Die Tragfläche (auch als Flügel bezeichnet) ist das Bauteil eines Flugzeugs, dessen Hauptaufgabe in der Erzeugung von Auftrieb besteht.
In der Wirkungsweise analog ist die Funktion als Flügel beim Rotorblatt von Propellern (treibenden Rotoren) und Repellern (vom Wind angetriebenen Rotoren).
Funktionsprinzip
Die Funktion einer Flugzeugtragfläche beruht auf einem Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite, der durch vertikale Ablenkung des umgebenden Luftstroms erzeugt wird. Die Vorgänge werden vom Flugzeug aus betrachtet, so dass die tatsächlich stehende Luft als Luftstrom gesehen wird. Der Coandă-Effekt bewirkt, daß der Luftstrom an einem geeigneten Tragflächenprofil der Oberfläche folgt und dabei entsprechend dem Anstellwinkel abgelenkt wird. An der Unterseite erfolgt die Ablenkung weitgehend durch den Staudruck. Die durch die Ablenkung verursachte, vertikale Impulsänderung des Luftstroms überträgt sich entsprechend dem Impulserhaltungssatz als kompensierender (actio = reactio) Auftrieb auf die Tragfläche. Die strömungsmechanischen Vorgänge, die diese Impulsübertragung vermitteln, sind sehr komplex und können hier nur vereinfacht dargestellt werden.
Die Luftteilchen setzen der Impulsänderung bei der Ablenkung des Luftstroms ihre Massenträgheit entgegen. Daraus resultieren Druck- und Dichteänderungen: an der Oberseite der Tragfläche entsteht Unterdruck, an der Unterseite Überdruck. Diese Druckdifferenz, die sich erst hinter der Tragfläche in der Wirbelschleppe wieder ausgleicht, erzeugt neben dem Auftrieb auch eine Beschleunigung des Luftstroms an der Oberseite (weil hier der Luftstrom in eine Unterdruckzone gesaugt wird) und eine entsprechende Verzögerung an der Unterseite. Wegen der Dicke der Tragfläche ist zudem der resultierende Ablenkungswinkel an der Oberseite größer als an der Unterseite. Beides - der Geschwindigkeitsunterschied und der unterschiedliche Ablenkungswinkel - führt dazu, daß der Unterdruck an der Oberseite stärker ausgeprägt ist als der Überdruck an der Unterseite. Aus empirischen Untersuchungen ergibt sich, daß der Unterdruck an der Oberseite in der Praxis ca. zwei Drittel des Auftriebs liefert. Nur in Bodennähe kehrt sich dieses Verhältnis durch den Bodeneffekt um.
In erster Näherung lassen sich die resultierenden Druckverhältnisse durch die Bernoulli-Gleichung beschreiben: die Summe aus dem dynamischen - also der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden - Staudruck und dem statischen Druck ist demnach konstant (der in die Gleichung auch noch eingehende Schweredruck kann hier vernachlässigt werden).
Bernoulli
In diesem Zusammenhang haben unzulässig verkürzte Darstellungen zu viel Verwirrung und großen Missverständnissen geführt: Keinesfalls ist der Geschwindigkeitsunterschied an Ober- und Unterseite die Ursache des Druckunterschieds, wie oft fälschlich unter Bezug auf Daniel Bernoulli behauptet wird. Die Bernoulli-Gleichung sagt über die Richtung der Kausalität nichts aus, sie beschreibt nur das strömungsdynamisch letztlich resultierende Verhältnis zwischen Staudruck und statischem Druck. Aus den physikalischen Bewegungsgesetzen (Newtonsche Axiome) läßt sich jedoch ableiten, dass hier die vertikale Impulsänderung des Luftstroms die Ursache ist, die - vermittelt durch Druckänderungen - zu den korrespondierenden Geschwindigkeitsunterschieden führt.
Die Bernoulli-Gleichung gilt an einer Flugzeugtragfläche nur sehr eingeschränkt: sie trägt weder dem - hier in der Grenzschicht besonders bedeutsamen - Reibungswiderstand noch den Dichteänderungen der umströmenden Luft Rechnung (in Gasen ist die Dichte proportional zum Druck); die Formel führt deshalb in der Praxis zu sehr ungenauen Ergebnissen und ist bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit und darüber überhaupt nicht mehr anwendbar. Zudem ist auch der direkte Vergleich von Tragflächenober- und -Unterseite nach der Bernoulli-Gleichung nicht korrekt: denn sie gilt - streng genommen - nur innerhalb derselben Stromlinie oder Potentialströmung, weshalb sie u. a. dem bei Start und Landung wichtigen Bodeneffekt nicht gerecht werden kann.
