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Flugzeugbau

Vorgeschichte

Zu Beginn des Flugzeugbaus wurde als Material Bambus zum Bau von Tragflächen und Rumpfrahmen verwendet, die durch Drähte in die richtige Form gebracht wurden. Leider war Bambus durch sein rundes Querprofil nicht gerade geeignet den Luftwiderstand zu vermindern. Da damals aber nicht gerade hohe Geschwindigkeiten erreicht wurden, bildete dies nicht gerade ein ernsthaftes Problem. Die Bambusstreben wurden hierbei auf die richtige Länge zugeschnitten und durch einfache aus Bronzeblech bestehende Strebenschuhe miteinander verbunden.

Diese Rahmen wurden danach durch Drähte versteift, um die notwendige Festigkeit zu erhalten. Neben der Festigkeit konnte mittels der Drähte auch der Rahmen in die notwendige Form gebracht werden. (durch Änderung der Spannung). Fichte und Esche verdrängten bald Bambus. Sie führten durch Ihren Einsatz zu besseren stromlinienförmigen Konstruktionen bzw. Tragflügelformen. Die dünnen Tragflügel der ersten Flugzeuge wurden bald durch dickere Tragflächen abgelöst, die mehr Auftrieb erzeugten und die Verwendung von tieferen und leistungsfähigeren Tragflächenholmen gestatteten.

Später wurde durch den Einsatz von I-Profil-Spindelholme die Stabilität der Flügel enorm erhöht (ähnlich der aus dem Bauwesen bekannten H-Profilträger). es wurden auch erste Versuche unternommen, ein Flugzeug mit Schalenrumpf zu bauen. Bei der Schalenbauweise bilden die äußeren Wandungen mit Versteifungselementen die tragende Struktur und nicht eine interne Fachwerksstruktur. Viele der sog. Rumpfschalen, wie z.B. bei den dt. Albatros - Flugzeugen, enthielten besondere Versteifungselemente, die äußere Wandung war vorwiegend aber nicht die vollständig tragende Struktur, und man sollte sie deshalb genauer als "mittragende Außenbeplankung" bezeichnen. Die echten Holzrumpfschale, wobei dünne Funierblätter zusammengepackt und -geklebt wurden, erschien erst später. 

Beim Bau von Tragflügel wurde die Schalenbauweise äußerst selten angewandt, da die Belastung hierbei andersartig ist. Die Tragflügelbeplankung ist zwar dehnungsfest, aber nicht druckfest, außer wenn sie durch nahe aneinanderliegende Versteifungselemente verstärkt ist. Wenn das Flugzeug auf dem Boden steht, ist die Unterseite durch das Eigengewicht des Flügels unter Belastung. Im Flug ist die Situation gerade andersherum, und die Belastung ist wesentlich höher. Während des I. Weltkrieges mußte man notgedrungen durch einen Engpaß bei Holzlieferungen auf einen anderen Ersatzstoff als Holz wechseln. Dies war zwangsläufig Metall und gegen Ende des Krieges produzierte man beträchtliche Mengen an Tragflächen und Rahmen aus Metall.

Hierbei wurde aus Deutschland bahnbrechende Erfindungen gemacht. Einer der bekanntesten Pionieren auf diesem Sektor war Hugo Junkers, der bereits 1910 ein Patent auf eine freitragende dicke Tragflügelsektion ,ohne externe Verstrebungen, anmeldete. 1914 wurde das dreimotorige Flugboot Dornier RS1 bestehend aus einer Ganzmetallkonstruktion in Leichtmetallbauweise vorgestellt. Junkers äußerte sich einmal so über die jeweiligen Vorteile der beiden Werkstoffe: "Holz ist nur in festgelegten Größen und Stamm- bzw. Astformen in der Natur erhältlich, dagegen gibt es Metall in nahezu unbeschränkten Güteklassen und Größen. Außerdem läßt es sich zu jeder Form weiterverarbeiten, ist beständiger, seine Festigkeit kann genauer festgelegt werden, und Klima sowie atmosphärische Einflüsse haben keine Wirkung." Junkers Entwicklungen beeinflußten den gesamten Verlauf des Flugzeugbaus. Er war der Wegbereiter der ersten brauchbaren Tiefdecker mit und ohne freitragenden Tragflügeln sowie der Ganzmetallflugzeuge, die er im Laufe der Zeit weiter verbesserte.

Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Entwicklung des Flugzeugbaus wurde von dem deutschen Konstrukteur, Dr. Adolf Rohrbach, geleistet. Für die Außenhaut von Tragfläche und Rumpf benutzte er Junkers Wellblech. Dies resultierte in einem hohen Luftwiderstand, darüber hinaus konnte Wellblech nicht den hohen aerodynamischen Kräften standhalten, insbesondere bei den Tragflächen. Deshalb begann Rohrbach 1919 mit der Konstruktion von Tragflächen aus Kastenholmen in Verbindung mit einer glatten Metallbeplankung, die die verhältnismäßig hohen Belastungen aushielt. Die "mittragende Außenbeplankung" war geboren.

Rumpf

Anfangs war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper der die anderen Bestandteile des Flugzeuges trug und er hatte noch kein Fahrwerk sondern meistens Kufen die über die Grasoberfläche schlitterten (siehe Wirght Flyer). Erst bei den späteren Entwicklungen ging man zur Konstruktion von geschlossenen kastenförmigen Rümpfen über die von Streben und Drähten in Form gehalten wurden. Zur Verbesserung des Strömungswiderstandes und als Schutz für die Piloten und Passagiere überzog man diese Rümpfe mit Leinenstoffen. Während des I. Weltkrieges tauchte dann erstmals die Verwendung von sog. Schalenrümpfen auf (siehe Albatros D III). Bei Schalenrümpfen werden die wirkenden Kräfte hauptsächlich von der „Haut" aufgenommen und nicht wie bei den Gitterkonstruktionen von dem inneren Metallgerüst.

Der Rumpf dient in erster Linie zur Aufnahme der zahlenden Last (Passagiere, Post, Fracht usw.). Als technischer Bestandteil des Flugzeuges bildet er die unentbehrliche Verbindung zwischen Tragwerk und hinterem Leitwerk. Die Distanz von vorderster Rumpfspitze bis zum Heck oder bis zum hintersten Punkt am Leitwerk bezeichnen wir als Flugzeuglänge.

Es ist ein Bild verfügbarBis in die 20er Jahre fanden drahtverspannte Holzrumpfwerke häufig Anwendung. Die Struktur besteht aus N-förmigen Holmen, und die vier Längsträger sind oftmals geformt, um die gewünschte Rumpfwerkform zu erhalten. Andernfalls dienten leichte ring- oder rahmenförmige Bauteile, auch Spanten genannt, zur Befestigung an Rümpfen, und eingekerbt für die Außenhautversteifung, zur Aufnahme von Stoffbespannung oder Holzbelag.

Tragwerk / Tragflächen

Das Tragflächendesign soll Auftriebskraft erzeugen. Ist diese Kraft größer als das Gewicht des Flugzeuges, steigt es auf. Die Stärke der Auftriebskraft ist von folgenden Faktoren abhängig: Form: Einige Flügel sind bessere Heber als andere. Geschwindigkeit: je schneller die Luftströmung, desto stärker der Auftrieb. Winkel zwischen der Profillinie des Flügels und der Luftströmung: Dieser Winkel (siehe Schaubild) wird Anstellwinkel genannt. Wird ein Flugzeug im Horizontalflug langsamer, reduziert sich gewöhnlich auch die Auftriebskraft, und das Flugzeug sinkt ab. Um den Horizontalflug beizubehalten, gleicht der Pilot den Geschwindigkeitsverlust durch Vergrößerung des Anstellwinkels aus, indem er den Steuerknüppel zurückzieht. An einem bestimmten Punkt läßt sich die Auftriebskraft durch Vergrößerung des Anstellwinkels jedoch nicht mehr erhöhen, und das Flugzeug sackt ab, wobei die Auftriebskraft abnimmt und der Anstellwinkel zunimmt.

Das Tragwerk besteht aus einem linken und einem rechten Flügel. Es dient der Erzeugung des Auftriebes, der unser Flugzeug flugfähig macht. Im übrigen sind die Flügel heute allgemein als Brennstofftanks ausgebildet. Die Distanz von Flügelspitze zu Flügelspitze bezeichnen wir als Spannweite.

In den Anfangsjahren des Motorfluges dominierten zwei Flugzeugtypen die sich nur durch die Anzahl ihrer Tragflächen unterschieden. Hatten die Gebrüder Wright noch mit Doppeldeckern (zwei Tragflächen) ihre Erfolge in Amerika vorgestellt so wurde stattdessen in Europa anfangs mit sog. Eindecker Flugzeugen (eine Tragfläche) experimentiert. Erst kurz vor dem I. Weltkrieg setzten sich die Mehrflügelmaschinen durch und so konstruierte man sogar während des Krieges Dreidecker oder Vierdecker. Grund dieser Entwicklung war sicher die Erkenntnis, dass mehrere Tragflächen auch einen höheren Auftrieb verursachen und größere Stabilität der Bauweise erzeugen.

