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In diesem Artikel erkläre ich, wieso es unterschiedliche Geschwindigkeiten braucht, wo diese angezeigt werden und wie sie voneinander abhängig sind.
Lässt man sich die Cockpit-Anzeigen eines modernen Verkehrsflugzeugs von einem Piloten erklären, fällt dem aufmerksamen Zuhörer auf, dass es diverse Anzeigen für die Geschwindigkeit des Flugzeugs gibt. Jede Anzeige zeigt einen anderen Wert an!
Das folgende Bild zeigt das EFIS (Electronic Flight Instrument System) auf der Copilotenseite einer Boeing 747-400, geläufig auch unter dem Namen Jumbo-Jet. Der Copilot sitzt immer rechts im Cockpit. Die Anzeigen des links sitzenden Kapitäns sind vertauscht, aber das spielt keine Rolle. Zum EFIS gehört das Navigation Display (ND), hier links, und das Primary Flight Display (PFD) rechts.
Anzeigen
A Speed Tape
B Indicated Airspeed IAS = 300 kt
C Mach Selected = Mach 0,859
D Mach Speed = Mach 0,856
E True Airspeed TAS = 491 kt
F Ground Speed GS = 458 kt
G Wind Speed and Direction = 54 kt
Wir haben also drei verschiedenen Werte für die Fluggeschwindigkeit in Knoten (kt = nautische Meilen pro Stunde; 1 kt = 1,852 km/h; ISO Standardsymbol für Knoten ist kn, aber in der Luftfahrts ist kt üblich):
plus eine Geschwindigkeitsangabe in Mach:
Der Mach-Wert gibt an, wie schnell sich das Flugzeug bezüglich der Schallgeschwindigkeit bewegt. Wir fliegen hier mit 0,856-facher Schallgeschwindigkeit, wobei diese von der Flughöhe bzw. der dort herrschenden Temperatur abhängig ist. In unserem Fall beträgt die Reiseflughöhe 33 000 ft = FL 330 (ft = Fuss; FL = Flight Level) und die Schallgeschwindigkeit ist bei der aktuellen Temperatur in dieser Höhe 573,6 kt = 1062 km/h. Das nur nebenbei.
Geschwindigkeit ist definiert als Strecke, die in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wird. Was für eine Strecke soll nun ein Flugzeug als Bezug nehmen? Und wie soll es diese Strecke messen? Zudem kann man Geschwindigkeiten auch anders definieren, wie ich nachfolgend noch erklären werde.
Zunächst einmal bewegt sich das Flugzeug durch die Luft. Man könnte also angeben, wie schnell sich das Flugzeug relativ zur Luft bewegt. Diese Geschwindigkeit wird als True Airspeed TAS bezeichnet und auf dem Navigation Display (ND) angezeigt.
Die True Airspeed kann (noch) nicht direkt gemessen werden, sondern wird aus verschiedenen Messwerten (Staudruck, statischer Druck, Temperatur) indirekt berechnet. Diese Berechnungen sind recht kompliziert und werden heute vom Computer übernommen.
Bei Windstille kann die Ground Speed (GS = Geschwindigkeit über Grund) einfach angegeben werden: Sie entspricht gerade der True Airspeed:
Die Ground Speed braucht man zum Navigieren. Damit kann man ausrechnen, wie lange man benötigt, um den nächsten Navigationspunkt zu erreichen. Diese Berechnungen übernimmt der Navigationscomputer und zeigt die erwartete Ankunftszeit auf dem Navigation Display an. Für die Staffelung des immer dichter werdenden Flugverkehrs ist das Einhalten der Zeiten sehr wichtig, vor allem in den nicht vom Radar überwachten Flügen über den Meeren.
Heute wird die Ground Speed durch das Navigationssystem des Flugzeugs berechnet. Dabei werden verschiedene Methoden gleichzeitig verwendet und untereinander abgeglichen: GPS, Trägheitsnavigation und Funknavigation. All dies geschieht vollautomatisch. Den Piloten wird die errechnete Position des Flugzeugs auf dem Navigation Display schematisch angezeigt.
Aus dem Unterschied zwischen Ground Speed GS und True Airspeed TAS lässt sich die Windstärke und Richtung berechnen. In grossen Höhen können sehr starke Winde auftreten, bis weit über 200 kt (Jet-Streams). Die Flugrouten werden so geplant, dass man möglichst wenig Gegenwind, jedoch möglichst viel Rückenwind hat. Windrichtung und -Stärke werden vom Computer automatisch aus GS und TAS berechnet und im Navigation Display angezeigt.
Bisher haben wir also schon TAS und GS zusammen mit dem Wind erklärt. Die verschiedenen Werte rühren hier von verschiedenen Bezugssystemen her: Boden GS oder Luft TAS. Weshalb braucht es dann noch die Indicated Airspeed IAS, was ist das überhaupt und wozu noch die Mach-Anzeige?
Die Indicated Airspeed ist in dem Sinne keine echte Geschwindigkeitsanzeige, als sie keine Strecke misst, die in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wird. Vielmehr wird der Druckunterschied zwischen gestauter Luft in einem Pitotrohr und dem statischen Luftdruck gemessen. Diesen Druckunterschied nennt man dynamischer Druck. Der dynamische Druck wird auf einer Geschwindigkeitskala angezeigt. Weshalb?
