Aerodynamik – Grundlagen

Warum fliegt ein (Modell-) Flugzeug ?

Ein Gas- oder Heißluftballon ist leichter als die Luftmenge, die er verdrängt. Er fliegt nach dem gleichen Prinzip, wie auch ein Stück Holz im Wasser schwimmt.
Warum aber fällt ein Flugzeug nicht vom Himmel, obwohl es wesentlich schwerer als das verdrängte Luftvolumen ist?

Auftriebskraft:
Damit ein Flugzeug fliegen kann, muss die Erdanziehungskraft durch eine andere Kraft – die Auftriebskraft – aufgehoben werden. Diese Auftriebskraft entsteht an den Flügeln des Flugzeugs durch ständige Vorwärtsbewegung in der umgebenden Luft.

Abb.: Auftrieb

Durch den besonderen Querschnitt des Flügels (=Flügelprofil) muss die vorbeistreichende Luft an der Oberseite einen längeren Weg als an der Unterseite zurücklegen. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dadurch oben größer als unten. Es entsteht ein Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite (=Auftriebskraft), der den Flügel nach oben drückt.

Fliegen bedeutet ständige Vorwärtsbewegung:
Nur durch ständige Vorwärtsbewegung streicht Luft am Flügel entlang und erzeugt dadurch Auftrieb (A). Gleichzeitig muss der Luftwiderstand (W) durch Motorkraft oder Höhenverlust (beim Segelflugzeug) überwunden werden:

Abb.: Strömung liegt an

Je langsamer das Flugzeug wird, desto stärker muss der Flügel gegenüber der Flugrichtung verdreht werden (=Anstellwinkel), um die nötige Auftriebskraft zu erzeugen. Mit steigendem Anstellwinkel bilden sich aber an der Flügelhinterkante verstärkt Luftwirbel und die Strömung liegt nicht mehr laminar am Flügel an:

Abb.: Flugzeug wird langsam

Ab einem gewissen Anstellwinkel kommt es schließlich zum Strömungsabriss und der Auftrieb bricht schlagartig zusammen (=überzogener Flugzustand). Das Flugzeug fällt dann unkontrollierbar nach unten und wird erst wieder steuerbar, wenn es genügend Fahrt aufgenommen hat.

Abb.: Flugzeug zu langsam, Strömung reißt ab

 

Was muss unbedingt stimmen ?
Ein Modellflugzeug kann noch so sauber gebaut und lackiert sein und trotzdem fluguntüchtig sein. Es gibt nämlich einige wichtige Punkte, die unbedingt zu beachten sind.

Auftriebsmittelpunkt und Schwerpunkt:

Abb.: Schwerpunkt, Auftriebspunkt

Der Auftriebsmittelpunkt liegt von der Flügelvorderkante aus gemessen etwa bei 1/3 der Flügeltiefe. Er ist das auf einen Punkt konzentrierte Zentrum des gesamten Flügelauftriebs. Damit ein Flugzeug flugfähig ist, muss kurz vor diesem Auftriebsmittelpunkt das Zentrum der Flugzeugmasse (= Schwerpunkt) liegen. Die korrekte Gewichtsverteilung wird ermittelt, indem man das Flugzeug am Schwerpunkt frei pendelnd aufhängt und es dann durch die Zugabe von Trimmgewichten in die waagerechte Lage bringt. Durch Veränderung des Abstandes zwischen Schwerpunkt und Auftriebsmittelpunkt können die Flugeigenschaften beeinflusst werden. Je kleiner der Abstand ist, desto wendiger und kritischer wird das Flugzeug. Wenn aber der Abstand zu groß ist, werden die Flugleistungen deutlich schlechter.

Einstellwinkeldifferenz:
Die Einstellwinkeldifferenz (=EWD) ist der Winkel zwischen den Mittellinien (=Profilsehnen) des Tragflügels und des Höhenleitwerks. Bei Seglern und langsameren Motormodellen beträgt die EWD etwa 1-2°. Bei schnellen, kunstflugtauglichen Motormodellen nur 0-0,5°.

Abbildung: EWD

Motorsturz und -seitenzug:
Bei Motorflugzeugen wird die Drehachse des Propellers nicht genau parallel zur Flugrichtung ausgerichtet. Meist ist eine kleine Abweichnung nach rechts (= Seitenzug) erfor­derlich, um das Motordrehmoment auszugleichen.
Abhängig vom verwendeten Flügelprofil ist auch eine Neigung der Drehachse nach unten
(= Motorsturz) nötig, damit das Flugzeug auch bei Vollgas neutral geradeaus fliegt.

Flächenbelastung:
Je schwerer ein Flugzeug bei gleichbleibender Flügelgröße gebaut wird, desto größer ist die Flächenbelastung (= Gewicht pro Flügel­fläche). Wenn die Flächenbelastung zu hoch ist, läßt sich das Flugzeug nicht mehr langsam fliegen, braucht viel Motorleistung und ist bei der Landung sehr kritisch. Es ist deshalb sehr wichtig, daß man bei der Konstruktion einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Festigkeit und möglichst geringem Gewicht findet.