Druckhöhe und barometrische Höhenmesser

Im vorherigen Abschnitt haben wir die Geschwindigkeitsindikatoren betrachtet, und in diesem Abschnitt werden wir die Daten zur Höhe erläutern.

An Bord eines Flugzeugs gibt es zwei Arten von Höhenmessern: den barometrischen Höhenmesser (barometric altimeter) und den Funkhöhenmesser (radio altimeter). Lassen Sie uns zunächst den barometrischen Höhenmesser betrachten.

Wir wissen alle, dass mit zunehmender Höhe die Luftdichte abnimmt und der Luftdruck sinkt. Durch Messung des atmosphärischen Drucks und Vergleich mit einem Standardwert kann daher der absolute Höhenwert (Seehöhe) des Messorts ermittelt werden. Dies ist das grundlegende Arbeitsprinzip eines barometrischen Höhenmessers (Altimeter). Der Vorteil der Verwendung von Luftdruck zur Messung ist, dass das Gerät klein und einfach aufgebaut ist, aber es gibt auch Nachteile: Neben der Höhe beeinflussen auch Temperaturänderungen und Änderungen der Wasserdampfdichte den Luftdruck. Daher müssen Piloten den Höhenmesser an die örtlichen atmosphärischen Bedingungen anpassen (korrigieren), was sowohl vor dem Start als auch vor der Landung unverzichtbar ist. Die Gefahren einer unsachgemäßen Höhenbestimmung für die Landung liegen auf der Hand.

Nehmen wir ein Beispiel: Am Vortag landete bei hohem Luftdruck und sonnigem Wetter ein Flugzeug auf dem Flughafen Haneda, der auf einer Seehöhe von 6,4 Metern liegt. Der Luftdruck betrug 1013 hPa, und der Höhenmesser des Flugzeugs wurde auf 29,92 inHg eingestellt, wobei der Höhenmesser 21 Fuß anzeigte. Am nächsten Tag begann es zu regnen, und der Luftdruck sank auf 997 hPa. Würde die Einstellung nicht korrigiert, würde der Höhenmesser nun 450 Fuß anzeigen, umgerechnet 137 Meter. Ein Flugzeug, das auf einer Höhe von 6 Metern über dem Boden steht, zeigt auf dem Instrument tatsächlich 137 Meter an – man sieht hier deutlich, wie groß der Einfluss des Wetters auf den Höhenmesser ist. Daher müssen Piloten vor dem Start den Höhenmesser auf 997 hPa einstellen, also 29,45 inHg. Diese Informationen können über die Flugsicherung, die Fluglotterie der Fluggesellschaft oder den Flughafen-ATIS (Automated Terminal Information Service) bezogen werden.

In Bezug auf den Luftdruck werden einige Begriffe häufig verwendet, die im Folgenden kurz zusammengefasst sind:

1. “QFE” (Der QDR-Code für Feldhöhe/„Field Elevation“) ist der Luftdruck auf der Höhe des Flugplatzes. Man kann sich „FE“ als „Field Elevation“ merken. Wenn ein Pilot den Höhenmesser auf QFE einstellt, zeigt die Nadel auf dem Flugplatz 0 Fuß an.

2. “QNH” (Der QDR-Code für „Not Here“) ist ein Wert, der nach den Standards der ICAO (International Civil Aviation Organization) aus QFE umgerechnet wurde. Man kann sich „NH“ als „Not Here“ merken. Die oben genannte Einstellung am Flugplatz verwendet den QNH-Wert. Wenn ein Pilot den Höhenmesser auf QNH einstellt, zeigt die Nadel auf dem Flugplatz die Seehöhe dieses Flugplatzes an. Dies ist auch der Wert, der in Luftfahrtkarten für Flugplätze vermerkt ist. Daher müssen beim Start, Steigflug, Sinkflug und bei der Landung in der Nähe des Flugplatzes die Höhenmesser auf QNH justiert werden. Dies stellt sicher, dass alle startenden und landenden Flugzeuge denselben Standard zur Bestimmung der Flughöhe verwenden, um Unfälle wie Bodenberührung, Kollisionen oder gefährliche Annäherungen zu vermeiden.

