Wie schnell fliegt ein Flugzeug?

Schritt 1 von 8 · Erklären

Reiseflug: rund 830 km/h, Mach 0,78

Im Modell fliegt ein A320 mit 64 Tonnen in 11 km Höhe mit 829 km/h. Dort oben hat die Luft −56,5 °C, und in kalter Luft breitet sich Schall langsamer aus: mit 1.062 km/h statt 1.225 km/h in Meereshöhe. Dieselben 829 km/h sind dort also Mach 0,78. Deshalb geben Piloten und Flugpläne die Reisegeschwindigkeit als Machzahl an und nicht in km/h.

Im ruhigen Reiseflug schieben die Triebwerke genau so stark, wie der Luftwiderstand bremst, im Modell mit 40 kN, bei etwa zwei Dritteln Schubhebel. Diese Geschwindigkeit durch die Luft ist es, die Flügel und Triebwerke spüren. Die Zahl auf der Flugkarte in der Kabine ist etwas anderes: die Geschwindigkeit über Grund (siehe unten).

Schritt 2 von 8 · Ausprobieren

Warum Passagierflugzeuge nicht schneller fliegen

Die Triebwerke sind nicht die Grenze. Über der gewölbten Oberseite des Flügels wird die Luft schneller, und nahe Mach 0,8 überschreitet sie stellenweise die Schallgeschwindigkeit. Dort bilden sich Verdichtungsstöße, und der Luftwiderstand steigt steil an. Im Modell in 11 km Höhe bremst die Luft den A320 bei 829 km/h mit 40 kN, bei 900 km/h mit 50 kN und bei 950 km/h mit 73 kN: fast doppelt so viel wie im Reiseflug, für 15 % mehr Tempo.

Schneller zu fliegen kostet also viel Treibstoff und spart wenig Zeit. Um bei 900 km/h die Höhe zu halten, verbraucht das Modellflugzeug 311 kg Treibstoff pro 100 km statt 273 kg, bei 950 km/h sind es 434 kg. Mit Vollschub, dort oben nur etwa 56 kN, hält es über rund 920 km/h seine Höhe nicht mehr. Zugelassen ist der A320 bis Mach 0,82, etwa 870 km/h (Datenblatt der A320-Familie). Fluggesellschaften wählen ein Reisetempo knapp unterhalb des steilen Anstiegs.

Tiefer zu fliegen hilft nicht: Unten ist die Luft dichter, und bei denselben 829 km/h bremst sie in Meereshöhe mit 92 kN, mehr als doppelt so stark wie in 11 km Höhe.

Schritt 3 von 8 · Vorhersagen

Tempo allein reicht nicht zum Abheben

Verbreitet ist die Vorstellung, dass ein Flugzeug ab einem bestimmten Tempo von selbst abhebt und die Nase erst danach zum Steigen hochkommt. Manche denken auch, die Triebwerke drückten das Flugzeug mit Vollschub nach oben. Beides übersieht, was am Flügel passiert.

Auf der Startbahn wird der Flügel eines A320 nur unter etwa 1° angeströmt, alle Räder stehen auf dem Boden. Im Modell liefert er so mit Startklappen und Vollschub bei 280 km/h, dem Tempo, bei dem er normalerweise abhebt, nur 382 kN Auftrieb gegen 628 kN Gewichtskraft, rund 61 %. Bliebe die Nase unten, bräuchte das Flugzeug etwa 370 km/h und mehr als 2 km Startbahn statt rund 1,1 km. Die Triebwerke schieben nach vorn, entlang der Bahn; aus dem Tempo Auftrieb zu machen, ist Sache des Flügels.

Schritt 7 von 8 · Erklären

Rotation: Die Nase hebt sich, das Flugzeug hebt ab

Abheben lässt das Flugzeug erst der Pilot, indem er die Nase anhebt. Piloten nennen das Rotieren, das Tempo, bei dem es beginnt, VR. Das Höhenruder drückt das Heck nach unten und die Nase nach oben, und der Flügel wird steiler angeströmt: Bei 280 km/h bringt jedes Grad etwa 40 kN mehr Auftrieb. Bei rund 8° liefert der Flügel des A320 670 kN, mehr als seine 628 kN Gewichtskraft, und das Flugzeug verlässt die Bahn. Das Modell hebt ab, sobald der Auftrieb 5 % über der Gewichtskraft liegt, also bei etwa 278 km/h.

Dabei gibt es eine Grenze: Über etwa 11° würde das Heck auf der Bahn aufschlagen, ein Tailstrike. Rotiert wird deshalb erst beim richtigen Tempo, nicht zu früh. Nach dem Abheben, mit gehaltenen 8°, pendelt sich das Flugzeug bei rund 270 km/h ein und steigt mit etwa 16 m/s, nach rund 1,1 km Startlauf.

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Gewicht und Klappen bestimmen die Startgeschwindigkeit

Ein schwereres Flugzeug braucht mehr Auftrieb, und beim gleichen Winkel heißt das: mehr Tempo. Im Modell hebt der A320 mit Startklappen und auf 8° rotiert bei 50 t mit 246 km/h ab, bei 64 t mit 278 km/h und bei seinen maximalen 78 t mit 307 km/h. Voll beladen braucht er auch mehr Bahn: etwa 1,8 km statt 0,7 km bei 50 t. Deshalb berechnen Piloten die Startgeschwindigkeiten vor jedem Flug aus dem tatsächlichen Gewicht.

Landeklappen und Vorflügel machen den Flügel stärker gewölbt und größer, sodass er schon bei weniger Tempo genug trägt. Ohne sie liefert dasselbe Flugzeug bei 280 km/h und 8° nur 443 kN Auftrieb; es bräuchte etwa 340 km/h und 1,7 km Startbahn. Mit Startklappen sind es 670 kN. In Landestellung trägt der Flügel noch mehr, 942 kN, aber der Widerstand verdoppelt sich: Hat es sich nach dem Abheben eingependelt, steigt das Flugzeug nur noch mit etwa 10 statt 15 bis 16 m/s. Verkehrsflugzeuge starten deshalb mit einer mittleren Stellung, die vollen Klappen bleiben für die Landung.