Auftrieb, Widerstand, Schub und Gewicht

Die vier Kräfte

Jedes fliegende Luftfahrzeug unterliegt genau vier Kräften:

Auftrieb wirkt senkrecht zur relativen Windgeschwindigkeit (dem vom Flügel begegnenden Luftstrom). Er wird durch den Druckunterschied über dem Flügel erzeugt. Der Auftrieb hängt von der Geschwindigkeit, der Luftdichte, der Flügelfläche, der Flügelform und dem Anstellwinkel ab.

Schwere wirkt senkrecht nach unten zum Erdmittelpunkt. Es handelt sich um die Gravitation auf das Luftfahrzeug und alles, was darin ist: Treibstoff, Passagiere, Fracht. Der Schwerelastwird während des Fluges durch Verbrennen von Treibstoff geändert.

Schub ist die vorwärts gerichtete Kraft, die von den Triebwerken erzeugt wird: Propeller, Turbofan, Turbojet oder Raketenmotor. Der Schub beschleunigt das Luftfahrzeug und hält die Geschwindigkeit gegen den Widerstand (Reibung und Formwiderstand) aufrecht.

Widerstand ist die rückwärts gerichtete Kraft, die dem Luftfahrzeug den Weg durch die Luft erschwert. Es gibt zwei Haupttypen: Parasitewiderstand (Reibung und Formwiderstand durch die Tragfläche, Fahrwerk, Antennen), der mit der Geschwindigkeit zunimmt, und induzierter Widerstand (ein Nebeneffekt des Auftriebserzeugens), der mit der Geschwindigkeit abnimmt.

Bei geradeaus und ebenem, unbeschleunigtem Flug sind alle vier Kräfte im Gleichgewicht: Auftrieb entspricht Schwerelast, Schub entspricht Widerstand. Ändert sich eine der Kräfte, beschleunigt, steigt, sinkt oder dreht sich das Luftfahrzeug.

Kraft in Aktion

Gleichgewicht und darüber hinaus

Das Verständnis der vier Kräfte ist nicht nur theoretisch: Es ist, wie Piloten denken. Jede Phase des Fluges ist eine verwaltete Ungleichheit dieser Kräfte. Start: Schub überschreitet Widerstand. Steigen: Auftrieb überschreitet Schwerelast. Sinken: Schwerelast überschreitet Auftrieb. Landung: Widerstand überschreitet Schub.

Die Wechselwirkung zwischen den Widerstandstypen ist besonders wichtig. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der induzierte Widerstand hoch (der Flügel arbeitet hart bei einem hohen Anstellwinkel). Bei hohen Geschwindigkeiten ist der Parasitwiderstand hoch (das Fahrwerk drückt sich durch dichteres relativen Luftstrom). Es gibt eine Geschwindigkeit, bei der der gesamte Widerstand minimiert ist: dies ist die Geschwindigkeit für den maximalen Reichweite und Endurance.

Flügelklappen, Höhenruder und Ruder

Drei Achsen der Drehung

Ein Flugzeug dreht sich um drei Achsen, jeder von ihnen wird von einer bestimmten Flugsteuerschlauchregelung kontrolliert:

Längsachse (Rollen): Gesteuert durch die Flügelklappen, die an der äußeren nachlaufenden Kante jedes Flügels angebracht sind. Bewegen Sie das Steuerrad nach links, dann geht die linke Flügelklappe nach oben (reduziert den Auftrieb auf diesem Flügel) und die rechte Flügelklappe geht nach unten (erhöht den Auftrieb). Das Flugzeug rollt nach links. Das Rollen ist, wie Flugzeuge wenden: indem sie anrollen, um eine Wende zu machen, damit ein Teil des Auftriebs das Flugzeug um die Krümmung herumzieht.

Querachse (Pitch): Gesteuert durch das Höhenruder auf dem horizontalen Stabilisator am Heck. Ziehen Sie am Stick und das Höhenruder neigt sich nach oben, indem es den Heckteil nach unten drückt und den Bug nach oben. Das Höhenruder steuert den Winkel des Angriffes und indirekt die Geschwindigkeit.

