Flugzeugsteuerung

Zur Flugzeugsteuerung gehören alle Steuerungselemente der drei Raumachsen eines Flugzeuges. Diese Steuerungsoberflächen ermöglichen es dem Piloten, die Flughöhe einzustellen und zu kontrollieren.
Die Erschaffung einer effektiven Steuerungsanlage war der entscheidende Vorsprung in der Entwicklung der Flugzeuge und der gesamten Luftfahrt. Mit früheren Versuchen, das Design von Starrflügelflugzeugen in dieser Hinsicht zu verändern konnte genügend Auftrieb erzeugt werden, um das Flugzeug zu starten. Als es jedoch einmal in der Luft war, erwies sich das Flugzeug als unkontrollierbar, mit oft verheerenden Folgen. Erst mit der Entwicklung effektiver Flugsteuerung konnte ein stabiler Flug erreicht werden.

Die Entwicklung der ersten praktischen Steuerflächen wird den Brüdern Wright zugeschrieben. Im Gegensatz zu modernen Bedienoberflächen nutzten sie Flügelverwindung. Im Versuch, das Wright-Patent zu umgehen, entwickelte Glenn Curtiss Steuerungselemente mit beweglichen Klappen. Diese haben den Vorteil, dass einfacher in die Struktur des Flugzeuges verbaut werden können und keine Spannungen verursachen, was bei Flügelverwindungen ein großes Problem ist.

Bewegungsachsen

Ein Flugzeug kann sich in drei Richtungen drehen: den Bug nach oben oder nach unten um die Querachse, die von Tragfläche zu Tragfläche verläuft; nach rechts oder nach links um die Hochachse und um die Längsachse, die vom Bug zum Leitwerk verläuft. Die Achsen bewegen sich mit dem Flugzeug und drehen sich relativ zum Boden. Die Drehungen kommen durch Drehmomente um diese Hauptachsen zustande. Im Flugzeug werden diese mittels beweglicher Steuerflächen ausgelöst, die die aerodynamische Kraft um den Flugzeugschwerpunkt unterschiedlich verteilen. Das Höhenruder (bewegliche Klappen am Heckleitwerk) regelt das Nicken oder Kippen des Flugzeuges, mit dem Seitenruder wird das Wenden oder Gieren erreicht und die Querruder lösen das Rollen aus.

Das Höhenruder steuert die Bewegung des Bugs nach unten oder nach oben und somit auch den Anstellwinkel und den Auftrieb der Tragflächen. Die Höhenruder befinden sich in der Regel am Höhenleitwerk.
Das Höhenleitwerk erzeugt in der Regel eine nach unten gerichtete Kraft. Diese gleicht die Neigung des Bugs aus, die durch die von den Tragflächen erzeugte Auftriebskraft entsteht.
Sowohl das Höhenleitwerk als auch das Höhenruder tragen zur Stabilität des Flugzeuges bei, jedoch nur das Höhenruder kann das Kippen des Bugs steuern. Dies geschieht durch Erhöhen oder Verringern der Abwärtskraft des Höhenleitwerks:

Eine erhöhte Abwärtskraft zwingt das Leitwerk nach unten und den Bug nach oben. Bei konstanter Geschwindigkeit erzeugt ein höherer Anstellwinkel der Tragflächen einen größeren Auftrieb und sorgt für einen beschleunigten Anstieg.
Eine verminderte Abwärtskraft am Heck hebt das Leitwerk und senkt den Bug. Der Anstellwinkel wird kleiner, die Auftriebskraft nimmt ab und das Flugzeug beschleunigt sich beim Landeanflug.