Aus obigen Gründen hat die Bernoulli-Gleichung in der praktischen Aerodynamik heute nur noch historische Bedeutung. Aerodynamische Strömungen werden heute üblicherweise mittels der auf der Newtonschen Mechanik fußenden Navier-Stokes-Gleichungen berechnet, die auch alle oben genannten Einflüsse einbeziehen können, aber wegen des hohen Rechenaufwands erst mit der elektronischen Datenverarbeitung praktisch handhabbar wurden.
Widerstand
Theoretisch kann eine ideale Tragfläche ein Flugzeug ohne jeglichen Leistungsbedarf auf gleichbleibender Höhe halten: da der Auftrieb auf Impulsübertragung beruht, bleibt die energetische Bilanz dabei prinzipiell ausgeglichen. In der Praxis bewirken jedoch verschiedene Formen von Strömungswiderstand, daß Bewegungsenergie des Flugzeugs verlorengeht (bzw. in Wärme umgewandelt wird) und durch einen Antrieb ersetzt werden muß:
Der Reibungswiderstand an der Oberfläche der Tragfläche bremst das Flugzeug, indem er in der Grenzschicht Bewegungsenergie in Wärmeenergie wandelt. Er kann durch eine hohe Oberflächengüte (Glätte) gemindert, aber nicht völlig ausgeschaltet werden.
An den Tragflächenenden wirkt induzierter Luftwiderstand: hier führt die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite zu Randwirbeln, in denen der Luftstrom quer zur Flugrichtung umgelenkt wird und dadurch dem Auftrieb liefernden Strömungssystem Energie entzieht. Der induzierte Widerstand läßt sich durch eine hohe Streckung (Streckung (Tragfläche) = Verhältnis der Spannweite zur mittleren Flügeltiefe) verringern. Auch die Winglets an den Tragflächenenden moderner Flugzeuge dienen der Verringerung dieser Widerstandsform, indem sie den Druckausgleich quer zur Flugrichtung (und damit die Wirbelbildung) teilweise unterbinden.
Der Form- oder Druckwiderstand (s. Strömungswiderstand) kommt dadurch zustande, daß ein reales Tragflächenprofil keine vollständig laminare Strömung gewährleisten kann. Wo die Strömung in Turbulenz umschlägt - generell an der Hinterkante der Tragfläche, aber z. B. auch an den Kanten von Landeklappen und Querrudern etc. - , entsteht ein bremsender Sog, der dem Querschnitt des Strömungsabrisses entspricht. Der Formwiderstand kann durch eine sinnvolle Wahl und sorgfältige Ausformung des Tragflächenprofils minimiiert werden.
Der Wellenwiderstand (s. Strömungswiderstand) schließlich kommt im Überschallflug zum Tragen: hier induziert der überschallschnelle Aufprall der Luftteilchen auf die Vorderseite des Flugzeugs eine sich kegelförmig ausbreitende Stoßwelle (Machscher Kegel), die am Boden als Überschallknall wahrnehmbar ist.
Strömungsabriss
Der zur Auftriebserzeugung erforderliche Anstellwinkel ist umgekehrt proportional zur Fluggeschwindigkeit: da bei höherer Geschwindigkeit im selben Zeitraum mehr Luftmasse abgelenkt wird, genügt ein geringerer Ablenkungswinkel zur Erzeugung desselben Auftriebs. Umgekehrt muß der Anstellwinkel um so mehr erhöht werden, je langsamer das Flugzeug fliegt.
