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– 14.10.2021 –
Grundsätzliches
Eine Flugzeugsteuerung muss so konstruiert werden, dass das Flugzeug um die Hoch-, Quer- und Längsachse präzise und dosiert gesteuert werden kann.
Bewegungsachsen und Steuerruder an einem Flugzeug
In den Anfängen der Fliegerei war die Flugsteuerung eine der grössten Hürden. Neben der Erzeugung des Auftriebs und dem grundsätzlichen Verständnis für Aerodynamik, musste der Mensch seine Erfindungen auch in der Luft jederzeit unter Kontrolle haben.
Ein Objekt abheben zu lassen, das war das Hauptziel jener Pioniere, wie der Gebrüder Montgolfier mit ihren Heissluftballonen, der Gebrüder Wright mit dem ersten motorisierten Flug oder Otto Lilienthal mit seinem Gleiter. Das Hauptziel war klar: Abheben und den bemannten Flug ermöglichen.
Dass allein das Abheben nicht ausreichend ist, war schon dem berühmten Erfinder Leonardo Da Vinci klar. Flugobjekte mussten auch in der Strömung der Luft steuerbar sein. Bereits in seinen frühen Zeichnungen finden wir Ideen, die seine Erfindungen steuerbar machen sollten.
In der heutigen Zeit ist vollkommen klar, dass ein Umleiten von Strömungen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu Druckunterschieden führt. Je nachdem an welchen Stellen eines Objektes diese Strömungen umgeleitet werden, lässt sich dessen Richtung beeinflussen.
Fügt man nun einem starren Tragflügel diverse Steuerflächen hinzu, kommt man schnell zu dem, was wir heute als Segelflugzeug kennen. Es werden gewisse Bereiche ausgespart, mit Scharnieren versehen und über eine zentrale Einheit (dem Steuerknüppel oder Steuerhorn) verbunden. Der Pilot kann darüber alle Steuerflächen direkt, meist über Schubstangen oder Seilzüge, bedienen. Man begann neben dem Höhenruder auch die Richtungssteuerung zu verbessern. Quer- und Seitenruder ermöglichen eine Veränderung der Querneigung.
Nutzt man nur eine dieser Ruderarten, kann ein Flugzeug ohne Antrieb niemals eine saubere Kurve fliegen. Der kurvenäussere Flügel würde stets eine höhere Geschwindigkeit gegenüber der Luft haben, und somit mehr Auftrieb und auch Widerstand erzeugen als der kurveninnere.
Dementsprechend erzeugt der Kurvenflug weitere ungewollte Momente. Um diesen Effekten entgegensteuern zu können, wurden weitere Steuerflächen eingebunden, wie etwa das Seitenruder. Dadurch wurde das Flugzeug um alle drei Achsen (Hoch-, Quer- und Längsachse) steuerbarFür eine Linkskurve schlagen die kurveninneren Steuerflächen nach oben aus, lenken also die Strömung auf verschiedenste Weise nach oben ab. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die Teilchen der Luft nach unten abgeleitet und erzeugen dementsprechend einen erhöhten Überdruck. Das Flugzeug leitet eine Kurve ein.
Der Effekt des Seitenruders wird unter Vortrieb weniger benötigt, da die Schubkraft bereits für eine stabilisierte Richtungsführung sorgt. Es ist dennoch nicht weniger bedeutsam, denn insbesondere bei Start und Landung mit Seitenwind muss der Pilot das Flugzeug mit dem Seitenruder entlang der Piste ausrichten und das Flugzeug, wenn nötig sogar „schräg“ zum Wind stellen.
Lernflieger nach Bobby Schär
Patentierte Steuerung der Gebrüder Wright
Blériot XI-Steuerung
Der Nachbau Blériot XI rollte aus eigener Kraft und steht heute im Fliegermuseum Dübendorf
1908 liess Louis Blériot seine Steuerung für den Blériot XI patentieren. Am unteren Ende des Steuerknüppels waren vier dünne Drahtseile für die Betätigung der Querruder-Verwindung und des Höhensteuers angebracht. Das Seitenruder am Heck wurde mit einem Fusshebel betätigt.
Zahnrad und Umlenkrolle zur Betätigung der Verwindung (Querlage)
Steuerung mit Seilzügen
Die Konstruktionswerkstätte K+W Thun rüstete die Eigenkonstruktionen DH-3 und DH-5 mit Seilzügen und entsprechenden Umlenkrollen aus. Der Pilot musste alle aerodynamischen Kräfte an den Steuerflächen selbst überwinden und ausgleichen.
Steuerseile am Häfeli DH-3 im Fliegermuseum, Konstruktion 1917
Steuerseile am Häfeli DH-5 im Fliegermuseum, Konstruktion 1924
Klassische Flugsteuerung
Bei einer klassischen Steuerung, wie beispielsweise beim De Havilland Venom, werden die Betätigungen am Steuerknüppel rein mechanisch über Seilzüge direkt an die entsprechenden Ruder weitergegeben.
Mechanische Steuerungen und Seitentrimmung mit Drahtseilen beim De Havilland Venom Mk.1
Mechanisch-hydraulische Steuerung HAWK
Dieses Schul- und Fortgeschrittenen-Trainingsflugzeug war mit einer konventionellen, kombinierten mechanisch-hydraulischen Steuerung – ähnlich wie beim Hunter – ausgerüstet.
Der HAWK wurde von 1990 bis 2002 eingesetzt
Hinter dem Cockpit war auf der Flugzeugoberseite eine RAT (Ram Air Turbine) eingebaut. Diese war federbelastet und klappte bei einem Hydraulikausfall automatisch aus und speiste unter Ausnutzung des Fahrtwindes die Flugsteuerung.