Senkrechte Achse (Yaw): Gesteuert durch das Ruder am vertical stabilizer. Drücken Sie den linken Ruderpedal und das Ruder neigt sich nach links, indem es den Heckteil nach rechts drückt und den Bug nach links. Das Ruder wird hauptsächlich zur Koordinierung von Wendungen und zum Gegensteuern von widrigem Yaw verwendet, nicht zum Alleinumsteilen des Flugzeugs.

Flügelklappen sind an der inneren nachlaufenden Kante der Flügel angebracht. Während des Startes und Landens werden sie ausgedehnt, um den Auftrieb und den Luftwiderstand zu erhöhen, wodurch das Flugzeug bei niedrigerer Geschwindigkeit fliegen kann. Flügelklappen ändern die Profilform (Kurvature) des Flügels.

Trim ermöglicht es dem Piloten, die neutral Position des Höhenrudes so anzupassen, dass das Flugzeug eine gewünschte Neigungsebene ohne ständigen Druck auf das Steuer beibehält. Ein korrektes Trimmen reduziert die Arbeitsbelastung für den Piloten erheblich.

Koordinierte Fluglage

Flugzeugkurvenflug

Eine häufige Fehlvorstellung ist, dass Flugzeuge sich durch die Ruder, wie ein Boot, drehen. Tatsächlich dreht sich ein Flugzeug, indem es gebankt wird, die Tragflächen werden so geneigt, dass ein Teil des Auftriebs horizontal zieht und das Flugzeug um die Kurve herumzieht. Die Rolle des Ruders im Kreisflug ist es, die Nase entlang der Flugbahn zu halten und verhindert, dass das Flugzeug schleift oder schlingert.

Bei einer Bankungsdrehung leitet ein Teil des Auftriebs, der das Gewicht des Flugzeugs unterstützt, nun horizontal. Das bedeutet, dass weniger vertikaler Auftrieb verfügbar ist, und das Flugzeug verliert Höhe, es sei denn, der Pilot erhöht den Druck am Stick (oder gibt mehr Leistung nach) um den gesamten Auftrieb zu erhöhen.

Sechser-Gruppe & Navigationssysteme

Die sechs primären Fluginstrumente

Jedes Flugzeug von einem Cessna 172 bis zu einem Airbus A380 zeigt die gleichen sechs grundlegenden Informationen an, traditionell in zwei Reihen zu je drei angeordnet (die 'Sechser-Gruppe'):

Luftgeschwindigkeitsanzeige: Zeigt die Geschwindigkeit des Flugzeugs durch die Luft (nicht über dem Boden). Angetrieben durch das Pitot-Statiksystem: Eine vorwärtsgleitende Tube (Pitot-Rohr) misst die Druckwirkung der Ram-Luft, & statische Porte messen den umgebenden Druck. Der Unterschied ist die dynamische Druck, die die Luftgeschwindigkeit anzeigen sollte.

Attitüdenanzeige (künstliches Horizont): Zeigt die Neigung und Bankung des Flugzeugs im Verhältnis zum Horizont. Dies ist das wichtigste Instrument für den Flug in Wolken oder in der Nacht, wenn der natürliche Horizont unsichtbar ist.

Altimeter: Zeigt die Höhe über dem mittleren Meeresspiegel basierend auf dem atmosphärischen Druck, der durch den statischen Port gemessen wird. Piloten stellen den Altimeter-Einstellung ein, um den lokalen Barometerdruck zu berücksichtigen.

Kurskoordinator: Zeigt die Geschwindigkeit und Qualität eines Kurves: ob das Flugzeug koordiniert, schleifend oder schief anfährt.

Kursanzeige (richtungsgeführte Kompass): Zeigt die magnetische Richtung des Flugzeugs. Stabiler als ein magnetischer Kompass in Turbulenzen oder Kurven.

Vertikalschwindigkeitsanzeige (VSI): Zeigt die Kletter- oder Abstiegsrate in Fuß pro Minute.

Navigation

VOR (VHF Omnidirektionaler Entfernungsmesser): Bodengestützte Funkpeilungen, die radiäle ausstrahlen: magnetische Bögen vom Standort. Piloten verfolgen spezifische Radiäle, um zwischen VORs zu navigieren. Dies war seit den 1950er Jahren der Rückgrat der Luftweg-Navigation.

