Warum können Flugzeuge eigentlich fliegen?

Der Airbus A380 – das größte Passagierflugzeug der Welt. Bild: I. Green
Der Airbus A380 – das größte Passagierflugzeug der Welt. Bild: I. Green

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Eigentlich ist es schon erstaunlich: Ein Flugzeug wie der Airbus A380 wiegt rund 560 Tonnen und kann trotzdem abheben und fliegen. Wie geht das? Warum können Flugzeuge überhaupt fliegen? Die Antwort auf diese Frage liegt – beim A380 wie bei allen anderen Flugzeugen – im gekrümmten Profil der Tragflächen: Denn der Flügel eines Flugzeugs ist so geformt, dass die Luft auf der gewölbten Oberseite viel schneller strömt als auf der Unterseite. Dadurch entsteht über dem Flügel ein starker Sog nach oben. Man könnte also sagen: Flugzeuge „liegen“ nicht etwa auf der Luft unter ihnen, sondern sie „kleben“ an der Luft über ihnen – natürlich immer vorausgesetzt, dass sie mit der erforderlichen Geschwindigkeit unterwegs sind, damit dieser sogenannte Auftrieb stark genug ist.

Ein Flugzeug entsteht am Computer – Fachleute nennen das „numerische Simulation“. Bild: DLR
Ein Flugzeug entsteht am Computer – Fachleute nennen das „numerische Simulation“. Bild: DLR

Auf ein Flugzeug wirken im Prinzip vier physikalische Kräfte ein: Die Schwerkraft zieht es nach unten, der Auftrieb wirkt im normalen Flug nach oben und hält das Flugzeug in der Luft. Der Vortrieb bewegt das Flugzeug vorwärts, der Widerstand bremst es. Erst wenn der Auftrieb größer als die Schwerkraft ist, hebt das Flugzeug ab. Im Gegensatz zu Luftschiffen oder Ballons, die einfach schweben, weil sie leichter als Luft sind, entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen also erst, wenn die Luft die Tragflächen schnell genug umströmt und so immer mehr Auftrieb erzeugt wird. Dazu wird der sogenannte Vortrieb benötigt, den Propeller oder Düsentriebwerke liefern. Auftrieb, Vortrieb, Schwerkraft, Widerstand – zu all dem gibt es auf dieser Seite unten eine Grafik, die das ganz einfach darstellt.

Mit diesem Wissen im Hinterkopf haben Ingenieure in der Vergangenheit den Flugzeug-Bau immer weiter verbessert. Doch es gibt noch immer viel zu tun: Künftige Flugzeuge sollten noch weniger Kraftstoff verbrauchen und weniger Abgase produzieren. Außerdem müssen sie noch leiser werden, damit die Lärmbelästigung für die Menschen am Boden verringert wird. Beim DLR forschen deshalb viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Flugzeug von morgen.

Dynamisch und elastisch

Jede Flugzeug-Struktur verformt sich aufgrund ihres Gewichts und der auf sie einwirkenden Kräfte. Als Passagier kann man das erkennen, wenn man zum Beispiel beim Start die Flügelspitze beobachtet. Sie hebt und senkt sich teilweise um etwa zwei Meter. Hier eine Simulation, die zeigt, wie sich ein Flugzeug verformt. Quelle: DLR
Jede Flugzeug-Struktur verformt sich aufgrund ihres Gewichts und der auf sie einwirkenden Kräfte. Als Passagier kann man das erkennen, wenn man zum Beispiel beim Start die Flügelspitze beobachtet. Sie hebt und senkt sich teilweise um etwa zwei Meter. Hier eine Simulation, die zeigt, wie sich ein Flugzeug verformt. Quelle: DLR

Ein besonders wichtiger Bereich bei der Entwicklung neuer Flugzeuge ist die Aerodynamik. Sie beschreibt das Verhalten von Körpern wie eben Flugzeugen in der Luft. Am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig und Göttingen befassen sich 170 Wissenschaftler mit verschiedensten Untersuchungen an Luft- und Raumfahrzeugen. Künftige Flugzeuge werden dabei zunächst per Computer entwickelt und danach sowohl in Windkanälen wie auch in Flugversuchen getestet.

Auch die Stabilität hat natürlich im Flugzeug-Bau eine ganz besondere Bedeutung. Flugzeuge sollten einerseits so leicht wie möglich sein – denn weniger Gewicht bedeutet ja auch weniger Spritverbrauch. Andererseits müssen sie aber höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen und eben auch stabil sein. „Stabil“ heißt aber nicht „starr“: Denn Flugzeug-Strukturen müssen sich in gewissen Grenzen elastisch verformen. Sonst würden die Flügel zum Beispiel beim Aufsetzen auf der Landebahn einfach abbrechen statt ein wenig auf und ab zu schwingen. All diese Fragen behandelt das DLR-Institut für Aeroelastik in Göttingen.

Erst rechnen, dann testen

Das im Computer berechnete Flugzeug wird als Modell im Windkanal getestet. Bild: DLR
Das im Computer berechnete Flugzeug wird als Modell im Windkanal getestet. Bild: DLR

Wie kann man ein neues Flugzeug konstruieren, wenn man all diese Dinge beachten muss? Die Konstruktion von Flugzeugen findet zunächst einmal am Computer statt. In der sogenannten „numerischen Simulation” werden die künftigen Flugeigenschaften durch computergestützte Verfahren berechnet. Um die am Rechner entworfene Konstruktion zu überprüfen, werden dann Modelle der Flugzeuge angefertigt und in Windkanälen getestet. Einen ganz besonderen Windkanal gibt es in Köln: den European Transonic Windtunnel – kurz ETW. Das englische Wort „transonic” bedeutet Überschall – und so können hier Geschwindigkeiten von bis zu 1,3 Mach erreicht werden. Dabei fliegt natürlich nicht das Flugzeug-Modell so schnell, sondern die Sache läuft genau umgekehrt ab: Die Luftströmung wird auf dieses hohe Tempo beschleunigt.

„Flüsternde” Flugzeuge

Die Triebwerke müssen noch effizienter und leiser werden. Bild: DLR
Die Triebwerke müssen noch effizienter und leiser werden. Bild: DLR

Um abzuheben und in der Luft zu bleiben, benötigt ein Flugzeug eine bestimmte Geschwindigkeit, damit der Auftrieb die Schwerkraft überwindet. Die für den Schub eingesetzten Triebwerke müssen aber in Zukunft noch leiser und sparsamer im Umgang mit dem Treibstoff sein. Außerdem sollten sie deutlich weniger Abgase ausstoßen, damit die Umwelt nicht weiter belastet wird.

Dafür hat man sich schon im Jahr 2001 ganz konkrete Ziele gesetzt: So soll der Spritverbrauch halbiert werden – und auch den Lärm, den ein Flugzeug erzeugt, will man auf die Hälfte verringern. Und das alles innerhalb von rund 20 Jahren. Am DLR-Institut für Antriebstechnik arbeiten Spezialisten an der Entwicklung solcher „flüsternder“ und umweltfreundlicher Flugzeuge. Die Forschungsarbeiten stützen sich auf Tests, die in großen Versuchsanlagen und Prüfständen zum Beispiel mit modernster Laser-Messtechnik durchgeführt werden.

Auf ein Flugzeug wirken vier physikalische Kräfte ein, damit es fliegen kann. Grafik: DLR
Auf ein Flugzeug wirken vier physikalische Kräfte ein, damit es fliegen kann. Grafik: DLR