Von Steuerseilen und -stangen zum Kabel – Fly by Wire
In einem modernen Flugzeug wird die Verteilung der Steuerkräfte nicht mehr über Seilzüge und/oder Schubstangen bewerkstelligt. Diese veralteten Systeme weisen ein relativ hohes Gewicht auf. Die Computertechnik löste dann ein totales Umdenken aus und ermöglichte eine viel leichtere, präzisere und schnellere Umsetzung der Steuerimpulse vom Piloten zu den Steuerflächen.
Schematische Darstellung der Fly by Wire-Komponenten
MCDU Multipurpose Control and Display Unit
FCU Flight Control Unit
Auch um Gewicht zu sparen, konstruierten die Flugzeug-Ingenieure das sogenannte „Fly by Wire“-System. Hierbei werden die Eingaben des Piloten «smart» (aufbereitet) an die Ruder gegeben. Im normalen Betrieb gehen alle Befehle in einen primären Flugcomputer. Dieser prüft in Bruchteilen von Sekunden die Eingaben. Stimmen Sie mit seiner Logik überein, sendet er die Befehle per (kilometerlange) Elektro-Kabel an den jeweiligen, hydraulischen Aktuator. Das hydraulische System regelt die Ruderbewegungen. Sensoren prüfen die ausgeführte Bewegung und leiten das Signal zurück an den primären Flugcomputer. Stimmen die Werte von Befehl und Sensor überein, fliegt das Flugzeug wie gewollt. Sollte etwas nicht stimmen, kann sofort nachgeregelt, abgeschaltet und/oder der Pilot umgehend informiert werden. Von all diesen Prozessen bekommt man im Cockpit wenig mit, denn die Steuerung ist blitzschnell. Es fühlt sich so an, als würde man ein konventionelles Flugzeug fliegen.
Die Anfänge von Fly by Wire reichen bis in den Zweiten Weltkrieg zurück. Dort wurde im Jahre 1943 der C-1-Autopilot im B-17E-Bomber eingesetzt. Dieser Autopilot war eine sehr simple Form des Fly by Wire und ermöglichte ausschliesslich einen stabilen Geradeaus-Flug. Er basierte auf analogen elektrischen Signalen, die von den Sensoren vom Steuerhorn an die Aktuatoren übertragen wurden.
Schematische Darstellung Fly by Wire des Eurofighters
Kombinierte elektrische und hydraulische Fly by Wire-Steuerung des F-35
Redundanz der Fly by Wire Steuerungen
Kein System ist vor Fehlern geschützt, und deshalb müssen Flugzeugsteuerungen möglichst redundant ausgelegt sein. Ein Hydrauliksystem kann seinen Druck bei einem Leck teilweise oder komplett verlieren, was einen Verlust der angehängten Steuerung mit sich bringt. Man kann es sicher bereits ahnen: Ein System ist nicht genug. In heutigen Flugzeugen arbeiten deshalb zwei bis drei Systeme, teilweise sogar mehrere Kreisläufe, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Airbus A-380 Steuerung und Backup-Systeme
Hydraulik-Kreisläufe
Die A380 hat im Unterschied zu anderen Verkehrsflugzeugen nur noch zwei Hydraulikkreis-läufe. Der sonst übliche dritte Hydraulikkreislauf wurde durch lokale, elektro-hydraulische Aktuatoren ersetzt. Diese kommen aber nur zum Einsatz, wenn eines oder beide Hydrauliksysteme ausgefallen sind. Das spart Gewicht, da Leitungen und Ventile entfallen, die sonst durch das gesamte Flugzeug verlegt sind. Weitere erhebliche Gewichtsersparnis bringt die Reduktion des Leitungsquerschnitts der Hydraulikleitungen. Dafür hat Airbus den Systemdruck von den sonst üblichen rund 207 bar auf etwa 345 bar erhöht. Die einzelnen Hydraulikkreisläufe werden zur besseren Unterscheidung in Farben unterteilt. Der erste Hydraulikkreislauf wird als GREEN bezeichnet, der zweite als YELLOW, wobei beide die gleiche Priorität haben.
Das BLUE-System EHA/EBHA besteht aus Elektrischen Hydraulik-Aktuatoren, die zusätzlich mit eigenem Hydraulikkreislauf mit bürstenlosem Gleichstrommotor, Hydraulikpumpe und Niederdruckspeicher ausgestattet sind. EHA sind während des Betriebs des Flugzeugs völlig autonom von den Hydraulikkreisläufen des Flugzeuges. Zur Versorgung der EHA wird nur elektrische Energie benötigt. Eine komplexe Leistungselektronik treibt drehzahlgeregelt die Pumpe an, die direkt mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist. Die Positionierung des Hydraulik-Zylinders erfolgt ohne Servoventil direkt über das durch die Pumpe geförderte Hydrauliköl und ist in erster Näherung proportional zur Umdrehungszahl der Pumpe.
Bei den EBHA geht man noch einen Schritt weiter. Das sind kombinierte Hydraulik-Aktuatoren, die genauso wie EHA eine durch eine eigene Leistungselektronik versorgte autonome Hydraulikversorgung haben, aber im Normalbetrieb vom entsprechenden Hydraulik-Kreislauf im Flugzeug gespeist werden. Nur im Notfall kapseln sie sich automatisch ab und fungieren dann als EHA. Diese Systeme finden nur bei der Flugsteuerung Anwendung. Mit diesen Geräten kann die A380 trotz Ausfall beider Hydrauliksysteme rein elektrisch gesteuert werden.
So hat alles angefangen
Otto von Lilienthal 1891 – erster Flug von 250 m
Text: Rudolf Wicki Bilder: Rudolf Wicki
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