Airspeed

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Inhalt

  • IAS: Indicated Air Speed (angezeigte Eigengeschwindigkeit)
  • CAS: Calibrated Air Speed (berichtigte Eigengeschwindigkeit)
  • TAS: True Air Spped (wahre Eigengeschwindigkeit)
  • Mach Zahl
  • GS: Ground Speed (Geschwindigkeit über Grund)
  • FL: Flightlevel (Flugfläche)
  • Angels

Spoiler

Was man im Cockpit abliest ist die IAS.
Diese IAS korrigiert man um Instrument und Position Error und man erhält die CAS.
Dann berechnet man immer erst den Density Error und erhält die TAS.
Ist diese TAS höher als 300 Knoten, dann berechnet man noch die Abweichung durch den Compressibility Error und erhält seine neue TAS.
Will man aus unerfindlichen Gründen die EAS, dann nimmt man die CAS und korrigiert diese nur um den Compressibility Error.
Alles klar? Die Erklärung folgt hier. :-)

Pitot civil aircraft.jpg

Geschwindigkeitsmessung und Staudruck

Geschwindigkeitsmessung in Flugzeugen funktioniert durch Druckmessung. Wenn man mit der flachen Hand schnell durch die Luft streicht, dann "spürt" man den Wind. Auch das ist nichts anderes wie der Druck, der sich eurer flachen Hand entgegen stellt.
Der Pfeil im Bild auf der rechten Seite zeigt die Luftströmung an. Die Luft tritt über ein kleines Loch an der Vorderseite des Pitotrohrs ein und wirkt auf einen Druckmesser. Es handelt sich um den Staudruck oder Gesamtdruck. Dieser beinhaltet immer auch den umgebenden Luftdruck (statischen Druck).
Um die Höhe des Flugzeugs zu messen, wird ebenfalls der Luftdruck verwendet. Im Prinzip reicht es, wenn wir irgendwo am Flugzeug ein Loch bohren und darin den Luftdruck messen. Solange wir uns nicht bewegen ist diese Messung sehr genau. Es handelt sich um den Statischen Druck
Der dynamischen Druck kann leider nicht direkt gemessen werden. Aber wir können ihn mit den vorliegenden Werten errechnen: Dynamischer Druck = Staudruck - statischer Druck

Druckmessung oxfordatpl.jpg

Druck zu Geschwindigkeit. Die IAS

Der Differenzdruck zwischen Statischen und Dynamischen Druck wird im Cockpit am ASI (Airspeed Indicator) angezeigt. Die Skala des ASI wurde so gestaltet, das der am Pitotrohr gemessene Druck der auf der Skala abzulesenden Geschwindigkeit entspricht. Merke: Gemessen und angezeigt wird der Druck. Je höher der Differenzdruck der am ASI ankommt, desto weiter schlägt die Nadel nach rechts aus. Die Beschriftung der Skala wurde aber so gestaltet, das man direkt die Geschwindigkeit ablesen kann. Diese Geschwindigkeit nennt man IAS (Indicated Air Speed). Sie ist ungenau und Fehlerbehaftet.

Druckmessung Membrandose.jpg

IAS: Die direkt vom Piloten am ASI abgelesene Geschwindigkeit, vor jeglicher Korrektur oder Kompensation.

Fehler bei der Messung. Die CAS

Ihr könnt euch vorstellen dass die Messung im Staurohr, die Weiterleitung zur Messelektronik und die Anzeige des Drucks am ASI Fehler beinhaltet. Mit der CAS (Calibrated Air Speed) werden diese Fehler korrigiert. Die CAS kann über Tabellen oder Diagramme abgelesen werden. Oft findet sich auch ein kleines Schild in der Nähe des ASI.
Die in die CAS eingerechneten Fehler nennt man Instrument Error (Instrumentenfehler) und Position Error (Installationsfehler, früher auch "pressure" Error).

  • Instrument Error: Abweichungen durch zB Konstruktion des Messsystems.
  • Position Error: Hauptsächlich durch Abweichungen in der statischen Druckmessung: Turbulenzen bei hoher Geschwindigkeit, Exposition der statischen Druckmessung durch ungünstige Anströmung (AOA Änderungen),... Position Error ist der Grund, warum Jets welche nahe oder über Mach 1.0 fliegen spezielle High Speed Pitot Probes haben.
Pitotrohr einer F16

CAS: Die um Instrument und Position Error korrigierte IAS.

Was ist wichtiger: Druck oder Geschwindigkeit?

Alle Limits (Strömungsabriss, "Stress" am Flugzeug generell oder zB den Klappen,...) hängen ausschließlich vom Dynamischen Druck (NICHT der Geschwindigkeit ab). Das wird logisch wenn man sich vorstellt, dass der Druck mit der Höhe abnimmt. "Oben" brauche ich also deutlich mehr Geschwindigkeit, um den gleichen Druck an den Tragflächen zu bekommen. Zum Beispiel um einen Stömungsabriss zu vermeiden.