Die Querruder befinden sich in der Regel an der hinteren Kante der Tragflächen. Das sind bewegliche Klappen, die das Rollen oder die Bewegung des Flugzeuges um die Längsachse steuern. Damit kann eine Änderung der Flugbahn erreicht werden.
Die Querruder werden in der Regel paarweise verbaut und sind miteinander verbunden. Wenn eine Klappe geöffnet wird, bleibt die andere geschlossen. Dadurch wird die Auftriebskraft an den Tragflächen unterschiedlich verteilt, sodass eine Drehung durchgeführt werden kann. Die Querruder befinden sich in der Regel in der Nähe der Tragflächenspitze, können aber in manchen Fällen auch an der Wurzel liegen. Moderne Flugzeuge können auch zwei Paare von Querrudern haben.
Ein unerwünschter Nebeneffekt beim Auslösen der Querruder ist ein Gieren in die entgegengesetzte Richtung. Wenn das Flugzeug rollt, wird der negative Wendemoment teilweise durch die Veränderung des Luftwiderstandes zwischen der rechten und der linken Tragfläche ausgelöst. Die steigende Tragfläche erzeugt erhöhten Auftrieb, der einen erhöhten induzierten Luftwiderstand verursacht. Die nach unten gerichtete Tragfläche verursacht eine Gegenwirkung. In einer koordinierten Wendung wird der negative Wendemoment erfolgreich durch die Verwendung des Ruders kompensiert, indem am Seitenleitwerk eine Seitenkraft entsteht, die dem negativen Giermoment entgegenwirkt.
Wenn Querruder sich in der neutralen Position befinden, entwickelt die Tragfläche an der Außenseite der Kurve mehr Auftrieb, als die an der Innenseite. Dies geschieht aufgrund der unterschiedlichen Luftgeschwindigkeit über der Flügelspannweite, die das Rollen des Flugzeuges tendenziell fortsetzt. Sobald der gewünschte Querneigungswinkel (der Grad der Drehung um die Längsachse) erreicht worden ist, setzt der Pilot das gegenüberliegende Querruder ein. Diese wechselnde Verwendung muss während der ganzen Drehung beibehalten werden.

Mit dem Seitenruder wird das Flugzeug um die Hochachse gedreht, Die Bewegung wird auch Gieren genannt.
In der Praxis wird das Gieren sowohl mittels Quer- als auch Seitenruder erreicht. Das Seitenruder allein wird das Flugzeug auch zum Drehen bringen, jedoch viel langsamer, als wenn man es in Verbindung mit dem Querruder betätigt. Der Einsatz der Seiten- und Querruder zusammen erzeugt eine koordinierte Wendung, in der die Längsachse des Flugzeugs sich in Übereinstimmung mit dem Bogen der Wendung befindet. Bei einer unsachgemäßen Drehung bei niedriger Geschwindigkeit kann auch das Trudeln ausgelöst werden, was auf niedriger Flughöhe gefährlich sein kann.
Manchmal betätigen Piloten Seitenruder und Querruder in gegensätzliche Richtungen, um einen Seitengleitflug durchzuführen. Dieses Manöver dient dazu, den Seitenwind zu überwinden und den Flugzeugrumpf parallel zur Landebahn zu halten, oder um schneller an Flughöhe zu verlieren.
Auf jedes Seitenruder wirken erhebliche Kräfte ein, die seine Position durch den Ausgleich des Drehmomentes bestimmen. In Extremfällen können diese Kräfte zum Verlust der Kontrolle über das Seitenruder oder dessen vollständige Zerstörung führen.
In mehrmotorigen Flugzeugen, wo die Triebwerke sich nicht an der Mittellinie befinden, kann das Seitenruder eingesetzt werden, um gegen den Giereffekt eines asymmetrischen Schubes zu trimmen. Dies könnte zum Beispiel im Falle eines Triebwerkausfalls notwendig sein. In großen Düsenflugzeugen kann das Seitenruder während eines Nicht-Autopilot-Fluges hauptsächlich dazu eingesetzt werden, um Seitenwindkomponenten zu kompensieren. Drehungen können dann nur mit den Querrudern allein ausgeführt werden.
Fürs Taxiing und in der ersten Startphase werden Luftfahrzeuge durch eine Kombination von Seitenruder und Drehungen des Bug- oder Heckrades gelenkt. Bei langsamer Geschwindigkeit hat einer dieser beiden Räder die Priorität. Mit zunehmender Geschwindigkeit nehmen auch die aerodynamischen Eigenschaften des Seitenruders zu.

