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Das möchte ich in diesem Artikel genauer erklären. Inspiriert dazu hat mich einerseits eine Frage im ILS Flightforum, wo ein Mitglied wissen wollte, ob es stimmt, dass ein A340 nach dem Touch Down zunächst nur die Spoiler und Reverser aktiviert und erst ab 100 Knoten die Radbremsen eingesetzt werden. Andererseits habe ich mich in meiner Simulation Bremsweg eines Verkehrsflugzeugs schon intensiv mit diesem Thema befasst und kann daher diese Fragen anschaulich beantworten.
Sobald die Räder Bodenkontakt haben, werden automatisch die Spoiler ausgefahren. Das sind Klappen an der Flügeloberseite, die aufgestellt werden (siehe Bild oben). Dadurch wird sofort der Auftrieb vernichtet und gleichzeitig der Luftwiderstand erheblich erhöht.
Die Spoiler sind das wichtigste Hilfsmittel beim Bremsen. Wenn die Spoiler nicht ausfahren, hat das Flugzeug nicht genug Bodenkontakt um die Radbremsen effektiv einsetzen zu können.
Bei der Landung setzt zuerst das Hauptfahrwerk auf und erst danach das Bugfahrwerk. Sobald das Bugfahrwerk aufgesetzt hat, oder kurz davor, werden die Reverser aktiviert.
Reverser sind Vorrichtungen an den Triebwerken, die einen Teil des Schubes nach vorne umleiten. Durch diesen Gegenschub wird das Flugzeug ebenfalls abgebremst. Pistenlänge und Flugzeuge sind so ausgelegt, dass auch ohne Reverser bei jeder Witterung sicher rechtzeitig angehalten werden kann. Die Reverser werden im Normalfall zur Schonung der Radbremsen eingesetzt, denn diese werden bei starkem Bremsen sehr heiss und müssen dann lange abgekühlt werden, bevor das Flugzeug erneut starten darf.
Alle modernen Verkehrsflugzeuge haben automatische Bremssysteme (Autobrake System). Wie beim Auto haben diese auch ein Antiblockiersystem (ABS), das ein Rutschen der Reifen auf nasser Piste verhindern soll. Bei Verwendung des Autobrake-Systems mit niedrigster Einstellung (LO) werden die Radbremsen erst in der letzten Phase des Abbremsens aktiv, typischerweise bei Geschwindigkeiten unter 100 Knoten. Bei höheren Bremseinstellungen (MED) aktivieren sich die Bremsen früher, weil die Verzögerung der aerodynamischen Hilfen alleine unter Umständen nicht die gewünschten Werte erreicht. Dies können dann die Passagiere an einem leichten Ruck nach dem Aufsetzen spüren.
Die Piloten stellen vor der Landung eine bestimmte Stufe der Bremsverzögerung ein (bei Airbus A320 z.B. LO = 1,7 m/s2 = 0,17 g oder Medium (MED) = 3 m/s2 = 0,3 g [1]; 1 g entspricht der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s2). Das System regelt die Bremskraft so, dass die eingestellte Verzögerung eingehalten wird. Die dafür notwendige Bremskraft ist vom Gewicht des Flugzeugs abhängig. Je schwerer das Flugzeug ist, umso mehr Bremskraft muss aufgewendet werden und umso heisser werden die Bremsen.
Der Vorteil des automatischen Bremssystems ist, dass das Flugzeug komfortabel mit einer konstanten Bremsverzögerung abgebremst wird. Der Reisende spürt dies als eine konstante Kraft, mit welcher er in die Gurten gedrückt wird. Das Bremssystem setzt die Radbremsen automatisch immer gerade so stark ein, dass ungeachtet der Kräfte von Luftwiderstand, Spoiler und Reverser eine konstante Verzögerung resultiert. Erst in der letzten Phase des Abbremsens, dem Roll-Out, übernimmt der Pilot die Radbremsen, indem er beide Bremspedale betätigt. Dadurch wird das automatische Bremssystem deaktiviert.
Die Reverser werden bei ca. 60 Knoten eingefahren. Weil die Reverser Luft nach vorne blasen und Staub und Schmutz aufwirbeln, kann dieser bei Geschwindigkeiten unter 60 Knoten vorne in die Triebwerke gelangen und diese mit der Zeit schädigen. Die Spoiler bleiben draussen, bis das Flugzeug die Piste verlässt oder die Landephase abgeschlossen ist.