Der Coandă-Effekt kann an der Oberseite der Tragfläche nur bis zu einem bestimmten, von Profilform und Oberflächenqualität abhängigen Anstellwinkel ein laminares Anliegen der Strömung gewährleisten. Jenseits dieses Anstellwinkels reißt die Strömung von der Oberfläche ab, wird turbulent und bewirkt so eine drastische Erhöhung des Formwiderstands; gleichzeitig bricht der größere Teil des Auftriebs zusammen, da das Profil in diesem Strömungszustand den Luftstrom nicht mehr effektiv ablenken kann, sondern im Wesentlichen nur noch verwirbelt. Die Fluggeschwindigkeit, bei der aufgrund des gestiegenen Anstellwinkels die Strömung abreißt, nennt man Überziehgeschwindigkeit oder Stallspeed; der dabei entstehende Flugzustand, in dem das Flugzeug durchsackt und nur noch sehr eingeschränkt steuerbar ist, ist der (engl.) Stall (s. Strömungsabriss). Die Überziehgeschwindigkeit ist somit die niedrigste Geschwindigkeit, bei der sich ein Flugzeug gerade noch in der Luft halten kann; sie ist konstruktionsabhängig und reicht in der Praxis von ca. 20 km/h (Gleitschirm) bis zu ca. 300 km/h (schnelle Strahlflugzeuge ohne aktivierte Landehilfen).
Profil
Druckdifferenzen entstehen in Strömungsfeldern, wenn durch Hindernisse gekrümmte Stromlinien erzwungen werden. Die Analyse der Krümmungen in realen Strömungen um Hindernisse erschließt die Druckverteilung an Profilen. Empirisch zeigt sich, dass der Unterdruck an der Oberseite relativ stärker ausgeprägt ist als der Überdruck an der Unterseite. Um den Eintritt dieses Effekts zu beschleunigen und die gegenüber der Tragflächenunterseite größere Strömungsgeschwindigkeit entlang der Tragflächenoberseite zusätzlich zu erhöhen, sind die Tragflächen so geformt (gewölbt), dass der Strömungsweg über die Tragflächenoberseite länger ist, als der Strömungsweg an der Unterseite. Dies ermöglicht gleichzeitig, den Anstellwinkel im Reiseflug möglichst gering zu halten und insbesondere bei Passagierflugzeugen den Reisekomfort zu erhöhen. Die Form des Tragflügels ist auch entscheidend für eine laminare bzw. turbulente Grenzschichtströmung, die über die Qualität des Auftriebs entscheidet (Verhältnis von Auftriebs- zu Widerstandskraft). Grundsätzlich erzeugt jedoch jede flache Form einen Auftrieb, sofern sie mit einem Anstellwinkel schräg zur Luftströmung gehalten wird. Beispiele hierfür sind ein Papierflieger oder die aus dem fahrenden Auto gehaltene Hand. Da die Auftriebserzeugung immer gleich funktioniert, sind Flugzeuge mit allen Flügelprofilen in der Lage, grundsätzlich auch auf dem Rücken zu fliegen. Bei Strömungsabriss endet auch der Auftrieb.
Die Größe der Auftriebskraft ist abhängig von Geschwindigkeit, Anstellwinkel und Tragflächengeometrie. Während sich die Geschwindigkeit mit der Antriebsleistung und durch Änderung der Flughöhe ändert, kann der Anstellwinkel mit dem Höhenruder verändert werden. Selbst die Tragflächengeometrie ist während des Fluges veränderbar, z. B. mit Hilfe der Landeklappen.
Die nach oben gerichtete Auftriebskraft entspricht der vertikalen Impulsänderung pro Zeiteinheit einer über der Flügelfläche angenommenen Luftmasse nach unten. Die Höhe dieser Luftmassensäule steigt aufgrund der Viskosität der Luft mit zunehmender Geschwindigkeit. Da der Luftmasse durch ihre Beschleunigung nach unten kinetische Energie zugeführt wird, lässt sich darüber die für den Auftrieb notwendige Leistung bestimmen. Diese kinetische Energie pro Zeiteinheit ergibt sich über E=mv²/2. Da der Impuls pro Zeiteinheit mit m*v konstant sein soll, ergibt sich mit steigender Reisegeschwindigkeit und damit steigender Luftsäule erstaunlicherweise ein umgekehrt proportionales Sinken der Auftriebsleistung, da der Anstellwinkel des Flügels verkleinert werden kann.
