Was sind Flaps und wie funktionieren sie?

Flaps sind Hochauftriebsvorrichtungen, die an der Hinterkante (und manchmal auch an der Vorderkante) eines Flugzeugflügels montiert sind. Im Einsatz vergrößern sie die Wölbung (Krümmung) und Oberfläche des Flügels, wodurch bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit mehr Auftrieb entsteht. Dadurch kann das Flugzeug beim Start und bei der Landung mit niedrigeren Geschwindigkeiten fliegen, ohne zu stehen zu bleiben.

Moderne Starrflügelflugzeuge verwenden verschiedene Arten von Klappen, die jeweils spezifische aerodynamische Effekte haben:

  • Plain flaps – Einfache, aufklappbare Flächen, die die Wölbung erhöhen. Sie fügen moderaten Auftrieb mit einer relativ geringen Luftwiderstandserhöhung hinzu.
  • Split-Flaps – Erweitern Sie sich nur von der unteren Flügeloberfläche, wodurch ein hoher Widerstand und ein moderater Auftrieb entstehen.
  • Slotted Flaps – Haben Sie eine Lücke zwischen der Klappe und dem Flügel, die es ermöglicht, dass energiereiche Luft über die Oberseite strömt, was die Trennung verzögert und den Auftrieb erhöht.
  • Fowlerklappen – Schieben Sie nach hinten, bevor Sie nach unten ausweichen, wodurch sowohl die Flügelfläche (Akkord) als auch der Sturz vergrößert werden.
  • Krueger-Flaps – Vorflügel-Geräte, die von der Unterseite des Flügels nach vorne angelenkt werden, wodurch der Sturz bei hohen Angriffswinkeln erhöht wird. Oft in Verbindung mit Hinterflügel-Flaps verwendet.

Der spezifische Klappentyp und seine Einstellung (Ausfahrwinkel) sind kritische Parameter, die Piloten und Leistungsingenieure bewerten, um eine möglichst kurze Startstrecke bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung sicherer Steigungen zu erreichen.

Die Aerodynamik des Flap Deployments

Durch das Aussetzen von Klappen werden die Auftriebs- und Luftwiderstandskoeffizienten des Flügels direkt verändert. Für einen gegebenen Bereich des Flügels steigt der Auftriebskoeffizient (CL mit zunehmender Klappe. Das bedeutet, dass das Flugzeug den für den Start bei einer niedrigeren Fluggeschwindigkeit erforderlichen Auftrieb erzeugen kann, wodurch die zum Beschleunigen erforderliche Bodenrolle verringert wird. Durch das Ausfahren der Klappen erhöht sich jedoch auch der Luftwiderstandskoeffizient (CD Der Schlüssel für eine optimale Startleistung ist das Ausgleichen dieser beiden Effekte.

Aerodynamisch verschiebt die Klappenentfaltung die Auftriebskurve nach oben und nach links. Der Abwürgungswinkel nimmt ab, weil der erhöhte Sturz den Luftstrom über die obere Fläche beschleunigt, der maximale Auftriebsbeiwert (CLmax steigt jedoch erheblich an. Beispielsweise kann eine typische Cessna 172 mit vollständig ausgefahrenen Klappen (40°) eine CLmax fast doppelt so hoch wie die saubere Konfiguration erreichen.

Der Luftwiderstand steigt auch durch erhöhten Formwiderstand und induzierten Luftwiderstand aus dem höheren Auftrieb an. Bei den relativ niedrigen Anstellwinkeln beim Start ist der zusätzliche Luftwiderstand überschaubar. Werden Klappen zu stark ausgefahren, kann die Luftwiderstandsstrafe jedoch die Beschleunigung verlangsamen oder sogar verhindern, dass das Flugzeug eine sichere Steiggeschwindigkeit erreicht. Aus diesem Grund hat jedes Flugzeug eine empfohlene Startklappeneinstellung, die oft als Gradbereich im Betriebshandbuch des Piloten ausgedrückt wird.

Flap Settings und die drei Phasen des Starts

Ein Start wird typischerweise in drei Segmente unterteilt: Rollieren des Bodens, Übergang (Rotation zum Starten) und anfängliches Steigen. Jedes Segment wird durch die Auswahl der Klappen in einer bestimmten Weise beeinflusst.

Bodenabrollreduzierung

Die Bodenrolle ist der Abstand vom Bremsenauslösepunkt bis zu dem Punkt, an dem die Räder die Startbahn verlassen. Bei ausgefahrenen Klappen erreicht das Flugzeug seine Abhebegeschwindigkeit (VLOF) mit einer niedrigeren wahren Fluggeschwindigkeit. Da die Beschleunigungszeit kürzer ist, schrumpft der Bodenrollabstand. Beispielsweise kann ein mittelgroßes Flugzeug seine Startrollgeschwindigkeit bei Verwendung einer 10-15° Klappenstellung im Vergleich zu Klappen um 15–30% reduzieren.