Drehung

Das Flugzeug wird in der Regel mit dem Seitenruder gedreht. Die Drehung wird durch die horizontale Komponente des Auftriebs ausgelöst. Die Auftriebskraft wird in die Richtung der beabsichtigten Drehung durch das Rollen des Flugzeuges gelenkt. Die Auftriebskraft spaltet sich in vertikale und horizontale Komponenten mit der Erhöhung des Querneigungswinkels.
Wenn der Gesamtauftrieb konstant gehalten wird, sinkt seine vertikale Komponente. Da das Gewicht des Flugzeuges unverändert bleibt, würde dies das Flugzeug zum Absteigen bringen. Um den Horizontalflug beizubehalten, den Anstellwinkel und somit den Auftrieb zu erhöhen, sodass die vertikale Komponente des Auftriebs mit dem Flugzeuggewicht gleich ist. Diese Vorgehensweise kann nicht unbegrenzt fortgesetzt werden, da die Tragflächen bei gegebener Geschwindigkeit nur einen endlichen Betrag an Auftrieb entwickeln können. Der Gesamtauftrieb, der für einen Horizontalflug notwendig ist, steht im direkten Zusammenhang mit dem Querneigungswinkel. Bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit kann ein Horizontalflug nur bis zu einem bestimmten Winkel gehalten werden. Jenseits dieses Winkels wird das Flugzeug einen Strömungsabriss erleiden, sollte der Pilot weiter Auftrieb erzeugen wollen.

Sekundäre Steuerungsoberflächen

Störklappen

Störklappen sind Vorrichtungen zur Reduzierung der Auftriebskraft des Flugzeuges. Sie befindet sich auf der Oberseite der Tragflächen und werden geöffnet, um den Luftstrom zu stören. Dadurch erzeugen Störklappen einen kontrollierten Strömungsabriss im kleinen Bereich der Tragflächen. Störklappen unterscheiden sich von Luftbremsen in der Hinsicht, dass Luftbremsen den Luftwiderstand erhöhen, ohne auf den Auftrieb zu wirken. Störklappen reduzieren die Wirkung beider Kräfte.
Störklappen können je nach Verwendungszweck in zwei Kategorien unterteilt werden. Eine Kategorie wird während des Fluges betätigt, um die Sinkgeschwindigkeit und das Rollen zu steuern. Andere Störklappen kommen unmittelbar bei der Landung zum Einsatz, reduzieren den Auftrieb und erhöhen den Luftwiderstand. In modernen Flugzeugen mit elektronischen Steuerungselementen (Fly-by-wire) erfüllt dieselbe Reihe von Steuerungsoberflächen beide Funktionsarten.

Landeklappen

Landeklappen sind Vorrichtungen, mit denen Auftriebseigenschaften der Tragflächen verändert werden können. Mit den Landeklappen kann die Geschwindigkeit reguliert werden, mit der das Flugzeug sicher geflogen werden kann und bei der Landung der Abstiegswinkel.
Die Klappen erhöhen die Krümmung der Tragflächen, sodass ein maximaler Auftriebskoeffizient erreicht werden kann. Dadurch kann das Luftfahrzeug mehr Auftrieb bei geringerer Geschwindigkeit generieren. So wird die Überziehgeschwindigkeit des Flugzeuges reduziert. Andererseits wird dadurch auch die minimale Geschwindigkeit reduziert, mit der ein Flug durchgeführt werden kann.
Bei einigen Flugzeugen haben die Landeklappen den positiven Effekt, dass sie den Bug des Flugzeuges senken und so dem Piloten eine bessere Sicht auf die Landebahn erlauben.
Es gibt viele verschiedene Arten von Landeklappen, die je nach der Art, Größe, Geschwindigkeit und Komplexität des Flugzeuges variieren.