True Air Speed

Nun wissen wir, dass unsere geflogene Geschwindigkeit eigentlich den gemessenen Drücken (genauer: eine Funktion aus dem dynamischen minus dem statischen Druck) entspricht und die Anzeige wenig damit zu tun hat, wie schnell wir uns tatsächlich durch die Luft bewegen. Für Navigationszwecke ist es natürlich sehr wichtig, die TAS - True Air Speed (wahre Eigengeschwindigkeit) zu wissen. Um diese zu erhalten müssen weitere Korrekturen durchgeführt werden.

Alle AIS die in Flugzeugen verbaut sind, wurden auf die ICAO Standardatmosphäre in Meereshöhe (MSL/NN) geeicht. Diese entspricht:

  • Luftdruck: 29.92 inHg (inches of Mercury) bzw 1013,25 hPa (Hektopascal)
  • Temperatur: 15 °C
  • Luftdichte: 1,225 kg/m3

Damit ist gewährleistet, dass jedes Flugzeug, dass in diesen Bedingungen fliegt, die selbe Geschwindigkeit auf der AIS Skala anzeigt. Fliegt ein Flugzeug genau in diesen Kalibrierungswerten, dann ist die CAS gleich der TAS. Für alle anderen Bedingungen müssen wir weitere Dinge korrigieren.

Density Error (Dichtefehler)

Wie wir festgestellt haben, nimmt der Luftdruck nach oben hin ab. Der dynamische Druck nimmt ebenfalls proportional zur Dichte nach oben hin ab. Damit zeigt ein Flugzeug, dass mit der gleichen TAS fliegt, in 1.000ft Höhe deutlich mehr am ASI an, als in 30.000ft, da oben weniger Druck auf das Staurohr (bei gleicher Geschwindigkeit) einwirkt. Diesen Unterschied nennt man Density Error.
Als Faustformel gilt: Je 1000ft zeigt der Fahrtmesser etwa 2% weniger an. Genaue Berechnungen werden heute vom Bordcomputer erledigt. Es gibt auch Rechenschieber, mit welchen man diese Beerechnung schnell durchführen kann. In diesem Youtube Video wird dies anschaulich erklärt.
Der Werte "Dichte" kann leider an keinem Instrument direkt abgelesen werden und auch die Temperatur spielt bei der Dichte eine wesentliche Rolle.

Ein kurzes Beispiel:
CAS = 100 kt
Höhe = 20.000ft
SAT = -25°C (SAT wird auch COAT - Corrected Outside Air Temperature genannt. Durch die Kompression der Luft im Staurohr erhitzt sich die Luft. Dies muss ab 200 kt berücksichtigt werden).
==> TAS = 126 kt

Kurzer Ausflug zu den Temperaturen: Die IAT (Indicated Air Temperature) oder TAT (Total Air Temperature) ist jene Temperatur, die am Flugzeug gemessen wird. Diese beinhaltet auch Wärme, welche durch Kompression und Reibung erzeugt wird. Diese Fehler wurden bei der SAT (Static Air Temperature) - oft auch COAT (Corrected Outside Air Temperature) genannt - herausgerechnet. Temperatur spielt eine Rolle bei vielen Berechnungen im Flugzeug (Geschwindigkeitsberechnung, Triebwerke ..).

Compressibility Error

Ab einer TAS von 300 Knoten muss die Kompression der Luft im Staurohr einberechnet werden, da das Pitotrohr auf die Standarddichte von 1,225 kg/m3 geeicht ist. Dies hat nichts mit der oben genannten Korrektur der Temperatur (SAT / COAT) ab 200kt zu tun.
Die Berechnung dieser Korrektur erfolgt wiederum durch den Bordcomputer oder Rechenschieber.

Ein kurzes Beispiel:
Flugfläche = 350 (dazu unten bei Angels / Flightlevel mehr)
COAT = -47°C
CAS = 280 Knoten
Erste Berechnung ist die Bestimmung der TAS aus der CAS: Die tatsächliche TAS liegt bei 500 Knoten, also deutlich über den 300 kt. Wir müssen den Compressibility Error einbeziehen.
Ich erspare euch die Details am Rechenschieber. Die korrigierte TAS ist 480 Knoten.

Ground Speed

Die Geschwindigkeit über Grund dient zum Abbilden in der Flugplanung. Sie hat keinerlei Aussagekraft auf die Flugdynamik.
Fliegt ein Flugzeug in 1000 ft mit 100 Knoten ohne Wind, so ist die Groundspeed 100 Knoten.
Hat derselbe Flieger 30 Knoten Gegenwind, dann fliegt er 70 Knoten über Grund.
Hat derselbe Flieger 30 Knoten Rückenwind, dann fliegt er 130 Knoten über Grund. North Atlantik Jetstreams sind dein Freund!

Mach Zahl

Die Machzahl ist eine Dimensionslose Zahl, welche das Verhältnis der TAS zur Schallgeschwindigkeit angibt. MACH 1.0 bedeutet, die TAS ist gleich der Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur, der Höhe .. ab.
Mach 1.0 in 30.000 ft bei -44,4 °C und 301 hPa entspricht einer TAS von 589 Knoten (1090,83 km/h)
Mach 1.0 in 10.000 ft bei -4,8 °C und 697 hPa entspricht einer TAS von 638 Knoten (1181,58 km/h)

War das alles?

