Instrumentierung (Unterschied zwischen Versionen)

Aktuelle Version vom 17. Januar 2024, 07:45 Uhr

Der menschliche Körper ist als Messinstrument völlig ungeeignet – kurze Entfernungen kann man vielleicht noch einigermaßen abschätzen, aber damit hat es sich dann auch. Deshalb braucht jeder Pilot Instrumente, um seinen Flug sicher durchzuführen. Je nachdem, nach welchen Regeln das Flugzeug bewegt werden soll, sind das natürlich unterschiedliche Instrumente, die auch in unterschiedlichen Genauigkeiten anzeigen und verschieden zuverlässig arbeiten müssen. Aber grundsätzlich funktionieren alle Geräte immer nach den gleichen Prinzipien, und diese muss jeder Pilot verstanden haben.

[Bearbeiten] Pitot- und Statikinstrumente

Von Wessmann.clp - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pitotsystem_german.png

Gleich drei der wichtigsten Instrumente werden vom Pitot- und Statiksystem gespeist: der Fahrtmesser, der Höhenmesser und das Variometer. Das Pitot- und Statiksystem, wie der Name bereits andeutet, besteht aus zwei Teilen: einem Pitotrohr und einem Statikport. Zur Vereinfachung gehen wir hier nur von Unterschallgeschwindigkeiten aus und vernachlässigen den Kompressibilitätseffekt der Luft.

Das Pitotrohr misst den Totaldruck. Dieser setzt sich zusammen aus dem dynamischen Druck und dem statischen Druck. Wenn wir die Formel nun umstellen, ist der dynamische Druck also die Differenz zwischen dem Totaldruck und dem statischen Druck. Der dynamische Druck resultiert aus der Energie der Luft, welche das Luftfahrzeug umströmt. Er ist abhängig von der Dichte der Luft sowie der Geschwindigkeit. Um das Ganze nun auf Oberschlau zu erklären: q = 1/2ρ * v². Dabei ist es egal, ob sich das Pitotrohr mit 70 Knoten durch stehende Luft bewegt oder das Pitotrohr steht und der Wind mit 70 Knoten hineinströmt – der dynamische Druck (und somit auch der Totaldruck) ist immer der gleiche.

Da allerdings die Luft nicht nur Druck ausübt, wenn sie strömt, sondern auch, wenn sie unbewegt über uns steht (was man typischerweise aus dem Wetterbericht als Luftdruck kennt), benötigt man noch einen zweiten Sensor: den Statikport. Der Statikport nimmt an einer günstigen Stelle, meistens irgendwo an der Seite eines Flugzeugs, den statischen Druck ab und leitet ihn an die Instrumente weiter.

[Bearbeiten] Höhenmesser

Ein klassischer Dosenhöhenmesser, wie er auch heute noch in kleineren Flugzeugen eingebaut wird, besteht im Wesentlichen aus einer Anzeige, einem Gehäuse und einer Aneroiddose. In dem Gehäuse herrscht Umgebungsdruck, da es mit den Statik-Ports verbunden ist. In dem Gehäuse befindet sich die luftdicht verschlossene Aneroiddose, oder einfach Druckdose, deren Volumen sich abhängig vom Umgebungsdruck ändert. Sinkt der Umgebungsdruck mit zunehmender Flughöhe, so nimmt auch der Druck im Gehäuse ab und die Druckdose dehnt sich aus. Beim Sinkflug steigt der Umgebungsdruck und komprimiert die Dose wieder. Für eine genauere Messung werden in einem Höhenmesser mehrere dieser Druckdosen verbaut und mit Federdruck belastet. Deren Volumenänderung wird über ein Gestänge abgenommen und auf der Anzeige als Flughöhe dargestellt.

Da nun aber der Druck nicht immer konstant ist, und sich mit dem Wetter verändert, muss der Höhenmesser ständig korrigiert werden – an der Stelle kommt das QNH ins Spiel. Dreht der Pilot auf dem Höhenmesser das QNH ein, korrigiert er den damit seinen Höhenmesser. Pro hPa Abweichung vom Standarddruck zeigt der Höhenmesser 27 Fuß Differenz an.

Es gibt natürlich auch einen Einfluss der Temperatur, so zeigt in kalter Luft der Höhenmesser zu wenig Höhe an. Bei einer Außentemperatur von -10°C beträgt die Abweichung von einem Höhenmesser rund 10%! Der Pilot denkt also, er wäre auf 3000 Fuß, fliegt aber tatsächlich bei 2700 Fuß.

