Grundlagen der Flugphysik

Die Flugphysik oder Aerodynamik ist Teil der Strömungslehre bzw. Strömungsmechanik und beschreibt das Verhalten von Körpern in der Luft und die physikalischen Kräfte, wie den dynamischen Auftrieb, die es Luftfahrzeugen und Vögeln erlauben, zu fliegen. Der dynamische Auftrieb ist also das physikalische Grundprinzip für das natürliche Fliegen und bildet auch die Grundlage für die Funktion von Tragflächen, Propellern und Rotoren an Flugzeugen und Fluggeräten wie UAV (unmanned aerial vehicles).

In der Strömungsmechanik macht der dynamische Auftrieb den Anteil der auf einen umströmten Körper wirkenden Kraft aus, der senkrecht zur Anströmrichtung steht. Auftrieb entsteht bei Umströmung entsprechend geformter Tragflächen, indem Luft nach unten beschleunigt wird. Der abwärts gerichteten Kraft auf die Luft entspricht als Gegenkraft die aufwärts gerichtete Kraft auf die Tragfläche, der Auftrieb. Auftriebskräfte können auch in Richtung Erdboden wirken und werden dann als Abtrieb bezeichnet.

Bei der Bewegung eines Flugkörpers einer bestimmten Form und Orientierung relativ zur Luft, wie der eines Rotors, wirken auf den Körper Kräfte, die durch die Umströmung hervorgerufen werden. Im Gegensatz zum statischen Auftrieb ist die Richtung des dynamischen Auftriebs nicht durch die Schwerkraft definiert, sondern durch die Richtung der Anströmung. Die resultierende Strömungskraft greift am Druckpunkt an und kann in zwei Komponenten zerlegt werden, in den Widerstand in Anströmrichtung und den Auftrieb senkrecht dazu.

Luftfahrzeuge werden nach ihrem auftriebserzeugenden Prinzip typisiert. Manche Luftfahrzeuge sind leichter als Luft. Darunter fallen Luftschiffe und Ballone. Andere sind wiederum schwerer als Luft. Dazu gehören die Starrflügler, also die klassischen Flugzeuge mit Tragflächen, und die Drehflügler. Zu den Letzteren zählen zum Beisiel die Hubschrauber und die Multirotordrohen. Aber es gibt unter den Drohnenmodellen seit jeher auch Kombinationen aus Multirotordrohnen und Starrflüglern, die sowohl mit Rotoren als auch zugleich mit Tragflächen ausgestattet sind. Das sind quasi die Chimären unter den Multirotordrohnen, mit denen man versucht, die Vorzüge der Starrflügler mit denen der Multirotordrohnen zu verbinden.

Der wichtigste Unterschied des Drehflüglers, also des Multirotorcopters, im Vergleich zum Starrflügler ist der Schwebeflug und die Möglichkeit des vertikalen Starts und der vertikalen Landung. Das sind die eigentlichen Vorteile der Multirotordrohne gegenüber einem Starrflügler. Denn im Gegensatz zum gewöhnlichen Flugzeug mit Tragflächen zählt die Auftriebserzeugung über das Drehflüglerprinzip als vergleichsweise ineffizient. Der Betrieb einer Drohne ist also sehr energieintensiv in Relation zu einem Flächenflugzeug. Die Berechnung und die Optimierung des Energieverbrauchs spielt bei der Neuentwicklung einer Multirotordrohne deshalb eine zentrale Rolle. Denn die Tragfläche eines Drehflüglers ist der Rotor, der seinen eigenen Auftrieb durch die Drehbewegung erzeugen muss, für die eine stetige Energiezufuhr zwingend notwendig ist. Fällt diese Energiezufuhr aus, fällt eine Multirotordrohne wie ein Stein vom Himmel, während ein Starrflügler selbst nach einem Motorausfall durch die Eigenbewegung des freien Falls und die richtige Positionierung seiner Tragflächen zur Luftstömung noch einen natürlichen (Rest-)Auftrieb erhält und eventuell noch Zeit für eine vergleichsweise sichere Landung hat. Diese Option steht einer reinen Multirotordrohne nicht zur Verfügung und das ist auch ihr größter Nachteil.

Für den Auftrieb eines Drehflüglers ist ein sehr großer Luftmassendurchsatz von oben nach unten in Form einer Luftströmungssäule mit dem Durchmesser des Rotors notwendig, die er durch seine energieaufwendige Drehbewegung selbst erzeugt. Der Rotor eines Drehflüglers muss dabei für seinen Auftrieb einen viel größeren Luftmassendurchsatz bewirken als der Propeller eines Starrflüglers für seinen Vortrieb. Je höher die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist, desto größer ist der Auftrieb.

Die Luftströmungssäule ist der Abwind, der unterhalb des schnell rotierenden Rotors einer Multirotordrohne entsteht. Die Strömungsgeschwindigkeit dieses Abwindes entsteht in Abhängigkeit von Radius und Drehzahl des Rotors, wobei die Luft langsamer strömt, je näher sie sich an der Nabe des Rotors befindet. Aufgrund dieser unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten entlang des Rotorblatts, muss dessen Tragflächenprofil so beschaffen sein, dass es die Luftströmung an allen Radiussegmenten optimal für den Auftrieb ausnutzen kann. Das erreicht man zum Beispiel dadurch, dass die meisten Luftschrauben umso dicker und stärker angewinkelt sind umso näher ihre Blattsegmente an der Nabe liegen.

Ein bedeutsamer, die besonderen Flugeigenschaften einer Multirotordrohne betreffender Punkt, der unbedingt zu beachten ist, ist der Sinkflug. Ein zu schneller Sinkflug der Drohne hat ein instabiles Flugverhalten durch die von den Rotoren selbst erzeugten Luftverwirbelungen zur Folge. Um solches instabiles Flugverhalten im Sinkflug zu vermeiden, begrenzt die Software vieler Multirotordrohnen deshalb die Sinkgeschwindigkeit. Außerdem wird empfohlen, den Sinkflug nicht senkrecht sondern schräg in den Wind durchzuführen. Diese Lande- bzw. Sinkflugtechnik ist wichtiger Bestandteil der praktischen Ausbildung zum professionellen Multirotordrohnenpiloten.

Für Drehflügler gibt es bei Betrieb in Bodennähe wegen des vom Rotor verdrängten Luftmassenstrom nach unten eine weitere Besonderheit, der als Bodeneffekt bezeichnet wird. Als Bodeneffekt bezeichnet man ein physikalisches Phänomen, wenn ein luftumströmtes Fluggerät in Bodennähe einen zusätzlichen dynamischen Auf- oder auch Abtrieb erfährt. Während des Bodeneffektes kann der vom Rotor verdrängte Luftmassenstrom nicht mehr so leicht nach unten entweichen, wird zu den Seiten abgelenkt oder staut sich. In der Folge bildet sich eine linsenförmige Luftblase, auf der das Luftfahrzeug schwebt und oft instabil wird, weil am Boden durch die Ablenkung der Luft auch wesentlich größere Verwirbelungen entstehen, als es beim Schwebeflug in viel größerer Höhe der Fall wäre. Die Intensität, in der der Bodeneffekt auftritt, ist sehr abhängig vom Typ und von der Größe des Drehflüglers. Es ist essenziell diesen Effekt bei der Landung oder während eines Tiefflugs in Bodennähe zu berücksichtigen.