Erst während der dreißiger Jahre setzte sich der Eindecker durch und wurde zur dominierenden Bauart im Flugzeugbau. Grund hierfür war sicher auch das sog. Auskragungsprinzip im Tragflächenbau. Hierbei wurde der Tragflächenbau soweit erweitert (durch best. Bauelemente im Tragflächeninnern), dass die Tragflächen ohne Zuhilfenahme von Außenverstrebungen Ihre Eigenlast und die auftretenden Lasten während des Fluges trugen. Eine typische Tragfläche besteht aus einem Rahmen aus Holmen und Versteifungsrippen, der von einer dünnen Blechhaut umschlossen ist. Bei den kleineren Flugzeugen, insbesondere Segelflugzeuge, wird teilweise imprägniertes Gewebe oder selten verleimtes Sperrholz oder harzgetränkte Glasfaser verwendet.

Der Holm oder Träger reicht vom Rumpf bis zur Spitze der Tragfläche. Bei der Tragfläche werden ein oder mehrere Holme verwendet, meistens besteht aber die Konstruktion aus zwei Holmen. Mit den Versteifungsrippen, die normalerweise rechtwinklig an den Holmen befestigt sind, verleiten der Tragfläche ihre äußere Form. Durch die Verwendung einer Blechhaut wird diese Konstruktion noch zusätzlich verstärkt und die Stabilität der Tragfläche erhöht. Bei fast allen größeren Flugzeugen kommt diese „tragende Außenhaut" zum Einsatz.

In letzter Zeit kommt aber auch verstärkt versteifter Kunststoff beim Tragflächenbau, insbesondere bei den Häuten, zum Einsatz. Beim Tragflächenbau müssen aber auch die verschiedenen Einsatzgebiete des Flugzeugtyps berücksichtigt werden. In sog. Überschallflugzeugen haben die Tragflächen eine sehr starke Pfeilform (verjüngt sich von der Rumpfnase aus), sehr dünn und haben eine klingenförmige Tragflügelvorderkante. Diese Form dient zur Verringerung des Verdichtungsstoßes beim der Erreichung der Schallgeschwindigkeit. Eine extremer Entwicklung des Tragflächenbaus sind die Nurflügelflugzeuge, bei denen der normale Rumpf komplett in einem Flügel verschwunden ist und sich die Leitwerke am Flügelende befinden. Sogar die Triebwerke werden bei so einem Typ in die Flügel integriert (siehe z. B. den B 2 Bomber).

Es ist ein Bild verfügbar Es ist ein Bild verfügbarDiese Holzflügel stammen aus den 20er Jahren. In der Regel um zwei Tragholme gebaut, die I-förmig und aus einem Stück Holz gefräst oder als leerer Kasten hergestellt wurden. Die Flügelrippen waren etweder als leichte Holme oder aus Sperrholz gefertigt. Die Verspannung der Flügel gelang mit Hilfe interner Drähte oder durch Beplankung mit Sperrholz von der Leitkante bis zum Vorderholm. Die übrige Tragfläche erhielt eine Stoffbespannung, wurde verspannt und durch eine Laclierung wasserfest gemacht. Erklärung: 1 Flügelrippe, 2 Vorderholm, 3 Hinterholm

Leitwerk

Steuerflächen usw.Das Leitwerk besteht aus Höhen- und Seitenflossen (Stabilitätsflächen sowie Höhen- und Seitenrudern am Rumpfende. Hinzu kommen die Querruder oder Verwindungsklappen an den Flügeln. Mit Hilfe des Leitwerks wird das Flugzeug im Gleichgewicht gehalten und um die drei Bewegungsachsen (Längs-, Hoch-, und Querachse) bewegt, d. h. gesteuert.

Im Prinzip werden beim Flugzeug die Steuerbefehle an zwei wichtige Ruderflächen, der waagerechten und senkrechten Fläche, weitergeleitet.

Der vordere Teil der waagerechten Ruderfläche wird Höhenflosse genannt, und der hintere bewegliche Abschnitt ist das Höhenruder. Bei einigen Flugzeugtypen wird das Höhenruder auch weggelassen und die ganze Höhenflosse ist beweglich.

Der feste Teil der senkrechten Ruderfläche wird Seitenflosse genannt, und der bewegliche Teil ist das Seitenruder. Bei einigen Typen kann es auch zu einer doppelten oder dreifachen Auslegung dieser Ausführung kommen.

Beim Leitwerk in V Form sind die Aufgaben des Seiten- und Höhenruders in einer einzigen Vorrichtung vereint. Bei einigen modernern Überschallflugzeugen wird das waagerechte Leitwerk durch ein Kopfleitwerk ersetzt, das in der Nähe der Rumpfspitze befindet (siehe z. B. der Eurofighter).