Nein, es gibt da noch die EAS. Sie ist die nur um den Compressibility Error korrigierte CAS und korreliert am besten mit dem dynamischen Druck. Sie wird kaum verwendet (sehr hoch gelegene Landebahnen, Berechnungen für Flughandbücher, Testpiloten ...).
Wie immer gibt es noch ein paar anderer Gemeinheiten, aber das reicht jetzt wirklich.

Angels und Flugfläche

Flightlevel / Flugfläche

Flugfläche wird in der normalen Luftfahrt verwendet. Stellt euch vor Pilot A startet in den USA, er stellt seinen Höhenmesser auf 973 hPa (ZB Tiefdruckgebiet) ein. Pilot B startet in München er stellt seinen Höhenmesser auf 1023 hPa (zb Hochdruckgebiet) ein. Der Unterschied beträgt also 50 hPa. 1 hPa Differenz entspricht auf Meereshöhe etwa acht Meter Höhendifferenz = 400 Meter. Nun fliegt Pilot A und Pilot B in der selben Region. Der ATC ist um Seperation bemüht und fordert von beiden Flugzeugen per Funk die Höhe an. Pilot A meldet 1600, Pilot B 2000 - und Bumms. Ganz so schlimm ist es natürlich nicht, aber es zeigt das Problem auf.
Als Pilot stellt man deshalb im Steigflug, oberhalb der Transition Altitude (diese wird zB im ATIS verkündet, in den USA fix festgelegt auf 18.000ft), seinen Höhenmesser auf 1013 ein. Das macht jeder so. Habe ich 1013 eingestellt sage ich nicht mehr "ALTITUDE 15.000 Feet", sondern "FLIGHTLEVEL 150". Flightlevel ist Dimensionslos und besteht immer aus drei Stellen. Flugfläche 090 wird also in Flightlevel - zero - niner - zero übermittelt.
Damit ist klar: Ich fliege mit Altimeter Setting auf Standarddruckhöhe 1013. Wenn nun zwei Flugzeuge in einer Region Flightlevel 150 fliegen, dann sind diese auf exakt der selben Höhe. Das ist so genau, dass sie Nase an Nase ineinanderkrachen würden, wenn sie aufeinander zu fliegen. Das passiert nicht weil da gibt es die Even/Odd Regel, aber jetzt reichts hier auch.

Angels

F15A Airdatacomputer.jpg

Auch hier haben wir das gleiche Problem wie oben Pilot A und B - nur aus Militärischer Sicht. Die Einführung eines Transition Layers wie in der normalen Luftfahrt würde keinen Sinn machen. Als Radar Operator dreht man da ja durch ... Fliegt der nun nach FL oder Altitude?.
Auch das Einstellen nach QFE würde keinen Sinn ergeben. Bei QFE stellt man den Höhenmesser so ein, das er am Boden Null anzeigt. Pilot A startet auf einem Platz der 50ft AMSL liegt, Pilot B startet von einem Platz der auf 4500 ft AMSL liegt. Beide Höhenmesser zeigen 0 an, der Unterschied wäre 4500 ft.
Deswegen stellt jeder den Höhenmesser so ein, das er die Platzhöhe über dem mittleren Meeresspiegel (MSL) anzeigt (= QNH). Diese Einstellung wird militärisch durch den Begriff "ANGELS" reported und entspricht immer einer Altitude in Tausend Fuß. ANGELS 13 = 13.000 Fuß. Eine führende Null wie bei Flightlevel kommt nicht zum Einsatz. Die Höhe, angegeben in Angels meint IMMER einen Freund. Feindflieger werden nie in Angels angegeben. Angels hat nichts mit AGL zu tun. Es bezieht sich auch nicht auf eine Standarddruckhöhe, sondern auf den mittleren Meeresspiegel AMSL (above Mean Sea Level).

Flight Data Computer, Flight Management Computer, Air Data Computer

Heute funktionieren diese Berechnungen natürlich automatisch. Rechts im Bild ein Auszug aus dem F15 Flughandbuch.

Abkürzungen

  • AIS: Airspeed Indicator (Fahrtmesser)
  • CAS: Calibrated Air Speed (berichtigte Eigengeschwindigkeit)
  • EAS: Equivalent Air Speed (äquivalente Eigengeschwindigkeit)
  • GS: Ground Speed (Geschwindigkeit über Grund)
  • IAS: Indicated Air Speed (angezeigte Eigengeschwindigkeit)
  • IAT: Indicated Air Temperature (angezeigte Temperatur)
  • COAT: Corrected Outside Air Temperature (korrigierte Außentemperatur)
  • TAS: True Air Spped (wahre Eigengeschwindigkeit)
  • TAT: Total Air Temperature = IAT
  • SAT: Static Air Temperature = COAT