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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
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|
Eine so gute Erklärung habe ich noch nie in meiner mittlerweile 20-jährigen Fliegerkarriere gesehen. Vielen Dank!
Ich danke Dir Holger für das Lob. Damit hat sich mein Aufwand voll und ganz gelohnt!
Besten Dank für die leicht verständlichen Erklärungen. Dazu noch eine Frage: Lässt sich Windrichtung und -geschwindigkeit wirklich nur aus TAS und GS berechnen? Oder braucht es da noch den Aufkreuzwinkel? Aber da wird's wahrscheinlich kompliziert!
Beste Grüsse
Heiri
@Mahler
Intern sind GS, TAS und Wind natürlich 2D-Vektoren. Als GS wird jedoch nur die Länge des GS-Vektors angezeigt, da die Navigation ja sowieso über das ND (Navigation Display) erfolgt. Die angezeigte GS ist nur eine Zusatz-Info um abzuschätzen, wie schnell man sich über Grund bewegt. Der TAS-Vektor zeigt immer genau nach oben, da sich das Flugzeug ja bezüglich der Umgebungsluft immer geradeaus bewegt, egal in welche Richtung der Wind bezgl. Ground bläst. Es schwimmt quasi in der bewegten Luftmasse immer genau geradeaus (von Kurven einmal abgesehen).
Der Zusammenhang der Vektoren ist wiefolgt:
Beispiele: Kommt der Wind genau von hinten, so zeigt der Wind-Vektor in dieselbe Richtung wie der TAS-Vektor, also nach oben, und die beiden Geschwindigkeiten (Vektorlängen) können einfach addiert werden. Man kommt also bezüglich Ground um die Windgeschwindigkeit schneller vorwärts, als TAS. Bei Gegenwind zeigt der Wind-Vektor nach unten und somit muss die Windgeschwindigkeit von TAS abgezogen werden. Man kommt also bezgl. Ground weniger schnell vorwärts.
Der Flug-Computer kennt TAS und GS (aus der Navigation: (Pos2 - Pos1)/Zeit). Beides sind Vektoren. Obige Gleichung lässt sich nach dem Wind-Vektor auflösen:
Das Bezugssystem ist immer das Flugzeug. Das heisst, ein Vektor zeigt nach oben, wenn er in Flugrichtung zeigt. Der Wind-Vektor zeigt daher die Windrichtung bezüglich des Flugzeugs an, nicht bezüglich der Himmelsrichtung. Das macht ja auch Sinn. Man soll auf einen Blick sehen, ob man Rückenwind, Gegenwind oder Seitenwind hat, egal in welche Richtung man gerade fliegt.
Der so berechnete Wind-Vektor wird als Pfeil links oben im ND angezeigt (zeigt bei Rückenwind nach oben). Darüber wird die Windrichtung bezüglich Norden und die Länge des Vektors, also die Windgeschwindigkeit gegenüber dem Ground angezeigt (hier: 171°/54). Beachte: Die Windgeschwindigkeit gegenüber dem Flugzeug ist ja immer TAS und die kommt immer von vorne.
Um deine Frage zu beantworten: Der "Aufkreuzwinkel" ist natürlich im GS-Vektor enthalten und spielt bei der Berechnung des Windes somit eine Rolle. Zeigt die Nase des Flugzeugs zum Beispiel bei Seitenwind von links genau nach Norden, so bewegt sich das Flugzeug gegenüber Ground leicht in Richtung Nord-Ost. Der GS-Vektor zeigt also z.B. je nach Windstärke z.B. auf ca. 1 Uhr. Der TAS-Vektor immer in Richtung 12 Uhr. Daraus resultiert ein Wind-Vektor (GS - TAS), der z.B. Richtung 3 Uhr zeigt. Ich vermute, du meinst mit "Aufkreuzwinkel" den Winkel zwischen GS-Vektor und TAS-Vektor?
Hoffe, das ist auch ohne Grafik einigermassen verständlich :-)
Ja, ich glaube, dass ich es geschnallt habe. Besten Dank! Ist das nicht das Winddreieck "rückwärts" gezeichnet? Ich probier mal, im EXCEL ein Winddreieck zu rechnen. Beste Grüsse: Heiri
Hallo Walter!
Also ich bin Fluggerätmechaniker bei der LH und gerade auf dem Weg zu meinen MT Mech-CAT B1. Besten Dank für die super Erklärung!!! Hat mir sehr viel gebracht!!
Endlich richtig kapiert!!! ;-)
Zum AF-Unfall vor Brasilien:
Kann man bei defekten Sensoren (Eis, abgeklebt usw.) die Geschwindigkeit über Grund (INS,GPS, usw) und die Windgeschwindigkeit (Wetterbericht, eigene Messung kurz vor dem Ausfall) benutzen, um daraus IAS und TAS zu errechnen und das Flugzeug retten?
