10 Luftfahrtinnovationen, ohne die wir am Boden festsitzen würden

Am 1. Juni 2009 stürzte Air-France-Flug 447 unerwartet mit hunderten von Fuß pro Sekunde ab, bevor er mit seinem Bauch in den Atlantik prallte, das Flugzeug auseinanderriss und alle 228 Passagiere und Besatzungsmitglieder tötete. Im Laufe der Zeit konnten die Unfallermittler herausfinden, was in dieser schicksalhaften Nacht schief gelaufen war: Eine Kombination aus Unwetter, Gerätestörungen und Verwirrung der Besatzung führte dazu, dass das Flugzeug ins Stocken geriet und vom Himmel stürzte.

Flug 447 schickte eine Schockwelle durch die Luftfahrtindustrie. Das Flugzeug – ein Airbus A330 – war eines der zuverlässigsten Flugzeuge der Welt, ohne registrierte Todesfälle im kommerziellen Flug bis zum zum Scheitern verurteilten Air France-Flug. Dann enthüllte der Absturz die erschreckende Wahrheit: Schwerer-als-Luft-Fahrzeuge arbeiten mit sehr engen Toleranzen. Wenn alles fünf mal fünf groß ist, tut ein Flugzeug, was es tun soll – fliegen – fast ohne erkennbare Anstrengung. In Wirklichkeit hängt seine Fähigkeit, in der Luft zu bleiben, von einem komplexen Zusammenspiel von Technologien und Kräften ab, die alle in einem empfindlichen Gleichgewicht zusammenarbeiten. Wenn Sie dieses Gleichgewicht in irgendeiner Weise stören, kann ein Flugzeug nicht mehr abheben. Oder, wenn es bereits in der Luft ist, kehrt es zum Boden zurück, oft mit katastrophalen Folgen.

In diesem Artikel wird der schmale Grat zwischen Hochfliegen und schnellem Fallen untersucht. Wir betrachten 10 Innovationen, die für die Struktur und Funktion eines modernen Flugzeugs entscheidend sind. Beginnen wir mit der einen Struktur – den Flügeln – die alle fliegenden Objekte besitzen.

1. Tragfläche
2. Propeller
3. Düsentriebwerk
4. Kerosin
5. Flugsteuerung (Fly-by-Wire)
6. Aluminium und Aluminiumlegierungen
7. Autopilot
8. Pitot-Rohre
9. Luftraumüberwachung
10. Fahrwerk

Vögel haben sie. Fledermäuse und Schmetterlinge auch. Dädalus und Ikarus zogen sie an, um Minos, dem König von Kreta, zu entkommen. Wir sprechen natürlich von Flügeln oder Tragflächen , die dazu dienen, einem Flugzeug Auftrieb zu verleihen. Schaufelblätter haben typischerweise eine leichte Tropfenform mit einer gekrümmten oberen Oberfläche und einer flacheren unteren Oberfläche. Infolgedessen erzeugt die über einen Flügel strömende Luft einen Bereich mit höherem Druck unter dem Flügel, was zu der Aufwärtskraft führt, die ein Flugzeug vom Boden abhebt.

Interessanterweise berufen sich einige Wissenschaftsbücher auf das Bernoulli-Prinzip, um die erhebende Geschichte der Tragflächen zu erklären. Gemäß dieser Logik muss sich Luft, die sich über die obere Oberfläche eines Flügels bewegt, weiter bewegen – und muss sich daher schneller bewegen – um an der Hinterkante zur gleichen Zeit anzukommen wie Luft, die sich entlang der unteren Oberfläche des Flügels bewegt. Der Geschwindigkeitsunterschied erzeugt eine Druckdifferenz, die zum Auftrieb führt. Andere Bücher tun dies als Quatsch ab und verlassen sich stattdessen lieber auf Newtons bewährte Bewegungsgesetze : Der Flügel drückt die Luft nach unten, also drückt die Luft den Flügel nach oben.