Fahrwerk

Das Fahrwerk ist für die Bewegung des Flugzeuges am Boden unentbehrlich (Start, Landung, rollen) und wird während des Fluges zwecks Verminderung des Luftwiderstandes in Rumpf und Flügel eingezogen (Einziehfahrwerk). Alle modernen Verkehrflugzeuge haben ein Bugfahrwerk, bestehend aus Bugrad, linkem und rechtem Hauptfahrwerk. Links vorne im Cockpit (Pilotensitz) befindet sich ein kleines Rad zur Steuerung des Bugrades. Ältere Flugzeugtypen besitzen an Stelle des Bugrades ein Heckrad. Steht das Flugzeug am Boden, so finden wir das dritte Hauptmaß: die Distanz vom Boden bis zum höchsten Punkt am Seitenleitwerk, die Flugzeughöhe.

Anfänglich wurden im Motorflug noch keine Räder als Fahrwerk verwendet sondern hauptsächlich Holzkufen die fest mit der Rumpfkonstruktion verbunden waren. Spätere Entwicklungen bestandne aus einer Kombination von Kufen und Rädern , wobei die Kufen hauptsächlich ein Kippen nach vorn bei der Landung verhindern sollten. Während des I. Weltkrieges wurden dann die Kufen weitgehend weggelassen und durch fest verbundene Radfahrwerke mit einem Hecksporn am Rumpfende ersetzt. Hierbei wurden die Räder vor dem Schwerpunktzentrum der Flugzeuges angebracht und durch ein Hecksporn, später Heckrad, unterstützt. Auch eine Federung des Hauptfahrwerks wurde anfangs noch nicht verwendet und so musste der Rumpf die Belastungen einer Landung aufnehmen. Erst kurz vor bzw. während des I. Weltkrieges wurde die Fahrwerke mit Metall-Federn oder Gummifederungen versehen. In den dreißiger Jahren fand eine weitere Fahrwerkskonstruktion, das Bugfahrwerk, im Flugzeugbau Verwendung. Ein Bugfahrwerk besteht aus zwei großen Rädern oder Radgruppen hinter dem Schwerkraftzentrum und einem dritten Rad, dem Bugrad, das vor den zwei Haupträdern angebracht ist. Durch die Verwendung des Bugfahrwerks wir die Landung sehr erleichtert und der Bremsvorgang bzw. die Manövrierfähigkeit verbessert. Auch das nach vorn überkippen wird verringert. Bei größeren Flugzeugen werden meisten mehrere Hinterradgruppen verwendet. Weitere Versionen von Fahrwerken sind Raupenfahrwerke zum Starten und Landen auf schlechtem Untergrund, ein schwenkbarer Fahrwerk zur Landung bei Seitenwind und eine Kombination aus Ski- und Radfahrwerk zur Landung auf Eis und Schnee. Bei speziellen Einsatzgebieten der Flugzeuge werden die Räder durch Schwimmer oder Kufen, je nach Einsatzgebiet, ersetzt oder durch bestimmte Konstruktionen des Flugzeugrumpfes wie z. B. beim Flugboot nicht mehr verwendet.

Es ist ein Bild verfügbarZeichnung A: Der Wrigth Flyer war für den historischen Flug im Jahre 1903 nicht mit einem Fahrwerk ausgerüstet. Gestartet wurde mit Hilfe eines kleinen fahrbaren Untersatzes. Er bestand aus zwei umgebauten Fahrradrädern, die auf einer Holzschiene entlangfuhren. Am Boden benutzten die Gebrüder Wright zwei Wagen mit kleinen Rädern unter jedem Flügel.
Zeichnung B: Der Antoinette Eindecker von 1909 hat einen nach vorne vorstehenden Sporn, so daß die Maschine beim Landen keinen "Kopfstand" machte.
Zeichnung C: Fahrwerk des Bleriot Eindeckers von 1909. Die drehbaren Reifen waren an Fahrradgabeln angebracht, und Landungen mit Seitenwind konnten vorgenommen werden.

Antrieb / Triebwerk

Das Triebwerk dient der Erzeugung des Vortriebes, der die Vorwärtsbewegung des Flugzeuges und damit auch die Erzeugung des Auftriebes am Tragwerk bewirkt. Äußerlich erkennbar ist vor allem der Unterschied zwischen Propellertriebwerken und reinen Düsen- oder Strahltriebwerken. Große Abweichungen bestehen im Einbau der Düsentriebwerke. Diese sind entweder unter dem Flügel aufgehängt, in Rumpfnähe im Flügel eingebaut oder am Hinterteil des Rumpfes angebracht.

Weiterführende Erklärungen: Reihenmotor, Umlaufmotor, Sternmotor

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