Zum Unfall ALITALIA, Zürich:
Kann mann auf dem Gleitpfad absichtlich nach rechts, links, oben und unten abweichen und kontrollieren, ob die Anzeigen das merken?
Überflüssige Unfälle tun weh.
@Hubert Horstmann
Wenn man die GS und den Wind (Richtung und Stärke), die Flughöhe und die Temperatur kennt, kann man daraus die IAS und TAS berechnen. Das Problem ist der Wind. Dieser kann sich in Sturmgebieten erheblich ändern. Auf Reiseflughöhe ist das IAS-Geschwindigkeitsfenster das einzuhalten ist relativ klein. Da können starke Windänderungen gefährlich werden. Der Wind kann nur indirekt aus TAS und GS berechnet werden. Wenn aber TAS ausfällt, hat man auch keine aktuellen Winddaten mehr. Wenn sich der Wind also in einem Sturmgebiet stark ändert und wegen ausgefallener TAS nicht mehr berechnet wird, so kann auch nicht aus GS und Wind die TAS/IAS berechnet werden.
Aber man hätte aus der Höhe und der GS und der letzten Windstärke ersehen können, dass das Flugzeug viel zu langsam fliegt, und nicht zu schnell, wie der Copilot offenbar aufgrund der ungewöhnlichen Luftgeräusche (im Stall) annahm. Aber vielleicht traute er keiner Anzeige mehr, auch dem GS und der Höhenangabe nicht? Er wusste ja nicht, was alles ausgefallen ist.
Die einzig richtige Handlung in so einer Situation ist: Pitch and Power. Also sofort einen bestimmten Neigungswinkel und ein bestimmter Schub einstellen. Wenn es nicht schon zu spät ist, fliegt dann das Flugzeug automatisch in einem sicheren Bereich und passt sich selbst Windschwankungen an.
Im Falle AF 447 wäre nichts passiert, wenn der Pilot überhaupt nicht reagiert hätte. Das Flugzeug hätte die letzte Einstellung einfach beibehalten (sofern nicht gerade Änderungen an der Geschwindigkeit vorgenommen worden wären) und nach ein paar Minuten wäre der Spuk überstanden gewesen und alles hätte wieder normal funktioniert. Aber das können wir hier vom Sessel nachträglich einfach beurteilen.
Auf dem Gleitpfad ist der Autopilot im sog. Approach-Mode. Der Pilot steuert also in dieser Phase das Flugzeug nicht von Hand und kann daher auch keine Abweichungen fliegen. Er müsste den Autopiloten in einen anderen Modus schalten oder abschalten und von Hand fliegen, um solche Abweichungen zu fliegen. Aber dies ist in dieser Phase nicht empfohlen.
Einzig richtige Aktion in dieser Situation wäre gewesen: Durchstarten und das Problem analysieren. Spätestens beim Durchstarten hätte der Kapitän gesehen, dass seine Glideslope-Anzeige nicht funktioniert und hätte dann beim zweiten Anflug die noch funktionierende GS-Anzeige des Copiloten verwendet (Autopilot 2 zur Landung verwendet). Tragisch war, dass der Copilot einen Durchstart eingeleitet hat, der Kapitän ihn aber wieder abgebrochen hat.
Eine Konsequenz dieses Unfalles ist: Bei Problemen im Anflug, egal welcher Art, immer Durchstarten! Ein eingeleiteter Durchstart (go around) darf NIE abgebrochen werden!
Nachher ist man immer klüger. Daher auch die minuziösen Analysen der Flugunfälle!
Geniale Erklärung! Das wird mir hoffentlich für die kommende Prüfung helfen :) Ganz interessant, auch wenn sie nicht angezeigt wird, wäre evtl. noch eine kleine Erläuterung der EAS.
Großartige Erklärung. Vielen Dank für Deine Expertise
Wer kann mir sagen, welche Geschwindigkeit für die Passagiere angezeigt wird. Danke.
Den Passagieren wird die Geschwindigkeit bezüglich der Erdoberfläche, also die Ground Speed GS angezeigt. Diese ist relevant, um zusammen mit der Distanz die Flugzeit berechnen zu können.
Danke an Walter Bislin für die Antwort und ganz nette Grüsse vom Niederrhein
Karl F.Koch
Da ist Dir ein kleiner aber dramatischer Fehler unterlaufen: Pitch und Anstellwinkel sind nur im Horizontalflug identisch, denn der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Chordline (Flügelprofilsehne) und Vertikalem Flugpfad. Der Anstellwinkel kann z.B. auch bei Pitch = Null Grad 25 Grad betragen, wenn nämlich der vertikale Flugpfad - 25 Grad beträgt.