Der Flug schwerer als Luft begann mit Segelflugzeugen – leichten Flugzeugen, die lange Zeit ohne Motor fliegen konnten. Segelflugzeuge waren die fliegenden Eichhörnchen der Luftfahrt, aber Pioniere wie Wilbur und Orville Wright wünschten sich eine Maschine, die Falken mit starkem, kraftvollem Flug nachahmen konnte. Das erforderte ein Antriebssystem, um Schub zu liefern. Die Brüder entwarfen und bauten die ersten Flugzeugpropeller sowie spezielle wassergekühlte Vierzylindermotoren, um sie anzutreiben.

Propellerdesign und -theorie haben heute einen langen Weg zurückgelegt. Im Wesentlichen funktioniert ein Propeller wie ein sich drehender Flügel und sorgt für Auftrieb, jedoch in Vorwärtsrichtung. Sie sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, von zweiblättrigen Propellern mit fester Steigung bis hin zu vier- und achtblättrigen Modellen mit variabler Steigung, aber sie alle tun dasselbe. Wenn sich die Schaufeln drehen, lenken sie Luft nach hinten ab, und diese Luft drückt dank des Newtonschen Aktions-Reaktions-Gesetzes auf die Schaufeln nach vorne. Diese Kraft ist als Schub bekannt und wirkt dem Luftwiderstand entgegen , der Kraft, die die Vorwärtsbewegung eines Flugzeugs verzögert.

1937 machte die Luftfahrt einen riesigen Sprung nach vorne, als der britische Erfinder und Ingenieur Frank Whittle das erste Strahltriebwerk der Welt testete . Es funktionierte nicht wie die Propellerflugzeuge mit Kolbenmotor der damaligen Zeit. Stattdessen saugte Whittles Motor Luft durch nach vorne gerichtete Kompressorschaufeln. Diese Luft trat in eine Brennkammer ein, wo sie sich mit Kraftstoff vermischte und verbrannte. Ein überhitzter Gasstrom strömte dann aus dem Auspuffrohr und drückte den Motor und das Flugzeug nach vorne.

Hans Pabst van Ohain aus Deutschland übernahm Whittles grundlegendes Design und trieb 1939 den ersten Düsenflugzeugflug an. Zwei Jahre später brachte die britische Regierung endlich ein Flugzeug – die Gloster E.28/39 – mit Whittles innovativem Triebwerk in die Luft Design. Am Ende des Zweiten Weltkriegs jagten Gloster Meteor-Jets, bei denen es sich um aufeinanderfolgende Modelle handelte, die von Piloten der Royal Air Force geflogen wurden, deutsche V-1-Raketen und schossen sie vom Himmel.

Strahltriebwerke sind heute vor allem Militärflugzeugen vorbehalten. Verkehrsflugzeuge verwenden Turbofan-Triebwerke, die immer noch Luft durch einen nach vorne gerichteten Kompressor ansaugen. Anstatt die gesamte einströmende Luft zu verbrennen, lassen Turbofan-Triebwerke etwas Luft um die Brennkammer strömen und sich mit dem Strahl überhitzter Gase vermischen, die aus dem Auspuffrohr austreten. Dadurch sind Turbofan-Triebwerke effizienter und erzeugen weitaus weniger Lärm.

Frühe kolbengetriebene Flugzeuge verwendeten die gleichen Kraftstoffe wie Ihr Auto – Benzin und Diesel . Aber die Entwicklung von Strahltriebwerken erforderte einen anderen Treibstoff. Obwohl einige verrückte Flügelmänner die Verwendung von Erdnussbutter oder Whisky befürworteten , entschied sich die Luftfahrtindustrie schnell für Kerosin als den besten Treibstoff für Hochleistungsjets. Kerosin ist ein Bestandteil von Rohöl, das gewonnen wird, wenn Erdöl destilliert oder in seine Bestandteile getrennt wird.

