Wie Piloten die Motorleistung beim Abheben einstellen

Wenn Sie mindestens einmal mit einem Flugzeug geflogen sind, müssen Sie während des Startvorgangs einen plötzlichen Anstieg der Motorleistung bemerkt haben. Wenn man dem Motor genau zuhört, ist ein lautes Dröhnen zu hören, wenn der Pilot den Motorschub einstellt.

Für Vielflieger mag es jedoch wie ein einfacher Routinevorgang erscheinen. Allerdings ist das Einstellen des richtigen Startschubs und das Durchhalten ein präziser Prozess. Eine falsche Einstellung des Startschubs kann dazu führen, dass das Flugzeug von der Landebahn abkommt und einen schweren Unfall verursacht.

Piloten müssen die Motorleistung stufenweise einstellen und die effizienteste Motordrehzahl erreichen. In diesem Artikel werden die Gründe für das festgelegte Verfahren und die Auswirkungen auf die Motorleistung untersucht.

Das schuberzeugende Verhalten von Strahltriebwerken

Typische Drehzahlen eines Turbofan-Triebwerks	Motorgeschwindigkeiten mit zwei Spulen	Dreispulenmotoren
N1-Welle	2.200 – 4.500 U/min	2.200 – 4.500 U/min
N2-Schaft	10.000 – 15.000 U/min	6.000 – 8.000 U/min
N3-Schaft	N / A	10.000 – 15.000 U/min

Strahltriebwerke haben konstruktionsbedingt eine optimale Triebwerksdrehzahl (Umdrehungen pro Minute), bei der sie am effizientesten arbeiten. Da Triebwerke die meiste Zeit im Flug verbringen, sind sie darauf ausgelegt, in sehr großen Höhen, in denen die Drehzahl recht hoch ist, Spitzenleistungen zu erbringen.

Der Motor wird immer weniger effizient, wenn die Drehzahl unter dem optimalen Wert liegt. Da Düsentriebwerke bei niedrigen Drehzahlen die Luft durch das Triebwerk beschleunigen und komprimieren, wird die durch den Einlass angesaugte Luft nicht so stark komprimiert wie bei höheren Drehzahlen.

Rolls-Royce gibt an, dass sein Trent 1000-Triebwerk, das den Boeing 787 Dreamliner antreibt, auf die spezifische Drehzahl optimiert ist, um maximale Leistung zu bieten. EntsprechendRolls-Royce,

„Der Trent 1000 wurde für den Boeing 787 Dreamliner entwickelt und optimiert und bietet einen bis zu 3 % besseren Treibstoffverbrauch als sein Konkurrent, ist aber immer noch der leiseste Motor des Flugzeugs – der Trent 1000 hat die Dynamik auf dem Markt.“

„Die HP-Turbine besteht aus 66 Rotorblättern, die mit 12.000 U/min rotieren und über 50.000 PS erzeugen – das entspricht der Leistung von 68 Formel-1-Autos.“

Phänomene der Luftkompression

Motorleerlauf bis Startschub:

• Eine bestimmte Zeit, die das Triebwerk benötigt, um aus dem Leerlauf heraus den Startschub zu erreichen
• Beschleunigungsprofile können zwischen mehreren Triebwerken desselben Flugzeugs unterschiedlich sein
• Der Leerlaufschub (Ausgangspunkt) kann auch zwischen zwei Triebwerken desselben Flugzeugs unterschiedlich sein
• Eine Schubasymmetrie wird typischerweise während der Stabilisierungsphase beobachtet
• Nach dem Stabilisierungsschritt nimmt der Schub symmetrisch zu
• Der Startschub stimmt bei mehreren Triebwerken desselben Flugzeugs weitgehend überein

Wenn Sie sich einen Luftblock vorstellen, der in den Motor gelangt, wird der Block bei geringerer Kompression weniger komprimiert und verlässt schließlich den Kompressor mit einem höheren Volumen. Das hohe Luftvolumen verstopft dann praktisch die Rückseite des Kompressors und verhindert so einen reibungslosen Luftstrom im Inneren der Motoren. Dies führt zu einem Phänomen, das als Kompressorstillstand bezeichnet wird.

Foto:Rulexip | Wikimedia Commons.

Strahltriebwerke sind mit Kompressorentlüftungen ausgestattet, um ein Abwürgen des Triebwerks zu verhindern. Bei den Kompressorentlüftungen handelt es sich um Ventile im Kompressorabschnitt des Triebwerks, die sich öffnen, wenn das Triebwerk mit niedriger Drehzahl läuft oder wenn der Pilot eine plötzliche Triebwerksbeschleunigung verlangt. Durch die geöffneten Ventile kann die angesammelte Luft entweichen und der Druck an der Rückseite des Kompressors sinken.

