Physik des Fliegens · Frage 7 von 7
Was machen die Landeklappen am Flugzeug?
Landeklappen sind Klappen an der Hinterkante der Tragflächen, die bei Start und Landung nach hinten und unten ausfahren. Sie machen den Flügel stärker gewölbt und größer, sodass er schon bei viel geringerer Geschwindigkeit genug Auftrieb liefert: Beim A320 sinkt die Mindestgeschwindigkeit um mehr als ein Viertel. Luftbremsen sind sie aber nicht.
In der 3D-Tour fährst du bei einem A320 die Klappen aus, bremst ihn auf Landegeschwindigkeit ab und siehst, was ohne Klappen passiert.
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Landeklappen sind keine Luftbremsen
Oft liest man, Landeklappen würden beim Anflug die Geschwindigkeit verringern, wie eine Bremse. Das stellt die Sache auf den Kopf. Landeklappen sind dazu da, dass der Flügel auch langsam genug Auftrieb liefert; der zusätzliche Widerstand ist eine Nebenwirkung. Piloten nutzen ihn beim Anflug, aber kein Verkehrsflugzeug fährt seine Klappen nur zum Bremsen aus.
Die eigentlichen Luftbremsen sind die Störklappen (englisch Spoiler): eigene Klappen oben auf dem Flügel, die sich in die Strömung stellen. Im Flug nehmen sie Auftrieb weg und erhöhen den Widerstand, damit das Flugzeug schneller sinkt oder langsamer wird. Nach dem Aufsetzen fahren sie ganz aus und vernichten den restlichen Auftrieb, damit das Gewicht auf den Rädern liegt und die Radbremsen greifen (NASA Glenn Research Center, „Flaps and Slats“).
Auch der Name führt in die Irre. „Landeklappen“ ist das Alltagswort; Fachleute sprechen von Auftriebshilfen, denn die Klappen werden auch beim Start gebraucht. Dazu gehören die Landeklappen an der Hinterkante und die Vorflügel an der Vorderkante des Flügels.
Die Tour, nacherzählt
Schritt für Schritt
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Wo Landeklappen und Vorflügel sitzen
Die Landeklappen liegen an der Hinterkante jeder Tragfläche, zwischen Rumpf und Querruder. Bei einem Verkehrsflugzeug wie dem Airbus A320 fahren sie auf Schienen nach hinten und unten aus. Die Vorflügel sitzen an der Vorderkante und fahren nach vorne unten. Im Reiseflug sind beide eingefahren, der Flügel ist dann „clean“.
Ein Flügel ohne ausgefahrene Klappen ist für schnelles Fliegen gebaut, nicht für die Landung. Im Modell hat ein A320 mit 64 t in 1.000 m Höhe eine Überziehgeschwindigkeit von 282 km/h, das ist die Geschwindigkeit, unter der die Strömung abreißt. Darunter kann der Flügel das Gewicht nicht mehr tragen. Für eine Landung auf einer normalen Bahn muss das Flugzeug deutlich langsamer werden.
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Landeklappen bringen viel mehr Auftrieb
Eine verbreitete Erklärung lautet: Landeklappen sind Luftbremsen und erhöhen nur den Widerstand. Das Modell zeigt, warum das nicht stimmt. Im Modell steht die Zeit bei 300 km/h still. Der Flügel ohne Klappen wird mit 11,9° angeströmt und trägt genau die 628 kN Gewichtskraft. Fährt man jetzt die Klappen ganz aus, ohne Geschwindigkeit oder Winkel zu ändern, springt der Auftrieb auf 1.149 kN, rund 520 kN mehr.
Auch der Luftwiderstand wächst, anteilig sogar stärker: auf mehr als das Dreifache, von 45 auf 156 kN. Entscheidend ist aber der zusätzliche Auftrieb. Weil der Flügel bei gleicher Geschwindigkeit so viel mehr trägt, kann dasselbe Flugzeug mit 203 statt 282 km/h fliegen, bevor die Strömung abreißt. Im echten Flug senkt der Pilot beim Ausfahren die Nase, damit der Auftrieb gleich der Gewichtskraft bleibt; das Flugzeug wird dann langsamer, statt zu steigen.