3. “QNE” bezieht sich auf den Luftdruck auf Meereshöhe unter Standardatmosphärenbedingungen. Der Wert beträgt 1013,2 hPa (29,92 inHg). In der Nähe eines Flugplatzes kann QNH als Standard dienen, aber beim Flug zwischen Flugplätzen ändert sich der Luftdruck stetig, und es ist unmöglich, unzählige Messstationen am Boden oder auf dem Meer einzurichten, um QNH zu messen. Wenn daher alle Flugzeuge einheitlich einen Standard verwenden, nämlich QNE, wird die Einstellung des Höhenmessers vereinfacht und die Sicherheit im Flug gewährleistet. Wann wird von QNH auf QNE umgestellt? Es gibt eine vorgeschriebene „Übergangshöhe“. Wenn das Flugzeug diese Höhe übersteigt, muss der Pilot den Höhenmesser auf QNE einstellen, also 29,92 inHg bzw. 1013,2 hPa. Die Vorschriften für die Übergangshöhe unterscheiden sich je nach Land, beispielsweise: beim Steigflug in China 3000 Meter, in Japan 14000 Fuß, in den USA 18000 Fuß, in Großbritannien 6000 Fuß sowie in Singapur und Thailand 11000 Fuß.

Betrachten wir nun am Beispiel einer Boeing 777 die tatsächliche Instrumentenanzeige. In der Abbildung unten wird die Höhenanzeige im PFD (Primary Flight Display) im zentralen Rechteck der rechten Höhenleiste angezeigt. Die Zahl „4800“ zeigt an, dass der Höhenmesser 4800 Fuß anzeigt, und der darunter liegende Wert „29.86 IN“ zeigt an, dass der Höhenmesser auf 29,86 inHg eingestellt ist, was bedeutet, dass das Flugzeug gerade den QNH-Wert verwendet.

Betrachten wir die folgende Abbildung, in der der Höhenmesser separat herausgelöst und die verschiedenen Zahlen im Detail erläutert sind. Wir sehen im zentralen Rechteck, dass der Pfeil bei „CURRENT ALTITUDE“ auf die Zahl „4800“ zeigt, was eine Höhe von 4800 Fuß anzeigt. Darunter befindet sich ein weiteres Rechteck mit der Anzeige „STD“. Dies zeigt an, dass das Flugzeug gerade den Standardluftdruck QNE verwendet. Gleichzeitig sieht man unterhalb von STD den Pfeil „PRESELECTED BAROMETRIC REFERENCE“, der auf den Wert „29.86 IN“ zeigt. Dies ist der voreingestellte Höhenmesserwert, eingestellt auf 29,86 inHg. Piloten können bereits im Sinkflug den QNH-Wert des Zielflugplatzes vorwählen. Wenn das Flugzeug dann unter die Übergangshöhe sinkt, müssen sie nur noch eine Taste drücken, was den Bedienvorgang erheblich vereinfacht. Die STD-Taste befindet sich oben rechts im EFIS-Regler (Electronic Flight Instrument System) in der Abbildung oben. Der Pfeil „BAROMETRIC REFERENCE SELECTOR“ zeigt auf den BARO-Drehknopf, mit dem der Höhenmesser eingestellt wird.

Was die Einheiten der Höhe betrifft, so verwenden westliche Länder sowie Japan im Allgemeinen Fuß, während China Meter verwendet. Bei der Verwendung der QNE-Höheneinstellung wird jedoch allgemein die Bezeichnung „Flight Level“ verwendet. Bei der Verwendung von Flight Levels werden die letzten zwei Nullen der Zahl weggelassen, sodass 35000 Fuß als Flight Level 350 bezeichnet wird, abgekürzt FL350. Zum Beispiel wurde dies im Abschnitt 3.7 im Gespräch mit der Flugsicherung so erwähnt: “Tokyo Control, Air System 115, Leaving 7800 for FL210, Initially Proposed FL410” „Tokyo Area, hier Air System 115, verlassen 7800 Fuß in Richtung FL210, ursprünglich geplant FL410.“ Hier werden 7800, FL210 und FL410 verwendet, um die Höhe auszudrücken. Wir wissen nun, dass 7800 die Höhe in Fuß unter QNH ist, während FL210 die Höhe von 21000 Fuß unter QNE bedeutet.

Wie hoch können also normale Verkehrsflugzeuge fliegen? Die maximale Flughöhe, die sogenannte „Dienstgipfelhöhe“, hängt von zwei Faktoren ab: dem Auftrieb und der Festigkeit der Zelle.

