Grundlagen des Fliegens

Zu Beginn der Moduleinheit Allgemeine UAS-Kunde werden die Grundlagen des Fliegens skizziert – wir schauen uns also den Grund dafür an, dass Luftfahrzeuge überhaupt abheben können.

Auf den ersten Blick erscheint Luft fast wie „Nichts“ – wenn etwas verschwunden ist, soll es sich sprichwörtlich „in Luft aufgelöst“ haben. Tatsächlich ist Luft viel mehr als Nichts, und es sind ausschließlich die Eigenschaften von Luft und die Phänomene an luftumströmten Körpern, die das Fliegen und den Antrieb von Luftfahrzeugen in der Luft überhaupt ermöglichen. Denn es ist tatsächlich so, dass neben der Erdanziehungskraft ausschließlich Luftkräfte wirken, welche ein UAS abheben und durch die Luft schweben lassen.

Neben den Luftkräften betrachten wir in diesem Submodul die Bewegungsrichtungen des unbemannten Luftfahrzeuges und wie die Kräfte zur Steuerung genutzt werden.

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Luftkräfte am Profil

Zunächst ist wichtig zu wissen, dass eine Tragfläche und ein Rotorblatt einen ähnlichen Querschnitt haben – im Prinzip handelt es sich bei einem Rotorblatt um eine kleine Tragfläche. Der Querschnitt eines Tragflächenprofils besitzt meist eine runde Vorderkante und läuft nach hinten spitz zu.

An diesem Tragflächenprofil – oder Rotorblatt – entstehen durch die Anströmung mit Luft vier Kräfte, die in vier unterschiedliche Richtungen wirken:

  • Die Auftriebskraft zieht die Tragfläche nach oben
  • Die Gewichtskraft wirkt dem entgegen nach unten
  • Die Vortriebskraft nach vorne ist notwendig, um eine Anströmung überhaupt zu erzeugen
  • Die Widerstandskraft bremst die Vorwärtsbewegung

Im so genannten unbeschleunigten Horizontalflug befinden sich alle auf die Tragfläche wirkenden Kräfte im Gleichgewicht, sodass keine resultierende Kraft übrigbleibt. Keine resultierende Kraft bedeutet, dass das Flugzeug oder Rotorblatt nicht schneller oder langsamer wird und auch nicht steigt oder sinkt. Wird dieses Gleichgewicht – absichtlich oder unabsichtlich – gestört, steigt oder sinkt das UAS, bzw. kann schneller oder langsamer werden.

Auftrieb

Das Ziel der typischen Tragflächenform ist es vor allem, ein optimales Verhältnis zwischen Auftrieb und Widerstand zu erhalten und Auftrieb auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, bedarf es einer Druckdifferenz zwischen Profilober- und Unterseite. Diese lässt sich dadurch erzeugen, dass eine Fläche gegenüber der Strömung etwas „gekippt“ wird – dieses Kippen wird Anstellen genannt. Die Stärke des Auftriebs wird dabei maßgeblich durch die „Stärke“ des Kippens – den so genannten Anstellwinkel – bestimmt.

Auch beim Autofahren kann mit diesem Effekt experimentiert werden, indem die flache Hand zunächst so aus dem Fenster gehalten wird, dass der Daumen in Fahrtrichtung zeigt, wodurch die Fahrtwindströmung direkt auf die Handkante trifft. Für den Wind sieht jetzt  „über“ der Hand genauso aus wie „unter“ der Hand, es wird kein Auftrieb erzeugt. Wird die Hand aber gekippt, so dass der Daumen etwas nach oben zeigt, ist sofort zu spüren, wie die Hand nach oben gezogen wird. Das „Anstellen“ der Hand gegenüber der Strömungsrichtung sorgt für unterschiedliche Strömungen über und unter der Hand: Es wird Auftrieb erzeugt.

Durch das „Anstellen“ der Tragfläche gegenüber der Anströmrichtung wird die Luft oberhalb der Tragfläche beschleunigt, wodurch der Druck fällt. Unterhalb der Tragfläche „drückt“ die Luft etwas gegen die Oberfläche, wodurch hier ein höherer Druck entsteht. Als Ergebnis entsteht am Tragflügel eine nach oben gerichtete Kraft, welche den Tragflügen nach oben „zieht“ – dies ist der Auftrieb oder die Auftriebskraft.