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Wie Landeklappen den Auftrieb erhöhen: Wölbung und Fläche
Ein Flügel erzeugt Auftrieb, indem er die vorbeiströmende Luft nach unten lenkt. Eine Klappe, die nach unten schwenkt, biegt das hintere Ende des Flügels: Das Profil wird stärker gewölbt, und die Luft verlässt die Hinterkante steiler. Beim gleichen Anstellwinkel lenkt der Flügel mehr Luft nach unten und wird stärker nach oben gedrückt. Im Modell steigt der Auftriebsbeiwert, das Maß dafür, wie viel Auftrieb ein Flügel für seine Größe und Geschwindigkeit liefert, bei 11,9° von 1,33 auf 2,43, wenn die Klappen von eingefahren auf Landung gehen.
Bei Verkehrsflugzeugen fahren die Klappen außerdem erst nach hinten aus, bevor sie nach unten schwenken. Das vergrößert die Flügelfläche, und eine größere Fläche trägt bei gleicher Geschwindigkeit mehr. Der Flügelschnitt in der 3D-Ansicht zeigt nur die stärkere Wölbung, nicht den Spalt und nicht die zusätzliche Fläche der echten Klappe. Die Vorflügel helfen anders: Mit ihnen bleibt die Luft auch bei steilerem Anstellwinkel an der Oberseite anliegen.
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Lesen ist das eine. In der Tour veränderst du es selbst und siehst, was passiert, Schritt für Schritt.
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Landeklappen senken die Überziehgeschwindigkeit
Trägt man den Auftrieb über dem Anstellwinkel auf, erhält man die Auftriebskurve des Flügels. Jede Klappenstellung hebt die ganze Kurve an und auch ihren Gipfel. Im Modell liegt der höchste Auftriebsbeiwert bei 1,5 mit eingefahrenen Klappen und Vorflügeln, bei 2,3 in Startstellung und bei 2,9 in Landestellung, passend zu den Werten aus Lehrbüchern zum Flugzeugentwurf für Verkehrsflugzeuge mit Spaltklappen. Mit den Vorflügeln steigt die Kurve bis etwa 18° statt 14,5°, bevor die Strömung abreißt.
Ein höherer Gipfel bedeutet eine niedrigere Überziehgeschwindigkeit: Der Flügel erreicht den nötigen Auftrieb schon bei geringerem Tempo. Für einen A320 mit 64 t in 1.000 m Höhe ergibt das Modell 282 km/h mit eingefahrenen Klappen, 228 km/h in Startstellung und 203 km/h mit voll ausgefahrenen Klappen, mehr als ein Viertel weniger.
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Langsam genug zum Landen, und was ohne Landeklappen passiert
Verkehrsflugzeuge müssen mit mindestens dem 1,23-Fachen ihrer Überziehgeschwindigkeit in Landekonfiguration anfliegen (FAA, 14 CFR 25.125). Mit vollen Klappen sind das für den A320 im Modell 1,23 × 203 = 250 km/h in 1.000 m Höhe; nahe der Landebahn, in dichterer Luft, etwa 240 km/h, wie auf der Seite „Wie schnell fliegt ein Flugzeug?“. Bei 250 km/h braucht der Flügel nur etwa 6° Anstellwinkel und hat noch Reserve bis zum Strömungsabriss.