Die folgende Grafik zeigt, wie die Bremskräfte (Rollwiderstand, Luftwiderstand, Reverser, Bremsen) bei den verschiedenen Geschwindigkeiten zusammenwirken. Im Beispiel ist eine Bremsverzögerung von LO eingestellt. Gut erkennen lässt sich, wie die Reverser (im Beispiel bei ca. 50 % Reversereinsatz) die Bremsen entlasten. Würde man die Reverser nicht einsetzen, müssten die Radbremsen deren Anteil übernehmen und sie wären damit erheblich stärker belastet.
Wenn du die Auswirkung der verschiedenen Parameter auf die Grafik studieren willst, kannst du das auf der folgenden Seite interaktiv erkunden:
Horizontal ist die Geschwindigkeit in Knoten [kt] aufgetragen, vertikal die Bremskraft in Kilo-Newton [kN]. 150 kt entsricht ca. 270 km/h. Die dicke rote Linie gibt die totale Bremskraft an. Sie ist die Summe der einzelnen Bremskräfte der verschiedenen bremsenden Komponenten.
|I||Das Flugzeug hat vollständig aufgesetzt. Der Rollwiderstand ist klein, weil das Flugzeug noch viel Auftrieb hat und damit wenig Gewicht auf den Rädern lastet.|
|II||Die Spoiler werden ausgefahren. Der Auftrieb wird dadurch vernichtet, was sich in einem höheren Rollwiderstand zeigt. Der Luftwiderstand wird zudem durch die Spoiler erheblich vergrössert.|
|III||Roll- und Luftwiderstand zusammen überschreiten noch die nötige Bremskraft für die gewünschte Verzögerung von 0,17 g.|
|IV||Die Reverser werden aktiviert. Die Bremskräfte steigen dadurch weiter an, obwohl der Luftwiderstand schon stark abgenommen hat.|
|V||Die Bremskräfte sind noch oberhalb der notwendigen Bremskraft für 0,17 g Verzögerung. Die Radbremsen müssen noch nicht eingesetzt werden.|
|VI||Die aerodynamischen Bremskräfte fallen unter die für 0,17 g notwendige Kraft. Die Radbremsen werden automatisch hinzugeschaltet.|
|VII||Die Reverser werden deaktiviert. Die Radbremsen müssen die dadurch wegfallenden Kräfte zusätzlich aufbringen.|
|VIII||In der letzten Bremsphase wirken praktisch nur noch die Radbremsen und der Rollwiderstand.|
Der Luftwiderstand und die Wirkung der Reverser sind durch das Design des Flugzeugs vorgegeben. Der Umkehrschub kann jedoch stufenlos von Idle bis Full Reverse vom Piloten verschieden stark eingesetzt werden. Auf den Rollwiderstand und die Bremskraft haben folgende Faktoren einen Einfluss:
Das Gewicht hat auch einen Einfluss auf die Landegeschwindigkeit, die umso höher sein muss, je schwerer das Flugzeug ist. Eine hohe Landegeschwindigkeit verlängert den Bremsweg natürlich. Kritisch ist eine erhöhte Landegeschwindigkeit, wenn die Spoiler ausfallen, da es dann sehr lange dauert, bis mit den Rädern überhaupt eine genügende Bremswirkung erzielt wird.
Wenn bestimmte Systeme im Flugzeug ausfallen (z.B. Hydraulik) oder bei einer Notlandung (z.B. bei Triebwerksproblemen oder medizinischen Notfällen) kurz nach dem Start, kommt man um eine Landung mit erhöhter Geschwindigkeit nicht herum. Daher muss für solche Landungen ein Flugplatz mit ausreichend langer Landebahn für die Notlandung ausgewählt werden.
Ich habe die Seite Simulation der Bremskräfte so erweitert, dass die Verteilung der Brems-Energien zusätzlich berechnet und deren prozentualer Anteil aufgelistet wird.
