Strömung – Widerstand – Auftrieb
Damit ein Flugzeug fliegt, muss es sich relativ zur umgebenden Luft bewegen. Für die Geschwindigkeit relativ zu Luft sorgt bei unserer Cessna der Motor und Propeller, für den Auftrieb der Anstellwinkel der Tragfläche. Ein stark vereinfacher Einstieg in eine eher komplexe Materie, aber wir wollen es in diesen Beginner-Tutorials einfach angehen lassen.
Die umgebende Luft trifft von vorne auf unser Flugzeug, erzeugt Auftrieb und hebt es an. Je schneller wir fliegen, umso mehr Auftrieb haben wir zur Verfügung. Es sind also „unsichtbare“ Kräfte im Spiel, die die Masse des Flugzeugs überwinden. So einfach wie im Bild ist es aber leider nicht, denn die Auftriebskräfte müssen erst einmal erzeugt werden. Und wie so viele Kräfte haben leider auch Nebenwirkungen, die wir zum Fliegen überwinden und verstehen müssen.
Auftrieb gibt es nicht einfach so
Die Tragfläche eines Flugzeugs besitzt eine charakteristische Form. Die Oberseite des Profils ist in der Regel gewölbt, während die Unterseite flacher ausgeführt ist. Zusätzlich ist die Tragfläche nicht exakt parallel zur Anströmung ausgerichtet, sondern etwas mit der Profilspitze nach oben verdreht – besser gesagt: angestellt. Diese Kombination aus Profilform und Anstellwinkel sorgt dafür, dass die anströmende Luft gezielt beeinflusst wird.
Das Profil zwingt durch seine Form die Luft, ihren Weg zu ändern. Ein Teil der Luft wird nach oben verdrängt, der andere nach unten abgelenkt. Diese Teilung der anströmenden Luft erzeugt eine unterschiedliche Druckverteilung. Oben herrscht ein geringerer Druck als auf der Unterseite. Diese Druckdifferenz stellt im Wesentlichen den Auftrieb dar und ist die direkte Folge der Umlenkung der anströmenden Luft. Wichtig für das Verständnis ist dabei, dass der Auftrieb als Folge der erzwungenen Strömungsumlenkung nicht freiwillig erzeugt wird. Der Preis dafür heißt Widerstand. Wir müssen eine stetige Kraft aufwenden, um das Flugzeug zur Auftriebserzeugung durch die Luft zu bewegen.
Es dreht sich vieles um den Anstellwinkel
Der Anstellwinkel beschreibt den Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Tragfläche, genauer gesagt der Profilsehne. Er ist eine der wichtigsten Größen in der Aerodynamik eines Flugzeugs. Wird der Anstellwinkel vergrößert, wird die anströmende Luft stärker umgelenkt und der Auftrieb nimmt zu.
Umgekehrt führt ein kleiner Anstellwinkel zu einer geringeren Umlenkung der Luft und damit auch zu weniger Auftrieb. Ein erhöhter Auftrieb durch einen größeren Anstellwinkel klingt verlockend, aber dieses Unterfangen hat seine Grenzen. Wenn der Anstellwinkel zu groß wird, reißt die Strömung teilweise an der Oberfläche ab. Die Folge ist ein plötzlicher Verlust an Auftrieb, der als Strömungsabriss oder Stall bezeichnet wird. Bei der Auslegung ist dieser Zustand in der Regel berücksichtigt: Der Abriss kündigt sich durch Vibrationen oder ein schwammiges Steuergefühl an und beginnt meist an der Flügelwurzel, sodass die Querruder zunächst noch wirksam bleiben.