Fährt man die Klappen bei diesem Tempo ein, springt die Überziehgeschwindigkeit zurück auf 282 km/h, über die Geschwindigkeit, mit der das Flugzeug fliegt. Die Strömung reißt ab, und das Flugzeug im Modell sinkt mit bis zu 9 m/s. Mit der Startstellung allein würde es noch fliegen. Fallen die Klappen aus, muss ein Flugzeug deshalb viel schneller landen: etwa 350 statt 250 km/h in 1.000 m Höhe, nahe der Landebahn etwa 330 statt 240 km/h. Die Bewegungsenergie wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, die Bremsen müssen auf der Bahn also fast doppelt so viel Energie abbauen. Landungen ohne Landeklappen kommen vor; die Besatzung wählt dann eine lange Bahn.
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Wozu der Widerstand trotzdem gut ist
Der Widerstand der Landeklappen ist nicht verschenkt. Mit vollen Klappen bei 250 km/h und dem Schubhebel auf 25 % hält der A320 im Modell seine Geschwindigkeit und sinkt mit etwa 3,5 m/s, ein flacher Sinkflug von etwa 3°. Die 77 kN Widerstand der Klappen erlauben es, so langsam herunterzukommen, während die Triebwerke noch mit nennenswerter Leistung laufen.
Ein Flügel ohne Klappen hat kaum Widerstand übrig. Für denselben 3°-Pfad bei 350 km/h braucht er den Schubhebel auf etwa 4 %, fast Leerlauf, und kann deshalb nicht gleichzeitig sinken und langsamer werden. So nutzen Piloten den Widerstand der Klappen beim Anflug. Er kommt aber immer zusammen mit dem zusätzlichen Auftrieb; wollen sie nur Tempo oder Höhe abbauen, nehmen sie die Störklappen.
Wie landet ein Flugzeug? Die Klappen vom Anflug bis zum Aufsetzen
Die Klappen fahren nicht auf einmal aus. Während das Flugzeug auf dem Weg zum Flughafen langsamer wird, fährt die Besatzung Vorflügel und Landeklappen in Stufen aus, jede erst unterhalb der Geschwindigkeit, die für diese Stellung erlaubt ist; bei höherem Tempo würde die Luft die Klappen zu stark belasten. Dann kommt das Fahrwerk heraus, die Klappen gehen in die Landestellung, und das Flugzeug fliegt einen stabilisierten Anflug: gleichmäßiges Tempo, gleichmäßiges Sinken, genau auf die Bahn ausgerichtet (FAA Airplane Flying Handbook, Kapitel zu Anflug und Landung).
Kurz über der Bahn hebt der Pilot die Nase leicht an, das Abfangen, damit das Sinken nachlässt und zuerst das Hauptfahrwerk aufsetzt. Danach fahren die Störklappen aus und vernichten den Auftrieb, die Radbremsen greifen, und die Schubumkehr bremst zusätzlich. Wie schnell ein A320 dabei ist, rund 240 km/h, steht auf der Seite „Wie schnell fliegt ein Flugzeug?“.
Start oder Landung: Warum die Klappen unterschiedlich weit ausfahren
Landeklappen sind nicht nur für die Landung da. Zum Start stellt die Besatzung eine mittlere Stufe ein: Der Flügel trägt dann schon bei geringerem Tempo, und das Flugzeug hebt früher ab. Die volle Landestellung brächte noch mehr Auftrieb, aber ihr Widerstand würde den Steigflug nach dem Abheben bremsen.
Das liegt daran, wie der Klappenweg wirkt: Die erste Hälfte bringt vor allem Auftrieb bei wenig Widerstand, die zweite wenig zusätzlichen Auftrieb, aber viel Widerstand (Wikipedia, „Auftriebshilfe“). Beim Start, wenn jeder Schub in den Steigflug gehen soll, nutzt man nur den ersten Teil. Bei der Landung, wenn ein langsames Tempo und ein gleichmäßiges Sinken gefragt sind, den ganzen Weg. Die Zahlen zum Start des A320 stehen auf „Wie schnell fliegt ein Flugzeug?“.