GPS: Satellitenbasierte Navigation dominiert nun. Moderne GPS-Anflüge können ein Flugzeug innerhalb von 200 Fuß des Start- oder Landebahn-Endes in null Sicht führen.

IFR vs VFR: Visuelle Flugregeln (VFR) erfordern einen visuellen Bezug zum Boden und spezifische Wettermindestanforderungen (Sicht, Wolkenklarheit). Instrumentenflugregeln (IFR) erlauben den Flug in Wolken und Nullsicht mit Instrumenten und ATC-Leitung. IFR erfordert eine Instrumentenberechtigung, ein mit Instrumenten ausgestattetes Flugzeug und eine eingereichte Flugplanung.

Blind fliegen

Wenn Sie nicht sehen können

Raumliche Desorientierung ist eine der häufigsten Ursachen für tödliche Unfälle in der allgemeinen Luftfahrt. Das menschliche Vestibularsystem (dasinnere Ohr) entwickelte sich für das Gehen, nicht für das Fliegen. In Wolken oder in der Nacht ohne sichtbaren Horizont wird dein Körper lügen: Du könntest sich fühlen, als wärst du horizontal, wenn du in einem 30-Grad-Bankwinkel bist, oder wie du steigst, während du tatsächlich abfährst.

John F. Kennedy Jr. starb 1999, als er mit seinem Piper Saratoga in Nebel über dem Meer in der Nacht flog. Er war nicht instrumentenberechtigt. Ohne einen sichtbaren Horizont war er möglicherweise in einen Grabenspiral geraten: ein allmählich steiler werdender sinkender Kurvenflug, der wie ein gerade Flug auf dem inneren Ohr empfunden wird.

Wettergefahren für Piloten

Wetter tötet Piloten

Wetter ist der einzige häufigste Faktor bei tödlichen Unfällen in der allgemeinen Luftfahrt. Nicht, weil das Wetter unvorhersagbar ist: Es ist, weil Piloten schlechte Entscheidungen darüber treffen.

Fronts: Eine kalte Front schiebt sich unter warme Luft und schafft eine schmale Zone intensiven Wetters: Gewitter, Windzusammenschiebung, Turbulenz. Warmfronten gleiten über kalte Luft und schaffen breite Bereiche von Niederschlag und reduzierter Sicht. Wenn du weißt, welche Art von Front heranrückt, weißt du, welche Art von Gefahren zu erwarten sind.

Turbulenz: Mechanische Turbulenz entsteht durch den Wind, der über Gelände strömt. Konvektive Turbulenz entsteht durch thermische Aufwinde an heißen Tagen. Klare Luftturbulenzen (CAT) treten bei hohen Höhen in der Nähe von Jetströmen auf, ohne visuelles Warnsignal. Schubturbulenz von schweren Flugzeugen kann ein kleines Flugzeug umwerfen.

Eisbildung: Strukturelles Eis bildet sich, wenn superkühlte Wassertröpfchen beim Kontakt mit dem Flugzeug gefrieren. Eis auf den Flügeln zerstört den Auftrieb und erhöht den Widerstand. Eis am Propeller reduziert den Schub. Eis über dem Pitot-Rohr blockiert die Luftgeschwindigkeitsanzeige. Die meisten kleinen Flugzeuge sind nicht für den Flug in bekanntem Eisbereich zertifiziert.

Dichte Höhe: Luft, die warm und feucht ist oder in hoher Höhe liegt, ist dünn. Das Flugzeug verhält sich, als ob es in einer höheren Höhe wäre: längere Startstrecke, reduzierter Steiggeschwindigkeit, reduzierter Motorleistung. Eine Start- und Landebahn, die am Morgen an der Meeresseite sicher zu nutzen ist, kann am Nachmittag in 5.000 Fuß Höhe bei heißem Nachmittag gefährlich kurz sein.

Starten oder Nicht-Starten

Luftfahrtscheidungsfindung

Jeder Flug beginnt mit einer Entscheidung, ob man startet oder nicht. Berufspiloten verwenden strukturierte Rahmen: PAVE (Pilot, Flugzeug, Umgebung, externe Druck) und IMSAFE (Krankheit, Medikamente, Stress, Alkohol, Erschöpfung, Hunger). Diese Checklisten existieren, weil die gefährlichste Gefahr im Flugzeugbetrieb nicht Donnerschläge oder Triebwerksversagen ist: es ist ein Pilot, der entschieden hat, loszufahren, bevor er die Risiken bewertet hat.