Bild: Oxford ATPL

Der Nachteil besteht darin, dass es zu einer Verringerung des Triebwerksschubs kommen kann. Wenn ein Pilot also die Schubhebel aus der Leerlaufposition nach vorne bewegt, kann es einige Zeit dauern, bis sich die Drehzahl entwickelt. Wenn der Motor beschleunigt, wird er effizienter, und durch die Entlüftungsöffnungen wird immer weniger Luftstrom weggenommen, sodass er schneller beschleunigt.

Foto: Airbus.

Diese Verringerung des Schubs zu Beginn des Starts ist in der folgenden Grafik zu sehen. Es wird der Schub gegen die Zeit aufgetragen. Wenn die Schubhebel bewegt werden, bleibt der Triebwerksschub für einige Momente nahezu konstant. Dies wird dadurch verursacht, dass sich die Entlüftungsöffnungen des Kompressors öffnen.

Die Motorstabilisierung

Die Triebwerksstabilisierung ist einer der wichtigsten Schritte bei der Startleistung oder der Schubeinstellung. Wie bereits erwähnt, brauchen Strahltriebwerke in der Regel einige Zeit, um ihren Schub zu entwickeln, wenn die Schubhebel aus der Leerlaufposition bewegt werden. Zusammen mit diesem Faktor kann es beim gleichzeitigen Betrieb von zwei oder mehr Triebwerken, wie etwa beim Einstellen des Startschubs in einem mehrmotorigen Flugzeug, zu einem Unterschied in der Beschleunigungsrate jedes einzelnen Triebwerks kommen.

Dieser Beschleunigungsunterschied ist häufig auf den Verschleiß und die Alterung der Motoren zurückzuführen. In einem Flugzeug kann es sein, dass ein Triebwerk relativ neu ist und das andere bald ersetzt werden muss. Dies kann dazu führen, dass ein Motor im Vergleich zum anderen ein unterschiedliches Beschleunigungsverhalten aufweist.

Photo: Markus Mainka | Shutterstock

Wenn zwei Triebwerke unterschiedlich schnell beschleunigen, kann es zu einer Schubasymmetrie kommen, die bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr gefährlich sein kann, da Kontrollschwierigkeiten dazu führen können, dass das Flugzeug von der Landebahn abkommt.

Foto: Airbus.

Um eine solche Schubasymmetrie zu vermeiden, müssen die Piloten die Triebwerke zunächst auf eine mittlere Schubeinstellung bringen. Sobald sich die Triebwerke in dieser Einstellung stabilisiert haben, sollte der volle Schub ausgeübt werden. Der einzustellende Zwischenschub ist von Flugzeug zu Flugzeug unterschiedlich und kann dem Flughandbuch entnommen werden. Beispielsweise müssen die CFM 56-Triebwerke zunächst auf 50 % eingestellt und auf 50 % stabilisiert werden, bevor der volle Schub für den Start zur Verfügung steht. Es handelt sich also um einen zweistufigen Prozess.

Foto: Airbus.

Der statische Start

Der statische Start, manchmal auch Standstart genannt, wird hauptsächlich bei Operationen auf kurzen Landebahnen eingesetzt. Die Idee besteht darin, den Triebwerksschub ohne (statische) Flugzeugbewegung einzustellen. Dies spart Platz auf der Landebahn, da sich das Flugzeug nicht bewegt, bevor die Triebwerke eingeschaltet sind. Es verhindert, dass die Landebahn weggefressen wird, wenn die Triebwerke vom Leerlauf auf die hohe Schubeinstellung umschalten.

Das Verfahren für statische Starts ist von Flugzeug zu Flugzeug unterschiedlich. Normalerweise muss der Pilot beim Einstellen der Leistung auf die Bremse treten. Sobald die gewünschte Leistung eingestellt ist, werden die Bremsen gelöst und das Flugzeug kann rollen.

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Foto: Airbus.

Wie viel Leistung oder Schub für einen statischen Start eingestellt wird, bevor die Bremsen gelöst werden, hängt wiederum vom jeweiligen Flugzeug ab. Bei einigen Turboprops, wie den Dash 8 Q200/Q300, die ich früher geflogen bin, kann die volle Startleistung bei angezogener Bremse problemlos eingestellt werden. Bei vielen Jetlinern ist der Startschub jedoch so hoch, dass die Radbremsen das Flugzeug bei vollem Schub möglicherweise nicht in Position halten können.