Vorflügel

Vorflügel sind aerodynamische Flächen an den Vorderkanten der Tragflächen. Sie werden eingesetzt, um einen höheren Anstellwinkel zu erreichen und somit auch einen größeren Auftrieb. Dadurch kann das Flugzeug mit einer geringeren Geschwindigkeit geflogen werden oder auf kürzeren Strecken starten und landen. Sie werden typischerweise bei der Landung ausgelöst oder bei Manövern, die nah am Strömungsabriss durchgeführt werden müssen. Im Normalflug erzeugen Vorflügel jedoch zu viel Luftwiderstand und werden in der Regel zurückgezogen.

Luftbremse

Mit der Luftbremse wird der Luftwiderstand oder der Abstiegswinkel bei der Landung erhöht. Im Gegensatz zu Störklappen kann die Luftbremse den Strömungsluftwiderstand erhöhen, ohne sich wesentlich auf die Auftriebskraft auszuwirken. Die Störklappen verändern die Gleitzahl (das Verhältnis des Auftriebes zum Widerstand) und erfordern einen höheren Anstellwinkel, um den gleichen Auftrieb zu generieren, was in einer höheren Überziehgeschwindigkeit resultiert.
Oft sind die Eigenschaften beider Vorrichtungen gewünscht und werden kombiniert, was in den meisten modernen Düsen-Jets der Fall ist. Bei der Landung verursachen Störklammen einen dramatischen Verlust des Auftriebes, sodass das Gewicht des Flugzeuges sich von den Tragflächen auf das Fahrwerk verlagert und die Räder mechanisch ausfallen lässt.

Trimmruder

Die Trimmsteuerungen ermöglichen es dem Piloten, zwischen verschiedenen Werten des Strömungsluftwiderstandes und Auftriebes zu balancieren.
Höhenruder-Trimmung regelt die aerodynamischen Kräfte am Heck, damit das Flugzeug das Gleichgewicht halten kann. Während bestimmter Flugübungen könnte viel Trimmung erforderlich sein, um einen gewünschten Anstellwinkel aufrechtzuerhalten. Dies gilt hauptsächlich für langsame Flüge, wo der Bug des Flugzeuges hochgezogen werden muss, wobei das Leitwerk einem starken Abtrieb ausgesetzt wird. Die Höhenruder-Trimmung korreliert mit der Luftströmungsgeschwindigkeit über dem Leitwerk, sodass die Geschwindigkeit sich ändern und das Flugzeug erneut getrimmt werden muss. Ein wichtiger Entwurfsparameter für Flugzeuge ist die Stabilität des Flugzeuges, wenn es für den Horizontalflug getrimmt worden ist. Etwaige Störungen wie Böen oder Turbulenzen werden über einen kurzen Zeitraum gedämpft und das Flugzeug geht auf die für den Horizontalflug getrimmte Geschwindigkeit zurück.