Wenn Sie eine Petroleumheizung oder -lampe haben, dann kennen Sie vielleicht den strohfarbenen Brennstoff. Verkehrsflugzeuge verlangen jedoch eine höhere Kerosinqualität als Treibstoff, der für Haushaltszwecke verwendet wird. Düsentreibstoffe müssen sauber verbrennen, aber einen höheren Flammpunkt als Autotreibstoffe haben, um das Brandrisiko zu verringern. Düsentreibstoffe müssen auch in der kalten Luft der oberen Atmosphäre flüssig bleiben. Der Raffinationsprozess eliminiert sämtliches Schwebewasser, das sich in Eispartikel verwandeln und Kraftstoffleitungen verstopfen könnte. Und der Gefrierpunkt des Kerosins selbst wird sorgfältig kontrolliert. Die meisten Düsentreibstoffe gefrieren nicht, bis das Thermometer minus 58 Grad Fahrenheit (minus 50 Grad Celsius) erreicht.

Es ist eine Sache, ein Flugzeug in die Luft zu bekommen. Es ist eine andere Sache, es effektiv zu kontrollieren, ohne auf die Erde abzustürzen. In einem einfachen Leichtflugzeug überträgt der Pilot Steuerbefehle über mechanische Verbindungen an Steuerflächen an den Flügeln, der Seitenflosse und dem Heck. Diese Flächen sind jeweils die Querruder, die Höhenruder und das Seitenruder. Ein Pilot verwendet Querruder, um von einer Seite zur anderen zu rollen, Höhenruder, um sich nach oben oder unten zu neigen, und das Seitenruder, um nach Backbord oder Steuerbord zu gieren. Wenden und Schräglage zum Beispiel erfordern eine gleichzeitige Betätigung der Querruder und des Seitenruders, wodurch der Flügel in die Kurve eintaucht.

Moderne Militär- und Verkehrsflugzeuge haben die gleichen Steuerflächen und nutzen die gleichen Prinzipien, aber sie verzichten auf mechanische Verbindungen. Zu den frühen Innovationen gehörten hydraulisch-mechanische Flugsteuerungssysteme, aber diese waren anfällig für Kampfschäden und nahmen viel Platz ein. Heutzutage verlassen sich fast alle großen Flugzeuge auf digitale Fly-by-Wire- Systeme, die auf der Grundlage der Berechnungen eines Bordcomputers Anpassungen an den Steuerflächen vornehmen. Diese ausgeklügelte Technologie ermöglicht es, ein komplexes Verkehrsflugzeug von nur zwei Piloten zu fliegen .

1902 flogen die Gebrüder Wright das modernste Flugzeug der damaligen Zeit – ein Ein-Personen-Segelflugzeug mit Musselin-„Haut“, das über einen Fichtenrahmen gespannt war. Im Laufe der Zeit wichen Holz und Stoff einem laminierten Holz- Monocoque , einer Flugzeugstruktur, bei der die Haut des Flugzeugs einige oder alle Belastungen trägt. Monocoque-Rümpfe ermöglichten stärkere, stromlinienförmigere Flugzeuge, was zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu einer Reihe von Geschwindigkeitsrekorden führte. Leider musste das in diesen Flugzeugen verwendete Holz ständig gewartet werden und verschlechterte sich, wenn es den Elementen ausgesetzt wurde.

In den 1930er Jahren bevorzugten fast alle Flugzeugdesigner eine Ganzmetallkonstruktion gegenüber laminiertem Holz. Stahl war ein offensichtlicher Kandidat, aber er war zu schwer, um ein praktisches Flugzeug zu bauen. Aluminium hingegen war leicht, stark und einfach in verschiedene Komponenten zu formen. Rümpfe mit gebürsteten Aluminiumplatten, die durch Nieten zusammengehalten werden, wurden zum Symbol der modernen Luftfahrtära. Aber das Material brachte seine eigenen Probleme mit sich, von denen das schwerwiegendste die Metallermüdung war. Infolgedessen haben die Hersteller neue Techniken entwickelt, um Problembereiche in den Metallteilen eines Flugzeugs zu erkennen. Wartungsteams verwenden heute Ultraschalluntersuchungen, um Risse und Spannungsbrüche zu erkennen, sogar kleine Defekte, die auf der Oberfläche möglicherweise nicht sichtbar sind.