Die Verteilung der Brems-Energien auf die vier Anteile (Bremsen, Reverser, Luftwiderstand, Rollwiderstand) hängt von allen möglichen Einflüssen und natürlich auch vom Flugzeugtyp ab. Zudem ändert sich die Aufteilung während der Bremsphase dauernd. In der Bremssimulation kann dies für einen A320 im Detail ausprobiert werden. In der Simulation wird die Verteilung der totalen Bremsenergie berechnet.
Ganz grob ist bei einer durchschnittlichen Landung (kein Wind, trockene Landebahn, Autobrake LO) die Verteilung ungefähr:
|aktive Bremsen||passive Bremsen|
|Bedingung||Brake||Reverser||Drag||Roll|
|Full Reverse||3||5||8||4|
|Idle Reverse||6||2||8||4|
|No Reverse||8||0||8||4|
Das Verhältnis der Energie-Anteile von aktivem Bremsen (Radbremsen und Reverser) zu passivem Bremsen (Roll- und Luftwiderstand inklusiv Spoiler) ist ca: aktiv : passiv = 2 : 3.
Bei Verwenden des Reversers übernimmt dieser bis etwas mehr als die Hälte des aktiven Bremsens, den Rest übernehmen die Radbremsen. Bei null Reverser müssen die Radbremsen den ganzen aktiven Bremsanteil alleine übernhemen.
Es lohnt sich nicht, die Bremsenergie nutzbar zu machen. Erstens kann sie nur teilweise in andere Energien umgewandelt werden (Wirkungsgrad) und zweitens müsste diese Energie sehr schnell (ca. 30 Sek. Bremszeit) gespeichert werden. Dann muss man noch bedenken, dass eine solche Einrichtung zusätzliches Gewicht ist, was mehr Treibstoffverbrauch bedeutet. Zudem entstehen zusätzliche Wartungskosten. Und schliesslich ist jedes weitere System eine mögliche Quelle für Unfälle.
Ich möchte hier mal eine grobe Rechnung machen, warum sich eine Bremsenergie-Rückgewinnung schon rein energetisch nicht rechnet.
Angenommen das Gewicht der Vorrichtung betrage 100 kg. Um dieses Gewicht auf eine Flughöhe von 10 km zu bringen, benötigt man eine Energie von Epot = m · g · h = 100 kg · 10 m/s2 · 10 km = 10 MJ.
Ein Flugzeug braucht für einen Sinkflug im Segelflug (ohne Energieverbrauch) ca.30 min von 10 km Höhe bis Meereshöhe. Dabei wird die potentielle Energie des Flugzeugs abgebaut. Das bedeutet aber, dass es diese Energie aufbringen muss, um 30 min auf 10 km Höhe bleiben zu können. Wenn das Gewicht des Flugzeugs 65 t ist, verbraucht es damit pro Stunde Flugzeit Epot = 2 · 65 t · 10 m/s2 · 10 km = 13 000 MJ Energie. Der Anteil für unser Gerät von 100 kg ist davon dann 13 000 MJ · 100 kg / 65 000 kg = 20 MJ pro Flugstunde.
Die Energie, die beim Bremsen der Räder anfallen würde (bzw. aufgewendet werden muss), liegt für ein solches Flugzeug je nach Bremsunterstützung durch Spoiler und Reverser zwischen 20..50 MJ (siehe Simulation der Bremskräfte).
Stellen wir diese Werte einander gegenüber, sehen wir, dass der Energieverbrauch für die Bremsvorrichtung für einen 2,5-Stundenflug auf 10 km Höhe (2,5−0,5) · 20 MJ + 10 MJ = 50 MJ ist (−0,5 weil im Sinkflug keine Energie verbraucht wird). Es muss in diesem Fall also 50 MJ Energie aufgewendet werden, nur um die Bremsvorrichtung von 100 kg Gewicht auf dem Flug mitzunehmen. Die durch das Bremsen gewonnene Energie ist in diesem Beispiel nur dann in dieser Grössenordnung, wenn keine anderen Bremshilfen wie Spoiler und Gegenschub verwendet werden, was unrealistisch ist: ohne Spoiler zu landen ist nicht ratsam. Wenn man dann noch berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad sicher nicht 100% ist, sieht man, dass es sich schon Energetisch nicht lohnt, solche Vorrichtungen in die Räder einzubauen; ganz zu schweigen von all den anderen oben erwähnten Nachteilen.
Ich hoffe, ich habe keine groben Überlegensfehler gemacht.