mini|Anzani W-Motor, erster kommerziell erfolgreicher Flugmotor Ein Flugmotor (auch Flugzeugmotor) ist ein Verbrennungsmotor (am häufigsten in Form eines Hubkolbenmotors), der speziell für den Einsatz in einem Luftfahrzeug konstruiert wurde. An einen zertifizierten Flugmotor werden besondere technische sowie auch gesetzliche Anforderungen gestellt. Diese Anforderungen stehen – abgesehen von einigen Ausnahmen – dem Einsatz von vergleichsweise preisgünstigeren Großserien-PKW- oder Motorradmotoren entgegen.
Flugmotoren werden – abweichend von Motoren für Straßenfahrzeuge – unter anderem durch die Angabe von Startleistungen und Dauerleistungen charakterisiert.
Technische Anforderungen mini|14-Zylinder-Doppelsternmotor der 1940er-Jahre (Schwezow ASch-82 mit 1397 kW/1900 PS) An einen Flugmotor werden hohe Anforderungen gestellt: hohe Zuverlässigkeit in allen Einsatzbedingungen, ein günstiges Leistungsgewicht (Ps pro Kilo Flugmotor), ein geringer spezifischer Kraftstoffverbrauch und eine möglichst geringe Stirnfläche, um ihn möglichst strömungsgünstig in die Flugzeugzelle oder Motorgondel einbauen zu können.
Diese konkurrierenden Anforderungen, geringe Stückzahlen, hohe Entwicklungskosten und gesetzliche Nachweispflichten (Zertifizierung) führen dazu, dass zahlreiche Flugmotoren seit Jahrzehnten praktisch unverändert gebaut werden. Die aktuellen Hubkolbenmotoren, besonders der beiden großen US-Hersteller Lycoming und Continental, entsprechen heute noch größtenteils dem technischen Stand der frühen 1960er-Jahre. Mittlerweile werden neben Vergasern auch Saugrohreinspritzungen verwendet. In den kleinsten Leistungsklassen bis höchstens 50 kW sind für Ultraleichtflugzeuge und für motorisierte Segelflugzeuge (Motorsegler) Zweitaktmotoren üblich.
Abhängig von der Flughöhe differieren Luftdichte und Lufttemperatur. Flugmotoren brauchen deshalb geeignete Regelvorrichtungen für die Gemischbildung (siehe auch Leanen). Flugmotoren mit Motoraufladung sind auch in großer FlughöheHöhe über dem Meeresspiegel leistungsfähig.
Gesetzliche Anforderungen Der Ausfall eines Flugmotors kann zu einem Flugunfall mit fatalen Folgen für Insassen und Personen am Boden und hohen Sachschäden führen. Deshalb gab und gibt es für die Zulassung von Flugmotoren strenge Auflagen. Der Gesetzgeber fordert für die Zulassung eines Motors als Flugmotor umfangreiche Zuverlässigkeitsnachweise und unter anderem ein doppeltes Zündsystem (auch Zündanlage genannt). Die Wartung der Motoren wird sehr streng überwacht – der Gesetzgeber schreibt nach 2500 Betriebsstunden eine vollständige Motorüberholung mit Austausch der Laufgarnitur vor. Laufgarnitur nennt man die Kolben einschließlich Kolbenringen und die Zylinderlaufbuchsen.
Unterschiede zu Verbrennungsmotoren von Straßenfahrzeugen In seinem Grundprinzip ist ein Flugmotor, wie er beispielsweise in Leichtflugzeugen zum Einsatz kommt, dem eines PKWs ähnlich. Jedoch sind meist einige besondere Konstruktionsmerkmale vorhanden, welche zum Teil Voraussetzung für die Erteilung einer Zertifizierung sind.
Für die Wahl der Motorkonfiguration (Boxermotor, Reihenmotor, Sternmotor, V-Motor) sind bei Luftfahrzeugen besondere Kriterien ausschlaggebend. Ein wesentlicher Aspekt bei luftgekühlten Motoren ist dabei eine gute Versorgung aller Zylinder mit Kühlluft.
Bei einmotorigen Propellerflugzeugen (siehe auch Leichtflugzeug) ist ein weiteres Kriterium, dass der Motor unmittelbar vor dem Piloten angeordnet ist und wegen der Bodenfreiheit des Propellerkreises eine hohe Einbaulage der Propeller- oder Kurbelwelle angestrebt wird. Alle Motorteile, die oberhalb der Kurbelwelle liegen, beeinträchtigen daher die Sicht des Piloten, sodass hier praktisch ausschließlich Boxermotoren verwendet werden. Früher wurden auch „hängende“ V- oder Reihenmotoren benutzt, das heißt, die Kurbelwellen lagen oben und die Zylinderköpfe unten.
