Propellerflugzeug: Der Saugeffekt der Luftschraube

Propellerflugzeug: Der Saugeffekt der Luftschraube

 

Zum Antrieb von Flugzeugen werden seit dem ersten Motorflug der Brüder Wright im Jahr 1903 Luftschrauben (Propeller) verwendet. Abgesehen von den selten verwendeten Druckpropellern, die ähnlich wie bei einem Schiff an der Rückseite eines Flugzeugs wirken, sind Luftschrauben üblicherweise zusammen mit den Triebwerken an der Frontseite des Rumpfes oder an den Tragflächen zu finden. Man kann sich vorstellen, dass sich ein drehender Propeller gleichsam durch die Luft schraubt, daher Luftschraube.

 

Die rotierende Luftschraube erzeugt Luftdruckunterschiede, die das Flugzeug »vorwärts saugen«. Tatsächlich funktioniert aerodynamisch gesehen ein Propeller ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeuges, die bei Anströmung durch die Luft einen Druck an der Unterseite und einen Sog an der Oberseite erzeugen. Nur richtet sich die an den Propellerflügeln durch die Rotation erzeugte Kraft nicht nach oben, sondern in Flugrichtung. Üblicherweise bestehen Propeller aus zwei bis fünf symmetrisch angeordneten einzelnen Propellerblättern.

 

 Kolbentriebwerke

 

Zu Beginn der Motorfliegerei wurden ausschließlich Kolbenmotoren nach dem Ottoprinzip eingesetzt, ähnlich wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die Forderung nach immer größeren und schnelleren Flugzeugen führte zu leistungsstarken Kolbenflugmotoren mit sehr großen Hubräumen und vielen Zylindern.

 

Hochleistungskolbenmotoren für größere Verkehrs- und Transportflugzeuge sind sehr aufwendig, verschleißanfällig und erfordern intensive Wartung. Daher finden heute nur noch kleine Kolbentriebwerke in Reise- und Sportflugzeugen Verwendung.

 

 Turboproptriebwerke (PTL-Triebwerke)

 

Für Transport- und Kurzstreckenverkehrsflugzeuge im Geschwindigkeitsbereich bis ca. 800 km/h stehen heute Turboproptriebwerke (Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerke, PTL) zur Verfügung. Diese sind leistungsstark, wirtschaftlich und wegen ihres relativ einfachen Aufbaus wartungsfreundlich.

 

Ein PTL-Triebwerk besteht aus Verdichter, Brennkammer, Turbine, Turbinenwelle mit Getriebe und Propeller. Der Verdichter saugt Luft aus der Umgebung an und presst sie mit hohem Druck in die Brennkammer. In der Brennkammer wird die Luft zusammen mit dem Brennstoff (Flugbenzin, Kerosin) verbrannt. Durch die Erwärmung dehnen sich die Verbrennungsgase aus und strömen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine. Diese wird dadurch in Drehung versetzt. Die Drehbewegung der Turbinenwelle wird über das Getriebe auf den Propeller übertragen. Damit wird der größte Teil der Turbinenleistung zum Vortrieb des Flugzeugs genutzt. Ein Teil der Bewegungsenergie der ausströmenden Gase muss aber zum Antrieb des meist aus mehreren Stufen bestehenden Verdichters verwendet werden.

 

Die hohe Betriebssicherheit von PTL-Triebwerken erklärt sich aus der im Vergleich mit Ottomotoren geringen Anzahl von beweglichen Teilen. Prinzipiell dreht sich nur die Welle mit den damit verbundenen Verdichter- und Turbinenrädern. Die Drehbewegung ist weitgehend gleichmäßig, d. h. ohne die beim Kolbenmotor typischen Vibrationen durch hin- und herbewegte Massen.

 

 Flugzeugzelle

 

Stärker noch als im Automobilbau spielen im Flugzeugbau Gewicht und Strömungswiderstand eine bestimmende Rolle. Für die strömungstechnische Optimierung der Flugzeugzelle, bestehend aus Rumpf, Tragflächen und Leitwerk, wurden die ersten Windkanäle entwickelt.

 

Da jedes im Flugzeug wirkende Gewicht durch Auftrieb und damit durch Antriebsleistung kompensiert werden muss, ist die Zelle in Leichtbauweise ausgeführt. Dies bedeutet, dass fast ausschließlich Leichtmetalle und Kunststoffe Verwendung finden und massive Bauteile vermieden werden. Fachwerk- oder Schalenbauweise ermöglichen hohe Stabilität bei geringem Gewicht. Bei der Schalenbauweise nimmt vorwiegend die Haut die Kräfte auf, bei der Fachwerkbauweise das innere Rohrgerüst.

 

 Sicherheit durch Redundanz

 

In der Fliegerei wird größtmögliche Sicherheit angestrebt (»safety first«). Sie wird vor allem dadurch erreicht, dass alle wichtigen sicherheitsrelevanten Einrichtungen mehrfach vorhanden sind. Man spricht von redundanten Systemen. Verkehrsflugzeuge haben vor allem aus Sicherheitsgründen meist mehrere Triebwerke. Daneben sind alle für die Steuerung wichtigen Einrichtungen (z. B. Anzeigeinstrumente, elektrische Generatoren, Hydraulikpumpen, Ventile usw.) mindestens zweimal vorhanden. Um auch bei einmotorigen Sportflugzeugen Sicherheit gegen Triebwerksausfall zu erreichen, ist die Zündanlage doppelt ausgeführt, da sie der störungsanfälligste Teil eines Ottomotors ist.