Wir wissen, dass ein Flugzeug fliegen kann, weil Luft vorhanden ist. Die Triebwerke beschleunigen das Flugzeug, und wenn eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht ist, erzeugt die Luftströmung an den Tragflächen einen Auftrieb, der das Flugzeug steigen lässt. Je größer die Höhe jedoch, desto dünner wird die Luft. Weniger Luft gelangt in die Triebwerke, der erzeugbare Schub nimmt ab, und schließlich erreicht das Flugzeug seine physikalische Steiggrenze. In diesem Zustand kann das Flugzeug nur noch im Horizontalflug fliegen. Dies führt zum Konzept der „praktischen Dienstgipfelhöhe“. Wenn die Steigrate des Flugzeugs immer langsamer wird und die vertikale Steiggeschwindigkeit auf 300 Fuß pro Minute (ca. 90 Meter pro Minute, so langsam wie ein gehender Mensch) sinkt, entspricht diese Höhe der praktischen Dienstgipfelhöhe. Daher gilt: Bei Flugzeugen desselben Typs gilt: Je größer die Triebwerksleistung und je geringer das Gewicht, desto höher ist die praktische Dienstgipfelhöhe.

Die Festigkeit der Zelle betrifft den Druckunterschied zwischen innen und außen. In über 10.000 Metern Höhe beträgt die Temperatur etwa minus 50 Grad und der Luftdruck nur noch 20 % des Bodendrucks. Ohne Klimaanlage und Druckausgleichsgeräte, die angemessene Temperatur und Druck liefern, könnten Passagiere in diesem Zustand nicht überleben. Die Klimaanlage hält die Kabinentemperatur im Allgemeinen bei 24 Grad. Im Sommer wird sie wegen dünnerer Kleidung etwas höher eingestellt, im Winter wegen dickerer Kleidung etwas niedriger. Im Vergleich zur Temperatur ist die Regelung der Druckerhöhung jedoch etwas schwieriger.

Wenn man beispielsweise versucht, den Kabinendruck während des Steigflugs konstant auf einem Atmosphärendruck zu halten, würde das Flugzeug durch den stetig sinkenden Außendruck und den daraus resultierenden Druckunterschied wie ein Ballon aufgeblasen werden. In 11.000 Metern Höhe würde der Druckunterschied auf 8,1 Tonnen pro Quadratmeter auf die Zelle wirken, und in 13.000 Metern Höhe 8,7 Tonnen pro Quadratmeter. Dies erfordert, dass die Festigkeit der Flugzeugzelle einem so hohen Druck standhalten kann, ohne sich zu verformen. Gleichzeitig führt die ständige Wiederholung der Ausdehnungs- und Kontraktionskräfte durch den Auf- und Abstieg bei jedem Flug schließlich zu Materialermüdung, was zu Problemen wie Rissen in der Zelle führen kann.

Deshalb ist die Flugzeugkonstruktion so ausgelegt, dass der Innendruck in Abhängigkeit von der Höhe schrittweise angepasst wird, wenn sich der Außendruck ändert, um die Auswirkungen des Druckunterschieds zu verringern. Ein zu niedriger Druck führt jedoch zu menschlichem Unwohlsein, sodass der Innendruck auch bei Reduzierung nicht unter 0,75 Atmosphären fällt, was einem Druck in einer Höhe von 2400 Metern entspricht. Zur Unterscheidung von der tatsächlichen Flughöhe wird dieser Höhenwert „Kabinenhöhe“ genannt.

Die maximale Flughöhe eines Flugzeugs wird also durch den Druckunterschied zur Kabinenhöhe bestimmt. Zum Beispiel beträgt der maximal zulässige Druckunterschied für eine Boeing 747 6,1 Tonnen pro Quadratmeter, und um die Kabinenhöhe unter 2400 Metern zu halten, liegt die maximale Flughöhe bei 13.750 Metern.

Werfen wir einen Blick auf die Daten zur maximalen Flughöhe anderer moderner Verkehrsflugzeuge: Airbus A380: Druckunterschied 6 t/m², Maximale Höhe 13.100 m Airbus A330: Druckunterschied 5,8 t/m², Maximale Höhe 12.520 m Boeing 777: Druckunterschied 6 t/m², Maximale Höhe 13.130 m

Ende

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