Flugmechanik

Die Flugmechanik zählt zu den Ingenieurwissenschaften und beschreibt das Verhalten von Körpern, die sich in der Atmosphäre mit Hilfe der Aerodynamik bewegen, den Flugzeugen. Im Gegensatz zur Aerodynamik beschreibt die Flugmechanik nicht die physikalischen Abläufe an einzelnen Flugzeugkomponenten, sondern das Verhalten des Gesamtsystems, des Flugzeugs. Die Grundaufgabe der Flugmechanik besteht darin, Position, Fluglage und Fluggeschwindigkeit eines Flugkörpers zu einem beliebigen Zeitpunkt zu berechnen. Dies geschieht mit Hilfe von Bewegungsgleichungen (equations of motion), die aus einem System von gekoppelten Differentialgleichungen bestehen. Das Flugzeug wird in der Regel als Starrkörper behandelt.

Studium

Flugmechanik ist ein Teilbereich der Ingenieur-Studiengänge Luft- und Raumfahrttechnik und Flugzeugbau.

Grundlagen

Die theoretische Basis für die Flugmechanik bilden die Mathematik, die Physik und die Aerodynamik. Die Flugmechanik benutzt diese, um zu beschreiben, welche Flugeigenschaften ein Flugzeug besitzt und welche Flugleistungen es erbringen kann.

Wesentliche Einflussgrößen sind die von den Tragflächen erzeugte Auftriebskraft und der aerodynamische Widerstand des Flugzeugs, die im Schwerpunkt angreifende Gewichtskraft, die von den Triebwerken erzeugte Schubkraft, sowie die an den Steuerflächen erzeugten Steuerkräfte und die durch die jeweiligen Kräfte hervorgerufenen Drehmomente. Neben den oben genannten Kräften spielt auch die Massenträgheit des Flugzeugs beziehungsweise seiner Bauteile eine Rolle.

Da die zu lösenden Gleichungssysteme in der Regel sehr komplex sind, ist man auf leistungsstarke Rechner zur numerischen Lösung dieser angewiesen. Zur Abschätzung einzelner Eigenschaften eines Flugzeugs ist es aber üblich, die Gleichungen zu vereinfachen und so Teilprobleme zu lösen. Üblich ist beispielsweise eine Aufteilung der Bewegung des Flugzeugs in die reine Längsbewegung, bei der das Flugzeug nur um die Querachse rotiert (Definition der Querachse) und die Seitenbewegung, bei eine Rotation um Längs- und Gierachse stattfindet.

Zusätzlich unterscheidet man zwischen instationären und stationären Vorgängen. Bei instationären Vorgängen handelt es sich vorwiegend um die unmittelbare Reaktion des Flugzeugs auf Steuereingaben oder äußere Störungen (zum Beispiel Windböen). Als stationären Flugzustand bezeichnet man einen Zustand, der sich einstellt, wenn alle Kräfte über einen längeren Zeitraum konstant bleiben. Ein einfaches Beispiel für einen stationären Flugzustand ist der unbeschleunigte horizontale Geradeausflug bei dem das Flugzeug sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit und Höhe in eine Richtung fortbewegt. Aber auch ein Kurvenflug mit konstantem Radius und Hängewinkel kann ein stationärer Flugzustand sein. Solche stationären Flugzustände stellen sich in der Realität häufig erst nach langen Einschwingzeiten ein. Das Flugzeug pendelt zwischen verschiedenen Flugzuständen bis es sich schließlich im stationären Flugzustand verbleibt. Anhand der Berechnung solcher Vorgänge können Aussagen über die statische Stabilität eines Flugzeugs getroffen werden.

Zwei Flugenveloppen im Höhen-Geschwindigkeitsdiagramm. Grün zeigt ein fiktives Überschallflugzeug, schwarz ein Unterschallflugzeug

Die stationären Flugzustände bestimmen im Wesentlichen auch die Flugleistungen des Flugzeugs. Hierbei handelt es sich um die Möglichkeiten des Flugzeugs, hinsichtlich Maximal- und Minimalgeschwindigkeit, Gipfelhöhe, Start- und Landestrecke, maximaler Abflugmasse und anderem. Teilaspekte der Flugleistungen werden in Enveloppen dargestellt. Das Bild zeigt ein Beispiel einer solchen Enveloppe. Eingetragen sind die Grenzen innerhalb derer sich ein Flugzeug bewegen kann.

Teilgebiete

Die Flugmechanik liefert Grundlagen für eine Vielzahl von Teilgebieten auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt:

Flugleistung: Typische Fragestellungen sind hier z. B. Mindestgeschwindigkeiten, Reichweite, maximale Flugdauer, Schubüberschuss, Beschleunigungsvermögen, Start- und Landestrecke u.v.m.

Flugführung: Man unterscheidet hier zwischen Flugführung durch einen Menschen sowie automatischer Flugführung. Unter automatischer Flugführung versteht man den Autopiloten, aber auch Systeme zur Erhöhung der Stabilität sowie Fly-by-Wire Systeme.

Flugsimulation: In der Flugsimulation werden die Bewegungsgleichungen dazu benutzt Flugzeugbewegungen zu simulieren, oft schon bevor das zugehörige Flugzeug gebaut wurde. So lassen sich auf Basis der flugmechanischen Berechnungen, die Flugeigenschaften einer Konstruktion im voraus beurteilen.