Der zusätzliche Widerstand von Klappen kann jedoch die Beschleunigung im frühen Teil des Wankens verlangsamen. Um dies zu mildern, müssen viele Verfahren das Gas auf die maximale Leistung vor dem Lösen der Bremsen vorschieben; die Schleppstrafe ist bei niedrigen Geschwindigkeiten am deutlichsten spürbar. Mit der Beschleunigung des Flugzeugs nimmt der relative Einfluss des Klappenwiderstands ab und der Nutzen der niedrigeren Abtriebsgeschwindigkeit dominiert.

Rotationsgeschwindigkeit und Lift-Off-Distanz

Die Drehgeschwindigkeit (VR ist die Geschwindigkeit, mit der der Pilot sich auf das Joch zurückzieht, um die Nase anzuheben. Die Klappeneinstellungen beeinflussen direkt VR Die unteren Klappeneinstellungen erfordern einen höheren VR, um ausreichend Auftrieb zu erzeugen, der die Bodenrolle verlängert. Höhere Klappeneinstellungen ermöglichen eine Drehung mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, wodurch der Abstand zum Abheben verkürzt wird. Wenn VR jedoch zu niedrig wird, kann das Flugzeug bei der Erreichung eines positiven Anstiegs träge sein, insbesondere wenn die Dichtehöhe hoch ist.

Anfangsgefälle des Aufstiegs

Unmittelbar nach dem Start muss das Flugzeug einen positiven Steiggradienten erreichen. Flaps erhöhen den Auftrieb, fügen aber auch den Widerstand hinzu. Bei gegebener Leistung bestimmt ein Überschub (Schub – Widerstand) den Steigwinkel. Bei einem zu hohen Klappenwiderstand kann der Steiggradient gefährlich flach werden - ein Zustand, der in der Nähe von Hindernissen tödlich sein kann. Daher muss die gewählte Klappeneinstellung sicherstellen, dass das Flugzeug über das Start- und Landebahnende hinaus aussteigen kann. Aus diesem Grund verwenden viele Piloten nach Erreichen einer sicheren Höhe ein Steigprogramm "Flaps-up" oder "Minimum Flaps".

Trade-Offs: Lift Enhancement vs Drag Penalty

Die zentrale Entscheidung bei der Klappenauswahl ist, wie viel Auftrieb gegen Widerstand für den jeweiligen Start akzeptabel ist. Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass "mehr Klappen immer besser für kurze Felder sind." In Wirklichkeit kann eine übermäßige Klappe die Leistung beeinträchtigen.

Warum maximale Flap nicht immer am besten ist

Wenn Klappen bis zur maximal zulässigen Startposition ausgefahren werden (oft 30-40° bei leichten Flugzeugen), steigt der Luftwiderstand so stark, dass das Flugzeug möglicherweise Schwierigkeiten hat, über den Startpunkt hinaus zu beschleunigen. Der Pilot kann gezwungen sein, das Flugzeug länger auf dem Boden zu halten, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, was den Auftriebsvorteil zunichte macht. Darüber hinaus kann die Luftwiderstandsstrafe im ersten Anstieg die Steiggeschwindigkeit begrenzen. Für Hindernisräumungsstarts bietet eine moderate Klappeneinstellung (10-20 °) oft die beste Balance: genug Auftrieb, um den Boden zu reduzieren Roll, aber niedrig genug Widerstand, um einen steilen Anstieg zu erzielen.

Anforderungen an den Aufstieg des zweiten Segments

Nach Zertifizierungsnormen (z. B. FAR Part 25 für Transportflugzeuge) umfasst die Startflugbahn einen zweiten Anstieg des Segments – von 35 Fuß (oder in einigen Fällen 50 Fuß) bis zu dem Punkt, an dem Klappen eingefahren werden können. Das Flugzeug muss einen Mindestanstieg bei ausgefallenem Triebwerk nachweisen. Höhere Klappeneinstellungen senken den verfügbaren Anstieg, so dass die vom Hersteller empfohlene Einstellung der Startklappe immer ein Kompromiss zwischen der Leistung der Feldlänge und der Fähigkeit zum Steigen eines Einmotors ist.

Faktoren, die die optimale Flap-Auswahl beeinflussen

Die Einstellung der einzelnen Klappen funktioniert nicht bei jedem Start. Die Piloten müssen die beste Einstellung für jeden Start anhand mehrerer Variablen berechnen.

