Flugzeuge: Weniger Kerosinverbrauch großen Flughöhen?
Überall kann ich lesen, dass Verkehrsflugzeuge in üblichen Reiseflughöhen von um die 10.000m fliegen, weil der Treibstoffverbrauch dann geringer ist.
Mir ist vollkommen klar, dass in diesen Höhen der Luftwiderstand geringer ist. Aber wie sieht es mit den Triebwerken aus? Haben sie nicht einen schlechteren Wirkungsgrad durch den wenigen Sauerstoff in diesen Höhen? Und was ist mit dem Auftrieb? Fällt er durch die verringerte Luftmenge nicht geringer aus?
Das es natürlich auch noch andere Gründe gibt, warum Flugzeuge "so hoch" fliegen ist mit schon bewusst. Es geht mir bei der Frage aber wirklich nur den Kerosinverbrauch in Abhängigkeit von der Flughöhe.
6 Antworten
Der Wirkungsgrad des Triebwerks muss in großer Höhe nicht unbedingt schlechter sein, als in Meereshöhe. Man kann das Triebwerk ja von Beginn an auf die Höhe von 11km auslegen und optimieren. Es ist dann in niedrigeren Höhen dann nicht so effektiv. Die Standard-Reiseflughöhe ist jedoch beschränkt (sonst würde ja nichts gegen eine Flughöhe von 20km sprechen):
- Maximaler Differenzdruck der Kabine zum Umgebungsdruck
- Minimale Geschwindigkeit, bei der noch genügend Auftrieb produziert werden kann
- Maximale Geschwindigkeit, ohne teilweise über dem Flügel Überschall zu erreichen
Gute Antwort! Das mit der Auslegung des Triebwerks auf die entsprechende Höhe leuchtet mir absolut ein! Die anderen Punkte haben auf den ersten Blick eher etwas mit dem begrenzenden Faktor der maximalen Flughöhe zu tun. Aber ich sehe, dass ein komplexer Zusammenhang zwischen den Faktoren besteht. Eine isolierte Betrachtung macht offensichtlich wenig Sinn. Sie beeinflussen sich gegenseitig und am Ende der Kette steht eine wirtschaftliche Bilanz, die - allgemein ausgedrückt - das Fliegen in großen Höhen rentabel macht.
Ich will mal versuchen die Antwort auf meine Frage selbst zu geben: Die Annahme, der Sauerstoffmangel bewirkt einen unverhältnismäßig höheren Treibstoffverbrauch, scheint falsch zu sein. Der Sauerstoffgehalt ist ungünstig, fällt bei entsprechend ausgelegten Triebwerken und dem geringen Luftwiderstand jedoch nicht so sehr ins Gewicht, bzw. wird (wie von SpitfireFan ja schon richtig bemerkt) von diesen und anderen Faktoren (Jet-Streams) kompensiert.
Hallo,
die Frage ist ja schon ein paar Tage alt, aber ich versuche mal, mich an meine alten Flugzeugmechanikertage zu erinnern:
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Der Sauerstoffgehalt der Luft liegt auch in 11.000 m Höhe noch bei 21% und bleibt es auch bis in rund 80 km Höhe. Man darf Sauerstoffmangel zum Atmen nicht mit fehlendem oder mangelndem Sauerstoffgehalt in der Luft verwechseln. Die Lungen können aufgrund des sehr viel geringeren Außenluftdrucks keine Luft mehr ziehen. Bei einem Triebwerk ist das anders.
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Ein Strahltriebwerk arbeitet dann am effektivsten, wenn die Druck- und Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und Gasstrahl im Triebwerk möglichst groß sind. Das ist in großen Höhen ideal und zeigt sich auch am Boden beim Start von arktischen Flughäfen oder solchen z. B. im Nahen Osten, wo es im Sommer über 50° C warm werden kann (Lufttemperatur über dem Asphalt).
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Es gibt eine fertigungstechnisch bedingte maximale Fluhöhe, weil die Druckdifferenz ansonsten die Struktur zu sehr belasten würde. Die Kabine hält ja eine Druckhöhe von rund 2.500 bis 2.700 m aus; mehr ist einem durchschnittlichen Menschen nicht zuzumuten.
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Der Treibstoffverbrauch ist deshalb geringer, weil der Luftwiderstand durch die geringere Luftdichte kleiner ist. Für den gleichen Schub (Arbeit gegen den Widerstand) brauche ich also weniger Energie.
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Der Auftrieb nimmt ab bis zu einem Punkt, wo fehlender Auftrieb nicht mehr durch mehr Schub kompensiert werden kann (Stichwort "coffin corner" - Sargecke).
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Da der größte Teil eines Fluges der Reiseflug ausmacht, werden Triebwerke dafür optimiert und für die niedrigeren Geschwindigkeiten und Höhen ist dann die Konstruktion des Flugzeugs selbst ausgelegt (Flügelform, Klappenform und-art, Ein- und Anstellwinkel etc.)
Alle diese Daten werden durch Computersimulationen, Windkanaltests und Testflüge mit echten Flugzeugen ermittelt und liefern dem Flugzeughersteller dann die Fakten für sein Datenblatt.
Der Wirkungsgrad ist der gleiche, denn dort oben brauch man die gleiche Menge Sauerstoff zur Verbrennung von 1l Kerosin wie hier unten. Ist nicht genug Sauerstoff da, verbrennt das Kerosin auch nicht.
Zudem sind in den Triebwerken Verdichtungsblätter, wodurch die Luft komprimiert wird und der Unterschied im Sauerstoffgehalt nicht so entscheidend.
Und neben der reinen Physik hat man auch in Luftverkehrstechnischer Sicht einen Vorteil, denn unten ist viel mehr los und es müssen viel mehr Sperrräume umflogen werden, als oben. Dadurch kann man oben direkter fliegen als unten
Es gibt eine optimale Flughöhe. Ist die Flughöhe zu gering, ist der Luftwiderstand zu hoch und der Treibstoffverbrauch steigt an. Ist die Flughöhe zu hoch, ist der Auftrieb zu schwach und der Treibstoffverbrauch steigt an, um in der dünnen Luft die Höhe halten zu können (Flugzeug muss schneller fliegen oder die Flügel steiler anstellen, was wiederum das Flugzeug bremst). Die optimale Geschwindigkeit des Flugzeugs ist knapp unter Schallgeschwindigkeit ca. 900-1000 km/h. (kleiner: zu langsam, größer: Flugzeug geht kaputt weil nicht für Gleich- bzw. Überschall ausgelegt) Bei dieser Geschwindigkeit liegt die Flughöhe mit dem geringstem Treibstoffverbrauch etwa bei 11 km. Die Schallgeschwindigkeit ist temperaturabhängig. In 11 km Höhe beträgt die Temperatur etwa -54°. Bei -54° liegt die Schallgeschwindigkeit bei etwa 1000 km/h. Wenn also das Flugzeug niedriger fliegt, steigt die Temperatur, dadurch steigt die Schallgeschwindigkeit, dadurch kann das Flugzeug schneller fliegen. Außerdem steigt der Luftwiderstand und dadurch der Treibstoffverbrauch. Also ein Flugzeug kann unter Einsatz von mehr Treibstoff tiefer fliegen, dadurch die Schallmauer nach oben drücken und dadurch schneller am Rand der Schallmauer fliegen.
Einerseits weniger auftrieb, weniger verbrennung (ein auto auf nem hohen berg hat auch weniger leistung) aber auch weniger luftwiederstand und ganz oben sind Jet Streams, so Welt-Winde die die flugzeuge nutzen.