In den frühen Tagen der Luftfahrt waren die Flüge kurz, und die Hauptsorge eines Piloten bestand darin, nicht nach ein paar aufregenden Momenten in der Luft zu Boden zu stürzen. Mit der Verbesserung der Technik wurden jedoch immer längere Flüge möglich – erst über Kontinente, dann über Ozeane, dann um die Welt. Die Ermüdung der Piloten wurde auf diesen epischen Reisen zu einem ernsthaften Problem. Wie könnte ein einsamer Pilot oder eine kleine Crew stundenlang wach und aufmerksam bleiben, insbesondere während monotoner Fahrten in großer Höhe?

Geben Sie den automatischen Piloten ein . Der von Lawrence Burst Sperry, dem Sohn von Elmer A. Sperry, erfundene Autopilot oder automatische Flugsteuerungssystem verband drei Gyroskope mit den Oberflächen eines Flugzeugs, um Nicken, Rollen und Gieren zu steuern. Das Gerät nahm Korrekturen basierend auf dem Abweichungswinkel zwischen der Flugrichtung und den ursprünglichen Kreiseleinstellungen vor. Sperrys revolutionäre Erfindung war in der Lage, den normalen Reiseflug zu stabilisieren, konnte aber auch Starts und Landungen ohne Unterstützung durchführen.

Das automatische Flugsteuerungssystem moderner Flugzeuge unterscheidet sich kaum von den ersten Kreiselautopiloten. Bewegungssensoren – Gyroskope und Beschleunigungsmesser – sammeln Informationen über Flugzeuglage und -bewegung und liefern diese Daten an Autopilot-Computer, die Signale an Steuerflächen an den Flügeln und am Heck ausgeben, um einen gewünschten Kurs beizubehalten.

Piloten müssen im Cockpit eines Flugzeugs viele Daten im Auge behalten. Die Fluggeschwindigkeit – die Geschwindigkeit eines Flugzeugs im Verhältnis zur Luftmasse, durch die es fliegt – ist eines der wichtigsten Dinge, die sie überwachen. Für eine bestimmte Flugkonfiguration, sei es Landung oder Reiseflug, muss die Geschwindigkeit eines Flugzeugs innerhalb eines ziemlich engen Bereichs von Werten bleiben. Wenn es zu langsam fliegt, kann es einen aerodynamischen Stall erleiden, wenn der Auftrieb nicht ausreicht, um die nach unten gerichtete Schwerkraft zu überwinden . Wenn es zu schnell fliegt, kann es strukturelle Schäden wie den Verlust von Landeklappen erleiden.

Bei Verkehrsflugzeugen tragen Staurohre die Last, die Fluggeschwindigkeit zu messen. Die Geräte haben ihren Namen von Henri Pitot, einem Franzosen, der ein Werkzeug brauchte, um die Geschwindigkeit des in Flüssen und Kanälen fließenden Wassers zu messen. Seine Lösung war ein schlankes Rohr mit zwei Löchern – eines vorne und eines an der Seite. Pitot richtete sein Gerät so aus, dass das vordere Loch stromaufwärts zeigte, sodass Wasser durch das Rohr fließen konnte. Durch Messen des Druckunterschieds an den vorderen und seitlichen Löchern konnte er die Geschwindigkeit des sich bewegenden Wassers berechnen.