Beim Air France Flug betrug er ca. -45 Grad, die Pitch lag bei +11 Grad. Der Anstellwinkel lag also bei
56 Grad. Der Anstellwinkel kann synthetisch berechnet werden und beträgt: Vertical Speed dividiert durch True Airspeed = tangens Anstellwinkel. Um die typische Einheit der Geschwindigkeit für die Sinkrate (feet per Minute) in dieselbe für jene der True Airspeed (in Knoten = kt) zu verwandeln eignet sich der Divisor 102, heißt: eine Sinkrate von 11.000 feet per minute, wie vorliegend in der Phase des Sackfluges der Air France 447, entsprach einer Vertikalgeschwindigkeit von 108 kt. Die TAS lag bei ungefähr 111 kt. Die Division von 108 durch 111 beträgt quasi 1, der Tangens von 1 entspricht einem Winkel von 45 Grad und entspricht dem Vertikalem Flugpfad gegenüber der Luft, nicht zu verwechseln mit dem Vertikalen Flugpfad gegenüber Grund, der für die synthetische Berechnung des Anstellwinkels völlig ohne Bedeutung ist !!!!!!
Die Firma ASPEN glaubt leider allen Ernstes, der synthetischen Ermittlung des Anstellwinkels als Quotient aus VS zu TAS vertrauen zu können, obwohl beide mathematischen Ableitungen der TAS extrem fehlerträchtig sind: nämlich sowohl die klassische Ableitung über den Weg der IAS und CAS und EAS, korrigiert um den Wert der Luftdichte rho als auch jene der Umkehrrechnung des Winddreiecks, heißt: TAS = Groundspeed plus / minus Headwind- / Tailwind-Komponente. Das letztere lässt sich nur unter der Voraussetzung einer bekannten TAS errechnen lässt, müsste sich die Katze in den Schwanz beißen können.
@Rainer Puetz
Du hast natürlich recht, danke für den Hinweis. Ich habe Pitch fälschlicherweise als Anstellwinkel übersetzt, statt mit Neigungswinkel (hab das oben korrigiert). Eigentlich müsste man wirklich Anstellwinkel (nicht Pitch) und Power einstellen. Aber wie Du geschrieben hast, ist im horizontalen Flug Anstellwinkel = Neigungswinkel und da ein Flugzeug die meiste Zeit im horizontalen Flug ist, gilt trotzdem Pitch und Power. Zudem muss man bedenken, dass der Anstellwinkel nicht bei allen Flugzeugen angezeigt wird, er ist eine Option im Cockpit. Ich nehme aber an, dass unterdessen praktisch alle Verkehrsflugzeuge eine solche Anzeige haben. Airbus sicher.
Aber: Diese Anzeige ist von einem Sensor abhängig, der selbst vereisen kann. Das ist schon mehrfach passiert. Sich dann auf diese Anzeige zu verlassen ist gefährlicher, als einfach einen bestimmten Neigungswinkel einzustellen, den man auf dem künstlichen Horizont ablesen kann, der zuverlässiger ist, da er nicht von externen Sensoren abhängig ist. Zudem gibt es 3 unabhängige Systeme für den künstlichen Horizont, die nicht vereisen können. Und wenn die Sicht gut ist, kann man mit einem Blick nach draussen den Neigungswinkel zusätzlich kontrollieren.
Im Falle des AF Unfalls war zum Zeitpunkt des Strömungsabrisses nichts mehr mit Pitch und Power zu retten. Man hätte die Nase sehr weit nach unten nehmen (ca. -40 Grad) müssen, um den Anstellwinkel drastisch zu verkleinern. Sobald dadurch wieder genügend Fahrt und Auftrieb produziert worden wäre, hätte man das Flugzeug wieder abfangen können. Aber ich weiss nicht, ob ohne zuverlässige Anzeigen in der Dunkelheit und bei Sturm ein solches Manöver überhaupt zu schaffen ist. Bei AF war wohl alles bereits zu vermurkst. Aber durch Pitch und Power wäre man nicht in diese Situation geraten. Daher wird eine solche Situation heute im Simulator speziell geübt.
Super gemacht!! Wirklich eine sehr gute Seite!
Ich würde auch gerne ein ganz großes Lob aussprechen.
Super Erklärung, die Unterschiede und das Weshalb und Warum.
Danke
Diese Website ist ein Keeper! Danke für die tolle Erklärung. Ich fliege nur Sportflugzeuge im realen Leben, fliege aber gern den A320 im Simulator und hatte nie so recht kapiert, wie die Geschwindigkeiten zusammenhängen. Nun macht das Fliegen noch mehr Spaß :).