Flug mit ausgefallenen Steuerelementen

Flugzeugsteuerungsoberflächen können oft aufgrund des Ausfalls der Hydrauliksysteme oder des Flugsteuerungssystems versagen. Sie können aber auch schon vor dem Start aufgrund eines Pilotenfehlers oder unzureichender Wartung nicht funktionsfähig sein. Flugzeuge sind nicht darauf ausgelegt, unter solchen Umständen geflogen zu werden, obwohl es auch Fälle gab, wo Piloten in der Lage waren, das Flugzeug mit deaktivierten Steuerungsoberflächen erfolgreich zu fliegen und zu landen.
Ein solches Flugzeug kann hauptsächlich durch die Position der Triebwerke gesteuert werden. Wenn die Motoren unter dem Flugzeugschwerpunkt montiert sind, wird die Erhöhung der Schubkraft den Bug anheben und umgekehrt. Zusätzlich kann die asymmetrische Schubkraft für die Richtungssteuerung verwendet werden. Wenn das linke Triebwerk im Leerlauf läuft und die Leistung des rechten Triebwerks erhöht wird, wird dies zum Gieren nach links führen und umgekehrt. Unter Umständen kann die Giersteuerung mit der Regulierung der Längsneigung verknüpft werden. Wenn das Flugzeug giert, entwickelt die Tragfläche an der Außenseite der Gierbewegung mehr Geschwindigkeit, als die Tragfläche an der Innenseite. Dies erzeugt einen höheren Auftrieb an der schnelleren Tragfläche und führt zu einer Rollbewegung, die die Wendung erleichtert.
Regulierung der Fluggeschwindigkeit mit Triebwerkssteuerung allein erwies sich als sehr schwierig und hat oft eine schnelle Landung zur Folge. Eine schnellere Landung, als normal, kann auch infolge des Versagens der Landeklappen passieren.
Eine weitere Herausforderung für Piloten beim Flug ohne die Steuerungsoberflächen ist es, die sogenannte Phygoide zu vermeiden. Dabei handelt es sich um eine Bahnschwingung der Längsbewegung des Flugzeuges.
Da diese Art der Flugzeugsteuerung für Menschen sehr schwierig ist, wurde versucht, diese Fähigkeit in die Computer der Fly-by-wire-Flugzeuge einzubauen. Die frühen Versuche auf diesem Gebiet waren nicht besonders erfolgreich. Dies liegt unter anderem daran, dass die Software für Versuche mit einem Flugsimulator ausgelegt war. Die Triebwerke eines Flugsimulators sind „perfekte“ Geräte mit exakt derselben Schubkraft in jedem Triebwerk, einer linearen Beziehung zwischen Drosselung und Schubkraft und einer sofortigen Reaktion auf Steuerbefehle sind. Modernere Computersysteme wurden aktualisiert, um diese Faktoren zu berücksichtigen, und ein Flugzeug wurde erfolgreich mit dieser Software geflogen. Es bleibt jedoch eine Seltenheit auf kommerziellen Flugzeugen.

Beispiele

Baikal-Airlines-Flug 130 mit einer Tupolev Tu 154, 3. Januar 1994. Beim Start der Triebwerke vor dem Abflug bemerkten die Piloten eine Warnleuchte, die eine gefährliche Drehung im Triebwerk 2 signalisierte. Sie glaubten die Warnung falsch zu sein und entschieden sich trotzdem zu starten. Während des anfänglichen Anstieges brach im zweiten Triebwerk das Feuer auf und beschädigte alle drei Hydraulikleitungen. Nachdem die Crew erfolglos versucht hat, die Kontrolle über das Flugzeug wieder zu erlangen, stürzte es ab und tötete 125 Menschen an Bord und einen auf dem Boden.
Air Transat Flug 961 mit einem Airbus A310, 6. März 2005. Infolge eines katastrophalen Strukturversagens löste sich das Seitenruder mit einem lauten Knall vom Flugzeug ab. Es gelang dem Piloten, genug Kontrolle über das Flugzeug zu erlangen, um es sicher zu landen.
Pan Am Flug 845 mit einer Boeing 747, 30. Juli 1971. Beim Start im Flughafen San Francisco schlug das Flugzeug nach dem Taxiing auf einer viel zu kurzen Startbahn in die Anflugbefeuerung. Nach dem Aufprall rollte das Flugzeug weiter zum Start, obwohl sein Rumpf, Fahrwerk und drei von vier Hydrauliksystemen stark beschädigt waren. Nach einem anderthalbstündigen Flug über dem Pazifik, bei dem Treibstoff abgelassen wurde, musste das Flugzeug in San Francisco wieder notlanden. Der Zwischenfall forderte keine Todesopfer.

Rechtliches

Aufgrund von Fehlern an den Steuerungsoberflächen könnte es zu Flugannullierung und Verspätungen kommen. Solche Vorfälle zählen meist zu technischen Defekten am Flugzeug, die meist nicht als außergewöhnliche Umstände geltend gemacht werden können. Dies macht prinzipiell eine Ausgleichszahlung gemäß der Verordnung (EG) 261/2004 möglich.

Siehe auch

Urteile und Rechtsprechung