Flugzeuggewicht und Zentrum der Schwerkraft

Schwerere Flugzeuge benötigen mehr Auftrieb, um in die Luft zu fliegen, so dass sie von einer erhöhten Klappenauslenkung profitieren. Die Position des Schwerpunkts (CG) ist jedoch ebenfalls wichtig. Ein nach vorne gerichteter CG verringert die Hebelwirkung des Hecks für die Drehung, was eine höhere Klappeneinstellung erfordern kann, um die Nase anzuheben. Umgekehrt erleichtert ein achterner CG die Drehung, kann jedoch zu Steigungstendenzen führen; niedrigere Klappeneinstellungen können bevorzugt werden, um die Kontrolle zu behalten.

Länge und Oberflächenbedingungen der Piste

Kurze Startbahnen erfordern das kürzestmögliche Rollverhalten. Höhere Klappeneinstellungen werden üblicherweise gewählt, sofern der Steigungsgrad ausreichend bleibt. Auf einer nassen oder eisigen Startbahn ist das Bremsen kein Faktor beim Start, aber verringerte Reibung kann die Rollverhalten leicht verlängern; moderate Klappen helfen, dies zu mildern. Auf einem Weichfeld (Gras, Schlamm, Sand) wird das Flugzeug durch den zusätzlichen Auftrieb durch erhöhte Klappen schneller in die Luft gebracht, wodurch das Risiko eines Festfahrens verringert wird.

Dichtehöhe (Temperatur und Druck)

Hohe Temperatur und große Höhe beide niedrigere Luftdichte. Weniger dichte Luft bedeutet weniger Auftrieb pro Fluggeschwindigkeitseinheit, so dass das Flugzeug auf eine höhere wahre Fluggeschwindigkeit beschleunigen muss, um in die Luft zu gelangen - und das dauert länger. Höhere Klappeneinstellungen können helfen, indem sie die CLmax erhöhen, was den Dichteverlust teilweise kompensiert. In extremen Dichtehöhen wird die Motorleistung jedoch ebenfalls reduziert. Unter solchen Bedingungen kann die optimale Klappeneinstellung niedriger sein als auf Meereshöhe, um übermäßigen Widerstand zu vermeiden, den der geschwächte Motor nicht überwinden kann.

Anforderungen an die Hindernisfreigabe

Befindet sich ein Hindernis (Bäume, Gebäude, Gelände) nahe dem Startende der Startbahn, muss das Flugzeug unmittelbar nach dem Start steil ansteigen. Eine moderate Klappeneinstellung (oftmals die Einstellung "Hindernisfreiheit" des Herstellers) sorgt für eine höhere Steigung als volle Klappen. Der Pilot muss den Rollweg des Bodens gegen den Steigwinkel eintauschen - ein klassischer Performance-Trade-off.

Flap-Nutzung an Flughäfen in hoher Höhe

Der Betrieb von Flughäfen in großer Höhe (z. B. Denver, Colorado; La Paz, Bolivien) stellt eine zusätzliche Herausforderung dar. Die Kombination aus geringer Luftdichte und geringerer Motorleistung erfordert eine sorgfältige Klappenauswahl. Viele Hersteller stellen eine Tabelle zur Höhen- oder Temperaturkorrektur zur Verfügung. Unter bestimmten Höhenlagen wird empfohlen, weniger Klappen als normal zu verwenden, um sicherzustellen, dass das Flugzeug durch die hohen Rollgeschwindigkeiten, die für die Rotation erforderlich sind, beschleunigen kann.

Flap-Einstellungen in der Praxis: Common Aircraft

Das Verfahren zur Auswahl der Klappen ist je nach Luftfahrzeugtyp unterschiedlich. Die Prüfung typischer Beispiele verdeutlicht die Prinzipien.

Kleine allgemeine Luftfahrt (Cessna 172, Piper Cherokee)

Der normale Start der Cessna 172 nutzt 10°-Klappen. Für Kurzfeld-Starts werden auch 10°-Klappen empfohlen (oder manchmal 20° im 172S-Modell). Vollklappen (30° oder 40°) werden nur unter Softfield-Bedingungen eingesetzt und werden sofort eingefahren, sobald eine sichere Höhe erreicht ist. Piloten lernen, dass mehr als 10°-Klappen während des Starts den Luftwiderstand genug erhöhen, um die Steigleistung zu reduzieren. Die Piper PA‐28-Familie verwendet 0-25°-Klappen für Kurzfeldarbeiten, die wiederum Auftrieb und Aufstieg ausgleichen.