Neben dem Anstellwinkel spielt auch die Strömungsgeschwindigkeit eine Rolle für die Stärke des Auftriebs: je schneller sich der Flügel durch die Luft bewegt, desto größer ist entsprechend auch der Auftrieb. Bei einem Luftfahrzeug mit Propellern erhöht sich der Auftrieb dementsprechend mit einer höheren Umdrehungs- bzw. Rotationsgeschwindigkeit der Propeller.

Bewegungsrichtungen

Luftfahrzeuge können Bewegungen um folgende drei Achsen in alle drei Raumrichtungen durchführen:

  • Die Längsachse geht „längs“ durch das Luftfahrzeug, vom Bug zum Heck; Bewegungen um die Längsachse werden Rollen (engl. „roll“) genannt,
  • die Querachse verläuft quer zur Flugrichtung, bei einem Flächen-UAS kann sie durch die Tragflächen verlaufend gedacht werden; Bewegungen um die Querachse werden Nicken (engl. „pitch“) genannt,
  • die Hochachse verläuft schließlich von oben nach unten durch das UAS; Bewegungen um die Hochachse werden Gieren (engl. „yaw“) genannt.

Alle Achsen stehen senkrecht zueinander. Bei Multirotor-UAS, die häufig einen symmetrischen Aufbau haben, ist die Frontrichtung oft markiert, sodass die Bewegungsrichtungen eindeutig identifiziert werden können.

Realisiert werden die Bewegungen bei Multirotor-UAS durch das Variieren der Propeller-Umdrehungsgeschwindigkeiten. Bei Tragflächen-UAS kommen dafür Höhen-, Seiten- und Querruder zum Einsatz.

Bewegungen

Praktisch gesehen verfügt ein UAS auch über drei Bewegungsrichtungen, die das Fliegen ermöglichen:

  • Aufwärts und Abwärts,
  • das Drehen um die eigene Achse sowie
  • seitwärts, vorwärts und rückwärts.

Zu beachten ist, dass sich die Propeller nicht alle in die gleiche Richtung drehen. In der Regel drehen sich die gegenüberliegenden Propeller jeweils in die gleiche Richtung, die direkt benachbarten Propeller in die entgegengesetzte Richtung. So wird eine ungewollte Rotation um die eigene Achse vermieden.

Steigen und Sinken

Um das UAS vom Boden abheben zu lassen, muss die von allen Propellern ausgeübte Gesamtaufwärtskraft größer sein als die Schwerkraft. Dies erreicht man, indem die Propeller schneller gedreht werden.

Ist die gewünschte Flughöhe erreicht, wird die Drehzahl der Propeller so reduziert, bis ein Gleichgewicht zwischen Auftriebs- und Gewichtskraft besteht.

Um das UAS schließlich wieder sinken zu lassen, muss die von den Propellern ausgeübte Gesamtkraft etwas geringer sein als die Schwerkraft.

Achsdrehung

Damit sich das UAS um seine Achse drehen kann, muss die Gesamtkraft eines Paares entgegengesetzter Propeller größer sein als die des anderen Paares.

Ein Beispiel: wenn sich wie in der Abbildung illustriert die Propeller 1 und 4 schneller drehen als 2 und 3, dann dreht sich das UAS gegen den Uhrzeigersinn um die eigene Achse. Dies kann erreicht werden, indem man die Kraft auf die Propeller 1 und 4 erhöht oder die auf 2 und 3 verringert. Wenn allerdings nur die Kraft auf die Propeller 1 und 4 erhöht würde, würde das UAS durch den erhöhten Auftrieb ebenfalls steigen. Um dies zu verhindern muss gleichzeitig die Drehzahl der Propeller 2 und 3 verringert werden.

Horizontale Bewegung

Ob sich ein UAS vorwärts, rückwärts oder seitwärts bewegt ist bei einem Flug häufig Ansichtssache, da jede Seite vorne oder hinten sein kann. In der Regel wird dies vom Fernpiloten / von der Fernpilotin aus gesehen. Wenn in der rechten Abbildung die Kraft auf die Propeller 1 und 3 beispielsweise erhöht und die Kraft auf die Propeller 2 und 4 verringert wird, entsteht eine Seitwärtsbewegung nach rechts.

Übungsaufgaben

Nach dem Durcharbeiten eines vollständigen Moduls können Sie ihr Wissen mit Hilfe von Übungsaufgaben testen. Mit einem Klick auf die unten stehende Schaltfläche werden Sie auf die Übungsseite weitergeleitet. Die Übungsaufgaben können ohne Beschränkungen wiederholt werden.

Übungsaufgaben

Zusammenfassung – Shortcut

Zusammenfassung Modul 4 – UAS-Kunde

Weiterlesen & Referenzen

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