Bei an den Tragflächen angeordneten Motoren mehrmotoriger Flugzeuge ist die Sicht des Piloten konstruktions-bedingt nicht durch den Motor beeinträchtigt, sodass die leistungsstärksten mehrmotorigen Propellerflugzeuge auch alle mit Sternmotoren hoher Zylinderzahl ausgerüstet wurden (wie beispielsweise die Lockheed Super Constellation).
Die wesentlichen Unterschiede bzw. Abweichungen von Flugmotoren zu Verbrennungsmotoren von Straßenfahrzeugen sind:
Doppelzündung Es sind zwei voneinander unabhängige Zündanlagen vorgeschrieben (Magnetzündung), die normalerweise parallel in Betrieb sind, aber bei den Startvorbereitungen („Run-up“) einzeln überprüfbar sein müssen. Im Falle des Ausfalls einer Zündanlage dieser Doppelzündung darf der Leistungsabfall des Motors einen gewissen Prozentsatz nicht überschreiten.
Verwendung von Leichtbenzin Motorenbenzine sind Gemische verschiedener Kohlenwasserstoffe. Solche mit viel Wasserstoff und wenig Kohlenstoff haben zwar einen geringeren Brennwert, aber sie verdampfen leichter (bei niedrigen Temperaturen) und sind besser zündfähig; beide Eigenschaften sind für Flugzeuge wichtig.
Gemischbildung und Motorschmierung Auch in extremen Fluglagen und bei starken Beschleunigungen (Kunstflug) muss die Gemischbildung sichergestellt sein, um Motoraussetzer zu vermeiden. Dazu wird ein lageunabhängiges Gemischbildungssystem eingesetzt. Ebenso muss die Motorschmierung lageunabhängig sichergestellt sein, was im Allgemeinen durch eine Trockensumpfschmierung erreicht wird.
Gemischbeeinflussung Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss – per Hand oder automatisch – dem abnehmenden Luftdruck in der Höhe angepasst werden können (siehe Leanen).
Ventilsteuerung Die Nockenwelle(n) oder beim Sternmotor die Nockentrommel der Ventilsteuerung darf nicht über Zahnriemen oder Steuerketten angetrieben werden. Stirnradgetriebe oder eine Königswelle sind möglich. Die meisten heutigen Kolbenmotoren für Flugzeuge haben eine OHV-Ventilsteuerung, bei der die Ventile über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt werden.
Luftkühlung Eine Luftkühlung ist leichter als eine Flüssigkeitskühlung und kann nicht durch Kühlmittelverlust ausfallen, sie ist daher bei den meisten Flugmotoren üblich. Moderne Flugmotoren haben luftgekühlte Zylinder und flüssigkeitsgekühlte Zylinderköpfe (Rotax, Jabiru, Limbach, Sauer).
Größere Hubräume Flugmotoren müssen wegen der Betriebsgrenzen der Propeller hohe Leistungen bereits bei relativ niedrigen Drehzahlen (2500–2700/min) erbringen. Daher sind relativ große Hubräume üblich. Das Verdichtungsverhältnis ist eher niedrig. Moderne Flugmotoren haben zwischen Kurbelwelle und Propellernabe ein Reduktionsgetriebe mit Vibrationsdämpfer bei entsprechend geringerem Hubraum (Rotax 912-Serie: 1200 cm³ im Vergleich zum leistungsgleichen Lycoming O-235 mit 3850 cm³ und Direktantrieb).
Axiallager Es muss dafür Sorge getragen werden, dass die von der Luftschraube auf die Kurbelwelle übertragenen erheblichen Zugkräfte von einem entsprechenden Axial- oder Zuglager aufgenommen werden.
Schraubensicherung So gut wie alle Schraubverbindungen, auch Gehäuseverschraubungen, werden bei Flugmotoren aufwändig formschlüssig gesichert, meist durch Drahtsicherungen oder Splinte.
Einsatz in Leichtflugzeugen mini|Continental A-40, luftgekühlter, seitengesteuerter Vierzylinder-Boxermotor, wie er früher in Leichtflugzeugen eingebaut wurde Bei den in Leichtflugzeugen eingesetzten Motoren wird in der Regel Luftkühlung verwendet. Die Kurbelwelle kann den Propeller über ein Untersetzungsgetriebe antreiben oder der Propeller ist direkt am Flansch der Kurbelwelle verschraubt. Beim Direktantrieb ist die Maximaldrehzahl des Motors auf etwa 2700/min begrenzt. Diese maximale Drehzahl ergibt sich dadurch, dass die Propellerspitzen bei dieser Drehzahl annähernd Schallgeschwindigkeit erreichen, was die physikalisch-technische Grenze für den Luftschraubenantrieb darstellt.