Die zur Überwindung des Luftwiderstandes des Flügels notwendige Leistung steigt allerdings mit steigender Geschwindigkeit in 3. Potenz. Somit ergibt sich für jeden Flugzeugtyp ein Optimum der Reisegeschwindigkeit, bei der die Summe beider Leistungsanteile einen minimalen Kraftstoffverbrauch über die Reisezeit ergibt. Da bei geringer Reisegeschwindigkeit eher die Auftriebsleistung dominant ist, wohingegen bei hohen Geschwindigkeit die Widerstandsleistung überwiegt, haben langsame Flugzeuge (Segler, Doppeldecker, …) eher relativ große Flügelflächen, während schnelle Flieger (Kampfjets) mit relativ kurzen Flügeln konstruiert werden.
Form
In der Frühzeit der Fliegerei waren die Tragflächengrundrisse entweder einfache Rechtecke, Ellipsen, oder in ihrer Form dem Vogelflügel nachempfunden, da zunächst das gewölbte Profil die entscheidende Verbesserung und von Bedeutung war. Zum Tragflächenprofil hat vor allem Otto Lilienthal entscheidende Beiträge geleistet. Heutige Tragflächen haben eine Vielzahl verschiedener Formen. In der Regel sind sie lang gestreckt und haben eine tropfenähnliche Form im Profil. Zum Ende hin verjüngen sie sich. Bei moderneren Verkehrsflugzeugen gehen sie in so genannte Winglets über. Durch den geringeren Luftdruck auf der Oberseite der Tragflächen strömt die Luft an deren Spitzen von unten nach oben. So entstehen Luftwirbel, die sich unter anderem in den gefürchteten Wirbelschleppen fortsetzen. Die Winglets vermindern Luftverwirbelungen an den Enden der Tragflächen, reduzieren so den Energieverlust, den die Wirbelschleppen mit sich bringen, und machen so das Flugzeug sparsamer im Verbrauch. Überschallflugzeuge, beispielsweise die Concorde, haben oft dreieckige Tragflächen oder Deltaflügel. Diese sind den beim überschallschnellen Flug auftretenden Effekten besser angepasst als der sonst üblicherweise eingesetzte Trapezflügel.
Beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit treten Verdichtungsstöße auf. Dies sind Bereiche, in denen der Druck des umgebenden Fluids, also der Luft, sprunghaft ansteigt. Einige dieser Stöße breiten sich in einer Form um das Flugzeug aus, der die Pfeilung des Flügels angepasst ist. (Je höher die gewünschte Fluggeschwindigkeit, um so stärker muss der Flügel gepfeilt sein.) Beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit tritt ein (schräger) Stoß an der Vorderkante auf. Beim Flug mit Transschallgeschwindigkeit tritt ein (senkrechter) Stoß auf der Flügeloberseite auf, hinter dem die Geschwindigkeit der Luftströmung plötzlich in den Unterschall fällt, was eine Umkehrung einiger strömungmechanischer Effekte zur Folge hat. Kombiniert man also durch eine falsche Flügelkonfiguration diese unterschiedlichen Effekte auf einem Flügel, können sich diese gegenseitig eliminieren. Man erhält eine homogene Anströmungsgeschwindigkeit auf die Vorderkante des Flügels, wenn diese der Anströmung selbst angepasst ist.
Durch die Pfeilung verringert sich diese Geschwindigkeit mit dem Kosinus des Pfeilwinkels und führt zum Verlust von Auftrieb. Nachteilig ist außerdem, dass neben dieser Normalgeschwindigkeit auch eine Tangentialkomponente auftritt, die sich entsprechend vergrößert. Diese bewirkt ein Abschwimmen der Grenzschicht zum äußeren Flügelbereich hin. Dadurch wird die Grenzschicht aufgedickt, und es kann zu einem Ablösen der Strömung an den Flügelspitzen kommen. Dies verringert die Querruderwirksamkeit.
Daneben sind noch eine Reihe weiterer Formen, zum Beispiel ringförmige Tragflächen (Ringflügel) möglich, die aber bislang nur bei Modell- und Experimentalflugzeugen verwirklicht wurden.
Insbesondere bei Flugzeugen mit Strahlantrieb ("Düsenflugzeuge") sind die Tragflächen zum Ermöglichen des Überschallflugs oft pfeilförmig nach hinten abgewinkelt. Eine Reihe von Militärflugzeugen, die in der 1960er und 1970er Jahren konstruiert wurden, können durch eine variable Geometrie die Pfeilung ihrer Tragflächen im Flug verstellen (Schwenkflügel), um sie optimal an die jeweilige Geschwindigkeit anzupassen.