Flugzeugingenieure erkannten, dass sie dasselbe erreichen konnten, indem sie Pitotrohre an der Kante der Flügel montierten oder aus dem Rumpf herausragten. In dieser Position strömt der sich bewegende Luftstrom durch die Rohre und ermöglicht eine genaue Messung der Flugzeuggeschwindigkeit.

Bisher hat sich diese Liste auf Flugzeugstrukturen konzentriert, aber eine der wichtigsten Luftfahrtinnovationen – eigentlich eine Sammlung von Innovationen – ist die Flugsicherung , das System, das sicherstellt, dass Flugzeuge von einem Flughafen abheben und Hunderte oder Tausende von Flügen zurücklegen können Meilen und sicher am Zielflughafen landen. In den Vereinigten Staaten überwachen mehr als 20 Flugsicherungszentren die Bewegung von Flugzeugen im ganzen Land. Jedes Zentrum ist für ein definiertes geografisches Gebiet zuständig, so dass ein Flugzeug, das auf seiner Route fliegt, von einem Kontrollzentrum zum nächsten übergeben wird. Wenn das Flugzeug an seinem Ziel ankommt, wird die Kontrolle an den Verkehrsturm des Flughafens übergeben, der alle Anweisungen gibt, um das Flugzeug auf den Boden zu bringen.

Überwachungsradar spielt eine Schlüsselrolle in der Flugsicherung. Feste Bodenstationen, die sich auf Flughäfen und in Kontrollzentren befinden, senden kurzwellige Funkwellen aus, die zu Flugzeugen gelangen, sie treffen und zurückprallen. Diese Signale ermöglichen es Fluglotsen, Flugzeugpositionen und -kurse innerhalb eines bestimmten Luftraumvolumens zu überwachen. Gleichzeitig tragen die meisten Verkehrsflugzeuge Transponder , Geräte, die die Identität, Höhe, Kurs und Geschwindigkeit des Flugzeugs übertragen, wenn sie vom Radar „abgefragt“ werden.

Die Landung eines Verkehrsflugzeugs scheint eine der unwahrscheinlichsten Leistungen der Technologie zu sein. Ein Flugzeug muss aus einer Höhe von 35.000 Fuß (10.668 Meter) zum Boden absinken und von 650 Meilen (1.046 Kilometer) auf 0 Meilen pro Stunde verlangsamen. Oh, ja, und es muss sein gesamtes Gewicht – etwa 170 Tonnen – auf nur wenige Räder und Streben legen, die stark und dennoch vollständig einziehbar sein müssen. Ist es da verwunderlich, dass das Fahrwerk den ersten Platz auf unserer Liste einnimmt?

Bis in die späten 1980er Jahre verwendeten die meisten Zivil- und Militärflugzeuge drei grundlegende Fahrwerkskonfigurationen: ein Rad pro Strebe, zwei Räder nebeneinander auf einer Strebe oder zwei Räder nebeneinander neben zwei zusätzlichen nebeneinander angeordneten Fahrwerken. Seitenräder. Als Flugzeuge größer und schwerer wurden, wurden Fahrwerkssysteme komplexer, sowohl um die Belastung der Rad- und Strebenbaugruppen zu verringern, als auch um die auf den Rollbahnbelag ausgeübten Kräfte zu verringern. Das Fahrwerk eines Airbus A380 Superjumbo beispielsweise hat vier Fahrwerkseinheiten – zwei mit je vier Rädern und zwei mit je sechs Rädern. Unabhängig von der Konfiguration ist Festigkeit weitaus wichtiger als Gewicht, daher finden Sie Stahl und Titan, nicht Aluminium, in den Metallkomponenten eines Fahrwerks.

Anmerkung des Verfassers

Orville Wright hat einmal gesagt: "Das Flugzeug bleibt oben, weil es keine Zeit zum Fallen hat." Nachdem ich dies geschrieben habe, würde ich das als Untertreibung epischen Ausmaßes bezeichnen.

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