Aus diesem Grund erfordert der statische Startvorgang bei den meisten Düsenflugzeugen das Betätigen der Bremsen und das Halten des Flugzeugs bis zur Stabilisierung des Triebwerks. Sobald die Triebwerke stabil auf die Stabilisierungsschubeinstellung eingestellt sind, müssen die Bremsen gelöst und die Drosselklappen in die volle Startposition gebracht werden.

Um beispielsweise im Airbus A320 mit CFM 56-Triebwerken einen statischen Start durchzuführen, muss der Pilot auf die Bremse treten und die Schubhebel betätigen, bis er oder sie an beiden Triebwerken 50 % N1 (Lüfterdrehzahl) sieht. Zu diesem Zeitpunkt müssen die Bremsen gelöst werden, bevor der volle Startschub eingestellt wird.

Foto:Widerøe über Wikimedia Commons

Der rollende Start

Beim Rollstart wird der Schub bei gelöster Bremse eingestellt. Das Flugzeug ist also in Bewegung, wenn der Pilot die Schubhebel aus der Leerlaufposition bewegt.

Piloten müssen den Stabilisierungsschritt des Motors auch bei einem rollenden Start respektieren. Während dieses Schritts müssen die Piloten die Rudereingaben nutzen, um unerwünschtem Gieren, das die Motoren erzeugen, entgegenzuwirken. Die meisten Piloten bevorzugen rollende Starts, da diese für die Passagiere komfortabler und zeitsparender sind.

Foto: Vincenzo Pace | Einfaches Fliegen

Wie sich das Schubeinstellungsverfahren mit den vorherrschenden Winden ändert

Unterschiede in den Umgebungsbedingungen:

• Normaler Luftstrom in den Motor: beim Start meist Gegenwind
• Veränderter Luftstrom in den Motor: Seitenwind von beiden Seiten beim Start
• Veränderter Luftstrom in den Motor: Rückenwind drückt den Motor nach vorne und begrenzt gleichzeitig den normalen Luftstrom

Starke Seiten- und Rückenwinde können den Luftstrom durch die Triebwerke stören. Da ein falscher Luftstrom zum Abwürgen des Kompressors führen kann, sind einige zusätzliche Maßnahmen erforderlich.

Bild: Airbus

Bei Seiten- und Rückenwind geht es darum, den Luftstrom, der in die Triebwerke gelangt, zu glätten. Daher muss der Schub sanft eingestellt werden. Der erste Schritt besteht nach wie vor darin, die Motoren zu stabilisieren. Sobald die Stabilität erreicht ist, müssen die Schubhebel nach vorne gedrückt werden, bis sie unter dem vollen Schub liegen. Sobald alle Triebwerke diese Einstellung erreichen, kann der volle Schub eingestellt werden. Dadurch kann das Flugzeug etwas Vorwärtsdynamik gewinnen, was dazu beiträgt, die Luft gleichmäßig in die Einlässe des Triebwerks zu leiten.

EntsprechendGE Aerospace,

„Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe und 3D-Aerodynamikdesign haben es GE Aerospace ermöglicht, das Design der Lüfterblätter zu verbessern und die Anzahl der Lüfterblätter an der Vorderseite von Turbofan-Triebwerken zu reduzieren. Diese Fortschritte und größeren Lüfterdurchmesser ermöglichen es dem Lüfter, mehr Luft anzusaugen, wodurch das Bypassverhältnis und der Luftdruck im gesamten Triebwerk, auch im Triebwerkskern, erhöht werden. Mehr Luftstrom und höhere Betriebsdrücke tragen dazu bei, den Rotor mit weniger Energie anzutreiben und so die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.“

Bei den meisten Flugzeugen erfordert die Leistung, dass der volle Schub eingestellt wird, bevor das Flugzeug eine bestimmte Fluggeschwindigkeit erreicht. Dies liegt daran, dass das Flugzeug möglicherweise nicht in der Lage ist, die Anforderungen an die Startleistung zu erfüllen, wenn sich der Pilot zu viel Zeit für die Einstellung des Startschubs nimmt.

Hier ist wiederum ein Beispiel des Airbus A320 mit CFM56-Triebwerken. Airbus empfiehlt dieses Verfahren bei Seitenwinden von mehr als 20 Knoten oder bei Rückenwind. Zur Durchführung des Verfahrens muss der Pilot die Triebwerke auf 50 % N1 stabilisieren. Dann sollte der Pilot die Hebel schrittweise auf 70 % N1 drücken, und wenn die Triebwerke 70 % erreichen, sollten die Schubhebel auf den vollen Startschub gestellt werden.