Ein Forscherteam (Miklosovic/Murray/Howle/Fish) hat vor kurzem nach dem Vorbild der Vorderflossen des Buckelwals eine Flügelform im Windkanal erprobt, die an der Vorderkante gewellt ist. Dadurch konnte gegenüber einem sonst gleichen Flügel mit gerader Vorderkante der Auftrieb um bis zu 8 Prozent gesteigert und gleichzeitig der Luftwiderstand um bis zu 32 Prozent gesenkt werden. Der Anstellwinkel, bei dem es zum Strömungsabriss (Stall) kam, lag 40 Prozent höher. Der Grund für diese guten Leistungsdaten liegt in der Energieeinleitung in die Strömung durch die gewellte Vorderkante (ähnlich Vortexgeneratoren).
Anordnung
Je nach Höhe der Anbringung der Tragflächen teilt man Flugzeuge in Tiefdecker (die Tragflächen sitzen unter dem Rumpf), Mitteldecker (mittlere Höhe), Schulterdecker (bündig mit der Rumpfoberkante) und Hochdecker (Tragflächen über dem Rumpf) ein. Flugzeuge bei denen das Höhenleitwerk vor dem Flügel angeordnet ist, heißen Enten- oder Canardflugzeuge, Flugzeuge bei denen das Höhenleitwerk hinter dem Flügel angeordnet ist, heißen Drachenflugzeuge. Moderne Großraumflugzeuge sind als Tiefdecker konstruiert, wobei die beiden Flügel über einen Flügelmittelkasten mit dem Flugzeugrumpf verbunden werden.
Die meisten modernen Flugzeuge besitzen auf jeder Seite des Rumpfs eine Tragflächenhälfte. In den ersten Jahrzehnten der Fliegerei waren Doppeldecker mit jeweils zwei Tragflächen übereinander häufig, vereinzelt wurden sogar Dreidecker gebaut. Heute werden Doppeldecker nur noch für den Kunstflug gebaut. Es gibt auch Flugzeuge mit nur einer Tragfläche, ohne Leitwerk. Solche nennt man Nurflügel oder auch Schwanzlose. Flugzeuge mit zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Tragflächen (Tandemanordnung) blieben eine Rarität. Als weitere Variante gibt es noch die Boxwing Tragfläche, die bei einem Ultraleichtflugzeug verwendet wird.
Antrieb
Anders als bei den Flügeln der Tiere, die Vortrieb und Auftrieb erzeugen, liefern Tragflächen nur Auftrieb. Der Vortrieb muss von separaten Triebwerken erzeugt werden. Zu Beginn der Fliegerei wurde mit Tragflächen experimentiert, die den Flügelschlag der Vögel nachahmen und dadurch Vortrieb erzeugen sollten. Diese Konstruktionen (Schwingenflugzeuge oder auch Ornithopter) erwiesen sich jedoch für die manntragende Fliegerei als ungeeignet und wurden bisher nur im Modellflug erfolgreich verwirklicht.
Die einzige praktikable Lösung einer Kombination von Vor- und Auftrieb in der Tragfläche besteht darin, die Tragflächen um eine vertikale Achse rotieren zu lassen. In diesem Fall spricht man dann aber von einem Rotorblatt (siehe Hubschrauber).
Weitere Funktionen
Tragflächen moderner Flugzeuge erfüllen noch eine Reihe weiterer Funktionen:
- Sie enthalten große Kraftstofftanks, z.T. selbstversiegelnd
- Sie tragen eine Vielzahl von Klappen zur Steuerung, z. B. Querruder, Spoiler, Trimmruder
- Sie verfügen über Auftriebshilfen
- Durch eine elastische Bauweise sind die Tragflächen gleichzeitig die „Federung“ des Flugzeugs und fangen vertikale Kräfte wie zum Beispiel Luftwirbel ab
- Sie bilden bei vielen Großflugzeugen die Aufhängung für die Triebwerke (meistens in Gondeln darunter)
- Sie dienen bei einigen Flugzeugen mit einziehbarem Fahrwerk der Aufnahme des Fahrwerks.
- In den 40er Jahren benutzte der deutsche Flugzeughersteller Junkers die Tragflächenansätze (Flügelwurzel) zur Passagierunterbringung
Siehe auch
Literatur
- Götsch, Ernst - Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8