Bauarten: Wölbklappe, Spreizklappe, Spaltklappe, Fowlerklappe
Die einfachste Bauart ist die Wölbklappe: Der hintere Teil des Flügels klappt nach unten. Bei der Spreizklappe klappt nur die Unterseite herunter, die Oberseite bleibt, wo sie ist. Die Spaltklappe lässt einen Spalt zum Flügel frei; durch ihn strömt schnelle Luft von unten über die Oberseite der Klappe und verhindert, dass die Strömung dort abreißt. Die Fowlerklappe fährt erst auf Schienen nach hinten und dann nach unten, sie vergrößert also Fläche und Wölbung und hat meist einen oder mehrere Spalte (Wikipedia, „Auftriebshilfe“).
Verkehrsflugzeuge nutzen Fowlerklappen, weil sie den meisten Auftrieb bringen; der A320 hat einspaltige Fowlerklappen. An der Vorderkante haben die meisten Verkehrsflugzeuge Vorflügel, die einen Spalt vor dem Flügel öffnen. Manche, etwa die Boeing 747, haben zusätzlich Krügerklappen, die von der Unterseite der Flügelnase nach vorne ausklappen. Kleine Flugzeuge wie die Cessna 172 kommen mit einfachen Spaltklappen aus.
FAQ
Häufige Fragen
- Was ist der Unterschied zwischen Landeklappen und Störklappen?
- Landeklappen sitzen an der Hinterkante und lassen den Flügel bei geringer Geschwindigkeit mehr Auftrieb liefern, mit etwas mehr Widerstand. Störklappen sind Klappen oben auf dem Flügel, die sich aufstellen und das Gegenteil bewirken: Sie nehmen Auftrieb weg und bremsen. Im Flug lassen sie das Flugzeug langsamer werden oder steiler sinken, nach dem Aufsetzen drücken sie es auf die Räder.
- Warum fährt man die Landeklappen auch beim Start aus?
- Mit Klappen in Startstellung trägt der Flügel schon bei geringerem Tempo, das Flugzeug hebt früher ab und braucht weniger Startbahn. Man nimmt nur eine mittlere Stufe, weil die volle Landestellung so viel Widerstand brächte, dass das Flugzeug nur langsam steigen würde. Wie das beim A320 aussieht, zeigt die Seite „Wie schnell fliegt ein Flugzeug?“.
- Fahren Landeklappen nach oben oder nach unten?
- Nach hinten und nach unten. Dadurch wird der Flügel größer und stärker gewölbt. Nach oben stellen sich nur die Störklappen auf der Oberseite des Flügels, und die bremsen, statt Auftrieb zu bringen.
- Kann ein Flugzeug ohne Landeklappen landen?
- Ja, aber deutlich schneller. Ohne Klappen ist die Überziehgeschwindigkeit höher, also auch die Anfluggeschwindigkeit: für einen typischen A320 im Modell nahe der Bahn etwa 330 statt 240 km/h. Die Bremsen müssen dann fast doppelt so viel Energie abbauen, deshalb wählt die Besatzung für eine Landung ohne Klappen eine lange Bahn.
- Was passiert, wenn beim Start die Klappen nicht ausgefahren sind?
- Dann trägt der Flügel bei der normalen Abhebegeschwindigkeit zu wenig, und das Flugzeug kann nach dem Abheben überziehen. Deshalb warnt das Cockpit, wenn die Klappen beim Startlauf nicht gesetzt sind. Beim Unglück von Spanair-Flug 5022 in Madrid im August 2008 waren Klappen und Vorflügel nicht ausgefahren und die Warnung funktionierte nicht; die MD-82 stürzte kurz nach dem Abheben ab.
- Was sind Vorflügel?
- Vorflügel sind Klappen an der Vorderkante des Flügels, die nach vorne unten ausfahren. Durch den Spalt dahinter bleibt die Luft auch bei steilerem Anstellwinkel an der Oberseite anliegen, sodass die Strömung später abreißt. Sie fahren zusammen mit den Landeklappen aus, beim Start und bei der Landung.
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