Das Fliegen

„Top Gun“ ist nicht Realität - Fliegen im Kampfjet ist sehr gewöhnungsbedürftig und etwas für Hartgesottene, denn: Mit „Ganzkörper-Korsett“ (G-Anzug) und Druckhelm sitzt der Pilot fest angeschnallt im Schleudersitz. Im Cockpit herrscht angstvolle Enge, insbesondere wenn die Abdeckung geschlossen wird. Die Sicht nach außen ist sehr beschränkt (120° horizontal), dafür gibt es jede Menge Vibrationen, Motorengeräusche und G-Kräfte zum Übelwerden. Die Privatfliegerei mit alten ausrangierten Jets ist in den USA derzeit in Mode und dort auch mit Sondererlaubnis möglich (Kleingeld vorausgesetzt).

Aerodynamik

Überschallflugzeuge oder Flugzeuge, die sich im schallnahen Geschwindigkeitsbereich bewegen (transsonic), besitzen positiv gepfeilte Tragflächen. Der Vorteil dieser Flügelform liegt hauptsächlich darin, dass ihr aerodynamischer Widerstand bei hoher Geschwindigkeit weniger schnell ansteigt und deutlich geringer ausfällt. Weiterhin sind eine gleichmäßigere Auftriebsveränderung im Mach 1 Bereich und eine verringerte Schwerpunktverlagerung festzustellen. Nachteilig wirken sich der reduzierte Auftrieb bei gleichem Anstellwinkel und ein schlechteres Auftriebs-/Widerstandsverhältnis aus.

Flugzeug mit variabler Pfeilung

Das zweite Problem betrifft die Annäherung an die Schallgeschwindigkeit, wobei Mach 0,68 in den 40er Jahren als kritisch galten. Piloten, die dies 1941 erstmals im Sturzflug testeten, spürten zunächst zunehmende Schüttelbewegungen, dann einen Anstieg der Steuerkräfte. Bei 0,75 Mach wurde das Flugzeug nicht mehr steuerbar (Keine Kenntnisse über Strömungsverhältnisse am Profil).
Wir wissen heute, dass neben der Pfeilung ein dünnes Profil mit kleiner Flügelstreckung (Profildicke 3 – 7% gegenüber 15% - 18% bei Unterschallflugzeugen) erforderlich ist.

Alle Kampfflugzeuge haben eine geringe Flügelstreckung (Verhältnis A= Spannweite2/Flügelfläche) und eine kleine relative Profildicke (Verhältnis max. Profildicke zu Flügeltiefe). So beträgt die Flügelstreckung bei einer MiG-21 2,2 und die rel. Profildicke 4,3% bei einer Pfeilung von 59° und einer Flügelfläche von 23,2 qm. Schwenkbare Flügel vereinen die Vorteile geringer und großer Pfeilung hinsichtlich Fluggeschwindigkeit und Flughöhe, verursachen aber ein höheres Fluggewicht, höhere Kosten und reduzieren das Tankvolumen. Eine Tragflächenbelastung von ca. 350 kg/qm ist für Kampfflugzeuge typisch.

Der Auftrieb, den ein Flügel produziert, ist eine Funktion des Auftriebsbeiwerts, des Staudrucks und der Flügelfläche (A= ca*q*F). Der Auftriebsbeiwert ist dabei etwa linear von dem Anstellwinkel (AoA) abhängig, erreicht sein Maximum bei Kampfflugzeugen im Bereich 15-20° und fällt dann steil ab (Strömungsabriss an der Oberseite). Auf der Unterseite entsteht immer ein Überdruck, auf der Oberseite ein Unterdruck, ein sogenannter Sog, der 2/3 der Auftriebskraft ausmacht.

Der Luftwiderstand (verursacht durch Reibung, Formwiderstand des Profils, Druckausgleich zwischen Unter- und Oberseite etc.) und der Auftrieb bilden die Luftkraftresultierende R, der Angriffspunkt = Druckpunkt wandert nach vorn bei höherem Anstellwinkel und erzeugt ein Moment um die Querachse.

Während Tragflächen mit einer hohen Flügelstreckung lineares Auftriebsverhalten besitzen, wobei der Auftriebsabfall erst mit zunehmendem Strömungsabriss auf der Flügeloberkante einsetzt, zeigen die Tragflächen von Kampfflugzeugen ein nichtlineares Verhalten. Durch die kleine Flügelstreckung entsteht eine weniger steile Auftriebskurve ohne klares Maximum, daher sind höhere AoA notwendig. Die Druckverteilung ist unterschiedlich auf Oberfläche. Lineares Auftriebsverhalten liegt nur bis ca. 5° AoA vor, der Auftrieb bleibt geringer, da sich eine Blase mit Wirbel im vorderen Flügelbereich bildet, die die Strömung abhebt. Die Blase wird größer mit zunehmendem AoA.

Bei gepfeilten, dünnen Flügeln bildet sich ein Wirbel an der Vorderkante, der einen negativen Druck auf der Oberseite bewirkt und Auftrieb verursacht. Der Wirbel ist stabil, es entsteht eine Trennlinie zwischen Wirbel und anliegender Strömung.
Vorflügel (Hybrid Flügel wie bei Saab Draken) verbessern das Strömungsabriss-Verhalten. Zu verhindern gilt aber eine Gegenströmung nach vorn, die einen höheren Widerstand verursacht. Auch eingesetzt wird eine Sägezahn-Vorderkante zur Erzeugung eines Wirbels, der dem Außenbereich des Flügels bei hohem AoA Strömung zuführt – gut sichtbar bei der MiG-23.

