Ein Flugzeug wird nicht dadurch gesteuert, dass eine Fläche es direkt in eine Richtung drückt. Querruder, Höhenruder, Seitenruder, Klappen und Spoiler verändern lokale aerodynamische Kräfte; aus den entstehenden Momenten dreht sich das Flugzeug um Längs-, Quer- und Hochachse.
Drei Achsen, mehrere Steuerflächen
Querruder erzeugen Rollmoment, Höhenruder beeinflussen die Nickbewegung und das Seitenruder die Gierachse. Bei Verkehrsflugzeugen arbeiten diese Flächen jedoch nicht isoliert. Spoiler unterstützen das Rollen, Trimmung reduziert dauerhafte Steuerkräfte und Computer koordinieren mehrere Aktuatoren. Die bekannte Dreiachsen-Erklärung ist daher nur der Einstieg in ein komplexes Flugsteuerungssystem.
Hochauftrieb verändert den Flügel
Vorflügel und Landeklappen erhöhen bei Start und Landung die Wölbung und teilweise die wirksame Flügelfläche. Das erlaubt mehr Auftrieb bei geringerer Geschwindigkeit, erzeugt aber zusätzlichen Widerstand. Im Reiseflug werden diese Systeme eingefahren, weil dort ein schlanker, widerstandsarmer Flügel günstiger ist.
Steuerflächen verändern Kräfte, nicht einfach die Flugrichtung
Ein Querruderausschlag dreht das Flugzeug nicht unmittelbar. Er verändert zunächst die lokale Wölbung und damit Auftrieb und Widerstand. Aus den unterschiedlichen Kräften an beiden Tragflächen entsteht ein Rollmoment. Ähnlich arbeitet das Höhenruder über ein Nickmoment und das Seitenruder über ein Giermoment. Flugsteuerung ist damit angewandte Momentenbilanz um drei Achsen.
Bei großen Jets teilen sich mehrere Flächen dieselbe Aufgabe
Ein modernes Verkehrsflugzeug besitzt oft innere und äußere Querruder, mehrere Spoilersegmente und komplexe Klappensysteme. Welche Fläche wann arbeitet, hängt von Geschwindigkeit und Flugzustand ab. Bei hoher Geschwindigkeit können äußere Querruder begrenzt werden, um Flügellasten zu reduzieren; Spoiler unterstützen die Rollbewegung. Nach der Landung fahren Ground Spoiler aus, vernichten Auftrieb und übertragen mehr Gewicht auf die Räder, damit die Bremsen wirksamer arbeiten.
Fly-by-Wire erlaubt aktive Lastbegrenzung
Elektrische Flugsteuerungen können nicht nur Piloteneingaben übertragen, sondern auch strukturelle Lasten begrenzen. Sensoren erfassen Flugzustand und Beschleunigungen, Computer verteilen Befehle auf mehrere Flächen. Dadurch lässt sich die Struktur näher an den tatsächlich auftretenden Lasten auslegen. Die Flugsteuerung wird so zu einem Bestandteil des Leichtbaukonzepts.
Vom Datenblatt zur realen Mission
Die Flugsteuerung muss auch elastische Verformungen der Tragfläche berücksichtigen. Große Flügel biegen sich sichtbar; Steuerflächen verändern dadurch nicht nur die Fluglage, sondern auch lokale Lasten. Bei modernen Jets werden Aktuatoren, Sensoren und Regelgesetze deshalb zusammen mit dem aeroelastischen Strukturmodell entwickelt.
Primärsteuerung und Trimmung
Querruder, Höhenruder und Seitenruder steuern die drei Rotationsachsen des Flugzeugs. In modernen Verkehrsflugzeugen kommen Spoiler hinzu, die beim Rollen unterstützen und nach der Landung Auftrieb abbauen. Für den Piloten entscheidend ist jedoch nicht nur, eine Lageänderung einzuleiten. Das Flugzeug muss anschließend in einem neuen Gleichgewichtszustand gehalten werden. Dafür dient die Trimmung – klassisch über verstellbare Trimmflächen oder, bei vielen Verkehrsflugzeugen, über ein trimmbares Höhenleitwerk.
Bei Fly-by-Wire-Flugzeugen übersetzen Computer die Eingaben in Stellbefehle. Der Pilot bewegt also nicht mechanisch ein Ruder, sondern fordert eine Reaktion an. Je nach Flugsteuerungsgesetz begrenzt die Software dabei beispielsweise Anstellwinkel oder Lastvielfache. Das verändert die Schnittstelle zwischen Mensch und Aerodynamik, nicht aber die physikalische Aufgabe der Ruderflächen.
Klappen verändern den Flügel für Start und Landung
Landeklappen und Vorflügel gehören nicht zur klassischen Primärsteuerung, sind aber für niedrige Geschwindigkeiten entscheidend. Sie erhöhen den maximal erreichbaren Auftrieb und erlauben damit Start und Landung bei Geschwindigkeiten, die mit einem reinen Reiseflugprofil nicht möglich wären. Gleichzeitig steigt der Widerstand – bei der Landung erwünscht, im Reiseflug jedoch teuer.
Ein moderner Verkehrsflugzeugflügel ist deshalb ein veränderliches aerodynamisches System. Seine Geometrie wird für Start, Steigflug, Reiseflug und Landung jeweils anders konfiguriert. Wer verstehen will, wie ein Flugzeug gesteuert wird, muss also nicht nur auf Querruder und Leitwerk schauen, sondern auf das Zusammenspiel sämtlicher beweglicher Flächen.
Bild: Airbus