Der dynamische Druck q ist die einzige direkt messbare Grösse, die mit der Geschwindigkeit des Flugzeugs bezüglich der Luft im Zusammenhang steht. Die einfachste Formel dafür lautet:
|(1)||

|wobei'||

Dies ist die Formel für idealisierte inkompressible Gase und sie gilt nur annähernd für Geschwindigkeiten unter Mach 0,3 und Flughöhen bis ca. 10 000 ft. Für andere Flugbedingungen muss mit komplizierteren Formeln für kompressible Gase gerechnet werden, aber das Prinzip ist dasselbe.
Man misst also den dynamischen Druck und beschriftet die Anzeige so, dass statt dem Druck die Geschwindigkeit v angezeigt wird. Das Problem dabei: Dies funktioniert nur auf Meereshöhe bei einem bestimmten Luftdruck und bei einer bestimmten Temperatur (Standardatmosphäre). Je höher das Flugzeug fliegt, umso dünner wird die Luft und \rho wird entsprechend kleiner. Damit wird aber auch der gemessene dynamische Druck immer kleiner, selbst wenn die Geschwindigkeit v gleich bleibt. Darum ist die Indicated Airspeed auf der Anzeige oben nur 300 kt, während das Flugzeug eigentlich mit 491 kt durch die Luft fliegt.
Warum wird dann trotzdem die IAS als Hauptwert auf dem Speed Tape angezeigt?
Dies hat sehr praktische Gründe: Luftwiderstand und Auftrieb sind direkt proportional zum dynamischen Druck. Bei gleichem dynamischen Druck hat das Flugzeug den gleichen Auftrieb und es wirken dieselben strukturellen Kräfte auf das Flugzeug, egal in welcher Höhe es sich befindet.
Solange sich die IAS Anzeige also innerhalb eines bestimmten Bereiches befindet, kann der Pilot sicher sein, dass das Flugzeug genug Auftrieb hat und die Kräfte am Flugzeug nicht zu stark werden, also keine strukturelle Überlastung stattfindet, unabhängig von Luftdruck, Temperatur und Luftdichte!
Dies ist also der Grund dafür, dass die Indicated Airspeed IAS die wichtigste Geschwindigkeit auf den Cockpit-Anzeigen ist.
Je nach Gewicht darf das Flugzeug eine bestimmte IAS nicht unterschreiten (z.B. 140 kt), damit sicher genug Auftrieb produziert wird. Um strukturelle Schäden zu vermeiden darf eine bestimmte IAS aber auch nicht überschritten werden (z.B. 340 kt). Wie hoch das Flugzeug fliegt, wie gross die TAS oder GS dabei ist, spielt überhaupt keine Rolle. Für die Flugsicherheit ist alleine die IAS-Anzeige von Bedeutung, daher ist das die wichtigste Geschwindigkeitsanzeige.
Jetzt stellt sich nur noch die Frage, was die Mach Speed für eine Rolle spielt.
Die Mach Speed spielt erst in grosser Höhe ab ca. 27 000 ft eine Rolle. Im Prinzip wird versucht, mit möglichst hoher IAS zu fliegen, damit man möglichst schnell ans Ziel kommt. Eine obere Grenze für die IAS bildet aber die strukturelle Belastung des Flugzeugs und man muss für Windschwankungen und Flugmanöver noch eine gewisse Reserve einbauen. So fliegt man (je nach Flugzeug) maximal mit 320 kt IAS. Je höher man nun fliegt, umso dünner wird die Luft. Um in diesen Bedingungen noch 320 kt IAS angezeigt zu bekommen, muss sich das Flugzeug wesentlich schneller durch die Luft bewegen, die TAS nimmt also zu. Irgendwann kommt man in Geschwindigkeitsbereiche, wo die TAS sich der Schallgeschwindigkeit nähert, selbst wenn die IAS wesentlich darunter ist.
Jetzt kommen weitere aerodynamische Effekte ins Spiel. Auf der Flügeloberseite ist wegen dem Flügelprofil die Luftströmung einiges höher als TAS. Wenn nun die Strömung an der Flügeloberseite die Schallgeschwindigkeit erreicht, bilden sich Schockwellen und die Strömung löst sich vom Flügel ab. Dies bedeutet Auftriebsverlust und muss daher vermieden werden.
Der Pilot muss also zusätzlich dafür sorgen, dass ein bestimmter Prozentsatz der Schallgeschwindigkeit nicht überschritten wird, also z.B. mit maximal Mach 0,86 geflogen wird. Ab einer bestimmten Höhe, der Cross-Over-Höhe von 27 000 ft, ist nun diese Mach Speed die obere Geschwindigkeitsgrenze, nicht mehr die IAS. Daher wird auch die Mach Speed am Speed Tape angezeigt.
Beim Autopiloten kann die Geschwindigkeit entweder als IAS oder als Mach vorgegeben werden. Unterhalb der Cross-Over-Altitude wird die Geschwindigkeit als IAS eingestellt, darüber als Mach Wert.
In der folgenden Grafik ist der Zusammenhang von True Airspeed TAS, Indicated Airspeed IAS und Mach Speed dargestellt. Die Werte, die beim Jumbo Jet im Bild oben angezeigt werden, sind in der Grafik hervorgehoben (kleiner Kreis). Die kleinen Abweichungen zwischen den Werten in der Grafik und den Werten auf den Cockpit-Anzeigen rühren daher, dass die Grafik mit Standardatmosphäre berechnet wurde, während beim Flugzeug eine etwas andere Temperatur und Luftdichte herrschte.
Wenn du mit der Maus über die Grafik fährst oder in die Grafik klickst, werden die zugehörigen Werte in der Tabelle darunter in aviatischen und metrischen Einheiten angezeigt.
|Einheiten||Flughöhe||TAS||IAS||Mach|
|Aviatisch|
|Metrisch|