Das Druck, einen Flug trotz abnehmender Bedingungen fortzusetzen, ist das tödlichste Muster im allgemeinen Flugzeugbetrieb. Die NTSB hat Hunderte von Unfällen untersucht, bei denen der Pilot in bekannt schlechtes Wetter geflogen ist, weil er sich verpflichtet fühlte, sein Ziel zu erreichen.

Wohin führt die Luftfahrt

Pilot Certificates

Private Pilot License (PPL): Mindestens 40 Stunden Flugzeit (durchschnittlich national 60-70). Erlaubt dir, in Einmotorenflugzeugen im Sichtflug zu fliegen, Passagiere mitzunehmen, aber nicht zur Kompensation. Kosten: 10.000-15.000 $.

Instrument Rating: Zusätzliche Ausbildung zum Fliegen in Wolken & niedriger Sicht, indem man Instrumente verwendet. Erforderlich für die meisten beruflichen Flüge & stark empfohlen für die Sicherheit.

Commercial Pilot License (CPL): Mindestens 250 Stunden. Erlaubt dir, für Entlohnung zu fliegen: Bannerziehen, Luftaufnahmen, Charterflüge.

Airline Transport Pilot (ATP): Mindestens 1.500 Stunden (1.000 für Militär, eingeschränktes ATP bei 750 für bestimmte Programme). Erforderlich, um als Kapitän bei einer Fluggesellschaft zu dienen. Dies ist die höchste Pilotenqualifikation.

Andere Luftfahrtkarrieren

A&P Mechanic (Airframe & Powerplant): FAA-zertifizierte Flugzeugwartungstechniker. 18-24 Monate an der Schule oder äquivalenter militärer Erfahrung. Hoher Bedarf, gute Bezahlung & du musst dich nie um den Arbeitsmarkt sorgen: Flugzeuge benötigen immer Wartung.

Air Traffic Controller (ATC): Unter der Verwaltung der FAA. Muss vor dem 31. Lebensjahr eingestellt werden. Wettbewerbliche Auswahl durch den FAA-AT-SA-Aptituttest. Hochstress, hohe Bezahlung, Pflicht zur vorzeitigen Pensionierung mit 56. Startgehalt von etwa 40.000 $ während der Ausbildung, erfahrene Kontroller verdienen 100.000-180.000 $.

Drone Pilot (Part 107): FAA-Remote-Pilot-Zertifikat für kommerzielle Drohnenbetriebe. Schriftlicher Test nur, keine Flugstunden erforderlich. Öffnet Karrieren in der Luftaufnahme, Vermessung, Inspektion, Landwirtschaft, Immobilien & Real Estate. Der am schnellsten wachsende Bereich der Luftfahrt.

Military Pipeline: Alle Streitkräfte betreiben Flugzeuge. Militärpiloten erhalten weltklasse-Ausbildung ohne Kosten in Austausch für einen Dienstverpflichtung (üblicherweise 10 Jahre für Piloten). Viele Linienpiloten wechseln aus militärischen Karrieren. Militärwartungstechniker & ATC-Personal wechseln auch gut in zivile Karrieren.

Synthesis

Putting It All Together

Sie verstehen jetzt die vier Kräfte des Fliegens, wie Piloten ein Flugzeug steuern, wie Instrumente sie im Wolkenrauschen sicher halten, warum Wetter die gefährlichste Gefahr im Allgemeinen Flugverkehr ist und die Karrierebahnen, die im Bereich verfügbar sind.

Die Luftfahrt belohnt Menschen, die in Systemen denken: Kräfte wechselwirken mit Steuerungen, Steuerungen wechselwirken mit Instrumenten, Instrumente wechselwirken mit Wetter und Wetter wechselwirken mit Entscheidungen. Die besten Piloten, Mechaniker und Kontroller haben nicht die schnellsten Reflexe. Sie sind diejenigen, die vorausdenken.