von der Waagerechten zu einer falschen Anzeige führen
  • Temperaturunterschiede: Luftfahrzeuge werden in einem großen Temperaturbereich betrieben. Es können ohne Weiteres Temperaturen von -40°C bis +60°C auftreten. Der Kraftstoff verändert mit seiner Temperatur aber sein Volumen, weshalb die Tankanzeige fehlerhaft ist.

Drehzahlmesser

Drehzahlmesser (fixed Prop)
Drehzahlmesser mit Betriebsstundenzähler / RPM

Der Drehzahlmesser ist eines der wesentlichsten Überwachungsinstrumente eines Triebwerkes, weshalb er auch  in der Liste der vorgeschriebenen Mindestausrüstung enthalten ist. Er gibt die Anzahl Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors  pro Minute an. Üblich ist die Beschriftung pro 100 Umdrehungen bzw. RPM (Revolutions per Minute).  Wie hier in der Abbildung zu sehen ist, umfasst er oftmals auch eine Betriebsstundenanzeige.
Die Interpretation der Anzeige des Drehzahlmessers unterscheidet sich je nachdem ob er sich in einem Flugzeug mit nicht verstellbarem Propeller (fixed pitch), oder in einem Flugzeug mit Propellerverstellung befindet.

Fester Propeller

Bei Flugzeugen mit festem Propeller ist der Drehzahlmesser das einzige Instrument, das eine Aussage über die Motorleistung zulässt. Es gilt die einfache Regel: Je höher die Drehzahl, desto höher die Leistung. Da aber mit zunehmender Höhe die Luftdichte und damit auch die Leistung des Motos abnimmt, kann man keine Aussage über die aktuelle Motorleistung in Prozent geben, ohne dafür die entsprechende Tabelle aus dem Flughandbuch zu konsultieren. Trotzdem ist die Anzeige des Drehzahlmessers entscheidend, da sie in Relation zu den Betriebsgrenzen des Motors steht und da auf sie auch in den Leistungstabellen Bezug genommen wird.

Verstellpropeller

Bei Flugzeugen mit einem Constant Speed Propeller / Verstellpropeller braucht man ein zusätzliches Instrument, die Ladedruckanzeige, um die Motorleistung zu bestimmen.

Sonstige Instrumente

Grundlagen, Anzeige und Betrieb von:

Unterdruckmesser / Suction

Unterdruckanzeige / Suction
Unterdruckanzeige / Suction

Voltmeter und Amperemeter

Ampèremeter
Ampèremeter

Warnanzeigen

Sonstige Instrumente bezogen auf das Flugzeugmuster

Moderne Instrumentierung

Electronic Flight Instrument System, EFIS

Primary Flight Display, PFD

Navigation Display, ND

GPS-Systeme

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