V-Stellung der Flügel oder eine aerodynamische Verwindung verbessert weiterhin die Stabilität des Flugzeuges.

Die Flügelanbringung ist in 3 Bereichen möglich: Hoch, mittig, tief (Schulter-, Tiefdecker). Eine hohe Anbringung ermöglicht ein einfaches Anbringen von Waffen (guter Zugang), aber verursacht Stabilitätsprobleme, da bei höheren AoA Wirbel auf die Seitenflossen treffen.

Das im Heck angebrachte Leitwerk besteht aus zwei horizontalen Flossen und einer vertikalen Flosse. Die horizontale Flosse erzeugt ein Moment (Auftrieb nach oben) und bewirkt eine Kopflastigkeit des Flugzeugs. Der Ausgleich erfolgt durch Trimmung oder Abtrieb-Einstellung der Flosse. Das Höhenruder liegt immer im Abwind der Tragflächen – teils auch in turbulenter Strömung. Daher ist große Ruderfläche nötig. Ist das Höhenruder oben angebracht, bleibt die Anströmung ungestört.

Die vertikale Flosse sorgt für Richtungsstabilität. Alle Ruder erzeugen ein Moment um den geometrisch neutralen Punkt. Bei Schallgeschwindigkeit stellt sich oft gegenteiliger Rudereffekt ein. Deshalb sind die Flossen als Ganzes beweglich.

Bei einer Geschwindigkeit von Mach >2 entsteht eine beträchtliche Reibungswärme, die beispielweise Flugzeugkanten in 11.000 Meter Höhe und –53° C Außentemperatur auf ca. 150°C erhitzt. Da Jagdflugzeuge aber nur sehr kurze Zeit in diesem Geschwindigkeitsbereich operieren, sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich.

In Meereshöhe erreichen Jagdflugzeuge lediglich Geschwindigkeiten von 1.150 – 1.500 km/h, erst in Höhen von 8 – 12 km ist die maximale Geschwindigkeit möglich. Das Überschreiten der Schallmauer erfordert den Einsatz des Nachbrenners, es sei denn, das Flugzeug verfügt über eine enorme Antriebsleistung wie beispielsweise die Su-27. Man bezeichnet diesen Flugzustand dann als „supercruise“.

Problematisch sind der plötzliche Widerstandsanstieg und ein Momentänderung durch unterschiedliche Schockbereiche an der Flügelober- und –unterseite. Der sogenannte Wellenwiderstand erreicht sein Maximum im Bereich von Mach 1,1 – 1,2 und fällt dann wieder ab.

Die Ausbildung von Kompressionsfronten führt zu abrupten Druckveränderungen, die sich in Form von Vibrationen äußeren können und das Flugzeug zum Schwingen bringen. Neben der Fluggeschwindigkeit hat vor allem der Anstellwinkel starken Einfluss auf die Bildung von solchen Schüttelbewegungen, die bis zu unkontrollierbaren Flugzuständen führen können.

Bei einer Geschwindigkeit von Mach >2 entsteht eine beträchtliche Reibungswärme, die beispielweise Flugzeugkanten in 11.000 Meter Höhe und –53° C Außentemperatur auf ca. 150°C erhitzt. Da Jagdflugzeuge aber nur sehr kurze Zeit in diesem Geschwindigkeitsbereich operieren, sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich.

In Meereshöhe erreichen Jagdflugzeuge lediglich Geschwindigkeiten von 1.150 – 1.500 km/h, erst in Höhen von 8 – 12 km ist die maximale Geschwindigkeit möglich. Das Überschreiten der Schallmauer erfordert den Einsatz des Nachbrenners, es sei denn, das Flugzeug verfügt über eine enorme Antriebsleistung wie beispielsweise die SU-27. Man bezeichnet diesen Flugzustand dann als „supercruise“.

Stabilität

Wichtig ist die Stabilität und Steuerbarkeit speziell im schallnahen Bereich. Der neutrale Punkt wandert zunächst nach vorn und im Überschallbereich nach hinten (wird damit stabiler), d.h. dieser Bereich muss abgedeckt werden. Die Gegenmaßnahme besteht beispielsweise in einer horizontalen Flosse mit kleiner Flügelstreckung, die geringeren Auftrieb im Überschallbereich erzeugt.

Neue Flugzeuge (Eurofighter) sind instabil und können nur mittels Fly by Wire Elektronik stabilisiert werden, mit dem Vorteil geringeren Widerstandes. Fällt der Computer aus, ist das Flugzeug nicht mehr steuerbar. Hohe Stabilität heißt auch geringe Manövrierfähigkeit.

Das Rollen

Eine Rollrate von 90 – 140°/s ist bei höheren Geschwindigkeiten möglich. Der nach unten bewegte Flügel erfährt dadurch mehr Auftrieb, was das Rollen dämpft. Bei hohen AoA erfolgt die Steuerung durch Querruder und differentielles Höhenruder.