Generell werden bei direkt angetriebenen Propellern Motoren mit großem Hubraum verwendet, typischerweise Ottomotoren mit 360 Kubikzoll, also etwa 5,9 Liter Hubraum für 132 kW (180 PS) oder 320 Kubikzoll, also 5,25 l Hubraum, für 118 kW (160 PS). Der Benzinverbrauch eines solchen Flugmotors beträgt etwa 35–40 Liter AVGAS pro Stunde, größere mit 8,9 Liter Hubraum, also etwa 540 Kubikzoll und 265 kW (360 PS) verbrauchen bis zu 100 Liter pro Stunde.
In den letzten Jahren werden in den niedrigeren Leistungsklassen auch Flugmotoren mit geringem Hubraum hergestellt, die ganz oder teilweise flüssigkeitsgekühlt sind. Dazu zählen der Thielert-Dieselmotor (auf der Basis des Mercedes-Benz-Dieselmotor OM 668 der A-Klasse mit 1,7 Liter Hubraum, turbogeladen, 100 kW (135 PS), Verbrauch 12 l/h Kerosin oder Diesel), der Aluminium-Diesel EM-100 von Eco-Motors (mit 1,4 Liter Hubraum, 100 PS, ebenfalls turbogeladen, Verbrauch 10 l/h Kerosin Jet A-1) und die Ottomotoren von Bombardier-Rotax, die 912er- und 914er-Serie (1,4 Liter Hubraum, bis 85 kW (115 PS), Verbrauch 18 l/h MoGas).
In jüngerer Zeit sind flach bauende Boxermotoren üblich, während früher auch Sternmotoren oder häufig Reihenmotoren (auch hängend, also mit den Zylindern nach unten) verwendet wurden, beispielsweise Hirth, Gipsy Major, Walter. Im Gebiet des ehemaligen Ostblocks sind Sternmotoren als Leichtflugzeug-Antrieb bis in die heutige Zeit üblich (Wedenejew M-14).
Generell ist eine Tendenz zum Dieselmotor erkennbar, da diese Motoren inzwischen durch Direkteinspritzung und Turboaufladung Leistungsgewichte erzielen, die den Einsatz in Leichtflugzeugen ermöglichen. Der größte Vorteil ist ihr niedriger Kraftstoffverbrauch. So konnte der Verbrauch einer Robin DR 400 durch den Einsatz eines Dieselmotors mit vergleichbarer Leistung um rund 35 Prozent gesenkt werden. Allerdings bleibt anzumerken, dass derzeit Dieselmotoren in Leichtflugzeugen nicht überholt werden können, sondern mangels austauschbarer Laufbuchsen nach dem Ablauf einer festgelegten Laufzeit komplett getauscht werden müssen. Die Kosten hierfür sind deutlich höher als die der Generalüberholung von Flugmotoren klassischer Bauart.
Geschichte Erstflüge Luftschiff Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert baute der gebürtige Brasilianer Alberto Santos-Dumont in Frankreich eine ganze Reihe von Prallluftschiffen. 1894 nutzte er den Benzinmotor seines Dreirades für den Propeller eines seiner Luftschiffe.
Erster gesteuerter Flug eines Flugzeugs durch die Gebrüder Wright mini|Orville fliegt mit der Kitty Hawk Die Wrights schnitten einen Propeller mit einem hohen Wirkungsgrad und ließen, da nirgends ein geeignetes Triebwerk zu bekommen war, sich von Taylor in der Fahrradfabrik eines herstellen. Binnen kürzester Zeit entstand ein gerade einmal 77 kg schwerer wassergekühlter Vierzylinder-Viertakt-Benzinmotor, der 12 PS abgab. Zur Kompensation der Drehmomente erhielt der Flugapparat zwei gegenläufige Luftschrauben, deren Antrieb über Rollenketten erfolgte, die in Rohren liefen, um Vibrationen zu vermeiden.
Am Vormittag des 17. Dezember 1903 hob Orville Wright mit dem Flyer genannten Fluggerät vom Boden ab. Er war zwölf Sekunden lang in der Luft und legte dabei 37 Meter zurück (10,8 km/h). Unmittelbar folgte Wilbur, jeder flog an diesem Tag zweimal. Wilbur gelang dabei ein Flug von 59 Sekunden und 260 Metern Flugstrecke (19 km/h).The Five First Flights auf thewrightbrothers.org Orville sagte später darüber, es war das erste Mal in der Geschichte, dass „eine Maschine mit einem Menschen sich selbst durch ihre eigene Kraft in freiem Flug in die Luft erhoben hatte, in waagerechter Bahn vorwärts geflogen und schließlich gelandet war, ohne zum Wrack zu werden“. Die Flugmaschine maß 12,3 Meter in der Spannweite, 6,4 Meter in der Länge und 2,8 Meter in der Höhe; sie bestand aus Holz und einer Stoffbespannung, ihr Fluggewicht betrug 340 Kilogramm, und der Pilot lag auf der unteren Tragfläche.
Höhepunkt der Entwicklung