Transportkategorie (Boeing 737, Airbus A320)

Die Airliner verwenden eine Klappeneinstellung, die mit Grad bezeichnet wird: typische 737 Startklappen sind 5°, 10° oder 15°, je nach Gewicht, Startbahnlänge und Temperatur. Der Airbus A320 verwendet die Konfigurationen 1 (18° Hinterkantenklappe mit Lamellen), 2 (20° Hinterkantenklappe mit Lamellen) oder 3 (22° Hinterkantenklappe, Lamellen voll ausgefahren) für den Start. Diese Einstellungen ergeben eine Startfeldlänge, die die Zertifizierung erfüllt, ohne den zweiten Segmentanstieg bei ausgefallenem Triebwerk zu beeinträchtigen.

Spezialoperationen (Short Field, Soft Field)

Im Buschflug, wo die Start- und Landebahnen extrem kurz und rau sind, können Piloten Klappeneinstellungen jenseits des normalen Bereichs verwenden – sogar Teilklappen für Starts im Landestil. So verwendet der De Havilland DHC‐2 Biber 20-40° Klappen für Kurzfeldabflüge. Diese Flugzeuge haben eine geringe Tragflächenbelastung, so dass die Schleppstrafe überschaubar ist.

Regulatorische und sicherheitstechnische Überlegungen

Das luftverkehrsrechtliche Umfeld stellt sicher, dass Piloten ihre Klappenauswahl auf validierten Leistungsdaten statt auf Vermutungen stützen.

Leistungsdaten aus Flughandbüchern

Jedes zertifizierte Luftfahrzeug verfügt über ein Piloten-Betriebshandbuch (POH) oder ein Flughandbuch (AFM), das Leistungstabellen und Diagramme für verschiedene Klappeneinstellungen, Gewichte, Höhen, Temperaturen und Windbedingungen enthält. Diese Daten stammen aus Flugtests und stellen die garantierte Mindestleistung dar. Piloten müssen diese Werte bei der Berechnung der Startstrecken verwenden, wodurch sie die endgültige Quelle für die Klappenauswahl sind.

Reduzierte Thrust Takeoff und Flap Selection

Fluggesellschaften verwenden häufig reduzierten Schub (abgeschätzte oder angenommene Temperatur-Starts), um Wartungskosten zu sparen. Die gewählte Klappeneinstellung muss mit dem reduzierten Schub kompatibel bleiben. Wird eine höhere Klappeneinstellung mit reduziertem Schub verwendet, kann der Steigungsgrad marginal werden. Daher bieten Leistungsingenieure spezielle Kombinationen aus Klappeneinstellung, Schubreduzierung und maximal zulässigem Gewicht.

Flap Fehlfunktionen und Fehler

Wenn sich die Klappen nicht oder überhaupt nicht symmetrisch ausdehnen, müssen sich die Piloten auf alternative Verfahren verlassen. Die meisten Betreiber haben ein Leistungsdiagramm ohne Klappenstart oder ohne Klappenstart, das kein Klappenausfahren voraussetzt. Solche Starts erfordern viel längere Startbahnen und führen zu einer höheren Drehgeschwindigkeit. Die Sicherheitsauswirkungen sind erheblich. Bei einigen Flugzeugen ist eine asymmetrische Klappensituation (z. B. eine bei 10° steckende Seite, die andere eingefahren) ein ernster Notfall, der sorgfältige Handhabung und möglicherweise einen abgebrochenen Start erfordert.

FAA Airplane Flying Handbook bietet umfassende Anleitungen zur Startleistung und zur Verwendung von Klappen.

Boeing Aero Magazine “Takeoff Performance and Flap Settings” bietet einen detaillierten Einblick in den Flugbetrieb von Flugzeugen.

Fazit: Mastering Flap Configuration

Die entsprechende Klappeneinstellung ist eine der konsequentesten Entscheidungen, die ein Pilot vor jedem Start trifft. Sie steuert direkt, wie schnell das Flugzeug in die Luft fliegen kann und wie steil es steigen kann. Durch das Verständnis der aerodynamischen Prinzipien - des Auftriebs-Drag-Trade-offs, der Auswirkungen auf die Drehzahl und der Anforderungen an die Hindernisfreiheit - können Piloten die Einstellung auswählen, die den Startabstand minimiert und gleichzeitig die Sicherheit gewährleistet.

Es gibt keine einheitliche Regel für alle Flugzeuge und alle Bedingungen. Leistungstabellen, Erfahrung und sorgfältige Planung vor dem Flug sind unerlässlich. Letztlich bedeutet die Beherrschung der Klappenkonfiguration, die Physik zu verstehen, die Kompromisse zu respektieren und die Daten im Flughandbuch zu verwenden. Das Ergebnis ist ein Start, der nicht nur kürzer, sondern sicherer ist, egal ob es sich um einen 12.000 Fuß hohen Asphaltstreifen oder einen 2.000 Fuß hohen Grasstreifen handelt.