Die Höhenmesserkorrektur, also das korrekte Setzen von QNH unterhalb der Übergangsflughöhe und die Temperaturkorrektur, sind wichtige Aufgaben des Piloten für einen sicheren Flug.

[Bearbeiten] Fahrtmesser

Das zweite Instrument, das seine Information aus dem Pitot- und Statiksystem bezieht, ist der Fahrtmesser. Er misst den Unterschied zwischen dem dynamischen und dem statischen Druck. Dies geschieht grob wie folgt: Der Statikport ist mit dem Gehäuse des Fahrtmesssers verbunden. Dort liegt somit immer der statische Druck an. Im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Kapsel, welche mit dem Pitotrohr verbunden ist. Dort liegt somit immer der Gesamtdruck an. Sobald sich das Flugzeug bei gleicher Luftdichte durch die Luft beschleunigend bewegt, steigt der Totaldruck und somit auch der dynamische Druck (im Quadrat zur Geschwindigkeit (v²)) an. Daher dehnt sich die Kapsel aus und dies wird über Zahnräder und mithilfe einer Nadel im Cockpit zur Anzeige gebracht.

Der Fahrtmesser zeigt eine der drei wichtigen Geschwindigkeiten des Flugzeugs an: die angezeigte Eigengeschwindigkeit, oder indicated airspeed (IAS). Diese Geschwindigkeit ist deswegen wichtig, weil sie einen direkten Einfluss auf die Aerodynamik des Flugzeugs hat. Ist die IAS zu gering, besteht die Gefahr, dass das Flugzeug stallt, ist sie zu hoch, besteht die Gefahr, dass durch den hohen Staudruck das Flugzeug beschädigt wird.

Die zweite wichtige Geschwindigkeit ist die wahre Eigengeschwindigkeit. Da die Luftdichte nach oben hin abnimmt, nimmt bei gleicher Geschwindigkeit die Differenz zwischen statischem und dynamischen Druck ab. Die IAS muss also um die Effekte der abnehmenden Luftdichte und auch der Temperatur korrigiert werden. Ist das geschehen, zeigt die TAS wieder die Geschwindigkeit gegenüber der Luft an. In modernen Flugzeugen übernimmt ein so genannter air data computer (ADC) diese Aufgabe. Bei kleineren Flugzeugen gibt es diese Computer nicht häufig, deswegen muss die IAS per Hand korrigiert werden. Dazu gibt es eine praktische Faustformel, nach der die TAS pro 1000 Fuß Höhe um 2% gegenüber der IAS zunimmt. Zeigt der Fahrtmesser also auf 5000 Fuß 120 Knoten an, ist die TAS ungefähr 132 Knoten (5000 Fuß ergibt eine Korrektur von fünfmal 2%, also insgesamt 10%, von 120 Knoten also eine Korrektur von 12 Knoten).

Die dritte Geschwindigkeit, die ein Pilot kennen sollte, ist die Geschwindigkeit über Grund, die ground speed. Sie gibt an, wieviele Meilen oder Kilometer pro Stunde das Flugzeug gegenüber der Erde zurückliegt. Diese Angabe ist besonders dann wichtig, wenn Wind herrscht - bei Windstille nämlich ist die ground speed exakt gleich der true airspeed. Hat der Pilot nun aber 60 Knoten Wind von vorne, ist seine GS genau diese 60 Knoten geringer als die TAS. Bei langen Flügen oder besonders starken Winden muss also zusätzlicher Sprit getankt werden, um zum Zielflughafen zu gelangen.

[Bearbeiten] Variometer

Das Variometer ist das dritte wichtige Instrument, das auf dem Pitot- und Statiksystem basiert. Es zeigt die Steig- und Sinkrate des Flugzeugs an. Es ist wieder in zwei Teile aufgeteilt, ein Gehäuse und eine flexible Membran. Beide Teile sind mit dem Statiksystem verbunden, nur dass zwischen dem Gehäuse und dem Statikport eine Drossel eingebaut ist. Diese Drossel bewirkt, dass sich der Statikdruck im Gehäuse nicht sofort verändern kann wenn das Flugzeug steigt oder sinkt. Steigt oder sinkt das Flugzeug jetzt, verändert sich der statische Druck in der Membran sofort, der Druck im Gehäuse mit einiger Verzögerung. Durch diese Verzögerung dehnt sich die Membran oder zieht sich zusammen, was als Steig- oder Sinkgeschwindigkeit auf dem Variometer angezeigt wird.