Auftriebshilfe

Voll ausgefahrene Slats und Flaps (Landeklappen) eines Airbus A310

Lande- und Störklappendetails eines Airbus A330

Eine Auftriebshilfe ist eine Vorrichtung an einer Tragfläche eines Flugzeuges, die dazu dient, in bestimmten Flugsituationen den Auftriebsbeiwert der Tragflächen zu vergrößern, wodurch das Flugzeug bereits bei geringeren Geschwindigkeiten flugfähig ist. Zudem bewirkt sie eine in der Landephase benötigte Erhöhung des Luftwiderstands.

Geschichte

Das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit im Reiseflug und der Start- bzw. Landegeschwindigkeit war in der frühen Zivilluftfahrt relativ gering, sodass keine Auftriebshilfen vonnöten waren. Es wurden aber teilweise schon einfache Konstruktionen von Klappensystemen verwendet, um beispielsweise die Sicht bei der Landung zu verbessern, oder auch, um den Gleitpfad besser kontrollieren zu können. Da Luftfahrzeuge immer schneller wurden, erhöhte sich natürlich das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit im Reiseflug und der Start- und Landegeschwindigkeit. Dadurch wurden Auftriebshilfen notwendig. Auch die Einführung von Strahltriebwerken verlangte sehr hohe Reisefluggeschwindigkeiten, um diese optimal zu betreiben. Da die Tragflächenkonstruktion bei Flugzeugen mit hohen Reisefluggeschwindigkeiten als Pfeilflügel mit hoher Flächenbelastung ausgelegt ist, erzeugen diese bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten nicht genug Auftrieb. Somit wären sehr hohe Anfluggeschwindigkeiten die Folge. Diese Situation macht es nötig, Auftriebshilfen zu benutzen, um in jeder Flugphase einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.

Einsatz

Boeing 747 mit ausgefahrenen Krügerklappen (innen ungeschlitzt, außen geschlitzte Ausführung) und Dreifachschlitz-Fowlerklappen

Auftriebshilfen werden insbesondere bei Start und Landung, seltener auch im Steigflug und beim Manövrieren eines Flugzeugs benutzt. Nur in seltenen Fällen (siehe Douglas DC-8) werden sie auch während des Reisefluges eingesetzt. Ziel der Anwendung von Auftriebshilfen ist, vor allem während des Startvorgangs den Auftrieb zu erhöhen, um eine Verkürzung der erforderlichen Startbahnlänge zu erreichen. Nachteile sind dabei ein reduzierter Steigwinkel, da der Luftwiderstand leicht erhöht wird. Während der Landephase werden im Sinkflug Auftriebshilfen zur Reduzierung der Landegeschwindigkeit benutzt, um die erforderliche Landebahnlänge zu reduzieren und um zur Erzielung des notwendigen Gleitwinkels den Luftwiderstand erheblich zu erhöhen.

Der zulässige Geschwindigkeitsbereich mit ausgefahrenen Klappen ist auf dem Fahrtmesser mit einem weißen Bogen gekennzeichnet.

Arten von Auftriebshilfen

Auftriebshilfen unterscheiden sich in ihrem Aufbau und der Position an der Tragfläche. Auftriebshilfen wirken entweder auf die Flügelwölbung, die Flügelfläche, auf die Grenzschicht der Luftströmung um eine Tragfläche oder durch Umlenkung des Triebwerksstrahls.

Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten von Auftriebshilfen unterschieden:

• Tragflächenhinterkantenklappen
• Tragflächenvorderkantenklappen

Auftriebshilfen an der Flügelvorderkante

Krügerklappe

Schema der Krügerklappe

Die Krügerklappe ist eine relativ einfache Einrichtung, die sowohl die Flügelwölbung als auch die Flügelfläche verändert, sodass die Strömungsabrissgeschwindigkeit verringert und zugleich der Auftriebsbeiwert erhöht wird. Hierbei wird zwischen einer einfachen Krügerklappe (Krüger Flap) und einer Krügerklappe mit Spalt (Vented Krüger Flap) unterschieden.

Vorflügel

Schema eines Vorflügels

Der Vorflügel (engl. slat) ist ein ausfahrbarer oder starrer kleiner Flügel, der sich an der Vorderkante der Tragfläche befindet. Durch den Spalt zwischen Vor- und Hauptflügel kann Luft von der Unterseite auf die Oberseite des Flügels strömen, dadurch wird ein Strömungsabriss bei hohen Anstellwinkeln verhindert. Ist er beweglich ausgeführt, vergrößert sich gleichzeitig die wirksame Flügelfläche. Einige Flugzeuge verfügen über Vorflügel, die sich aufgrund der auf sie wirkenden aerodynamischen Kräfte selbsttätig ein- und ausfahren, wie es die Situation erfordert (z. B. Messerschmitt Bf 108 oder Morane MS 880 Rallye). Es gibt zwei Arten von Vorflügeln. Der erste ist ein Vorflügel mit Spalt (Slat) und die zweite Art ein Vorflügel ohne Spalt (sealed Slat)

Kippnase

Prinzip der Kippnase

Bei der Kippnase (engl. Droop Leading Edge Flap oder Droop Nose) wird die komplette Flügelnase nach unten abgewinkelt. Dadurch erhöht sich die Flügelwölbung, z. B. Northrop F-5. Beim Airbus A380 wurde dieser Ansatz als sog. Droop-Nose Device am Innenflügel realisiert, während der Außenflügel mit gewöhnlichen Slats ausgestattet wurde. Ein Ausfahren der Droop-Nose Devices verringert den Luftwiderstand, während er beim Ausfahren der Slats erhöht wird.

Auftriebshilfen an der Flügelhinterkante

Diese Auftriebshilfen werden umgangssprachlich als Landeklappen bezeichnet, obwohl sie auch beim Start eingesetzt werden. Fachsprachlich heißen sie zusammenfassend einfach Klappen (engl. flap, Plural flaps).

Wölbklappe

Prinzip der einfachen Landeklappe (Wölbklappe)

Eine Wölbklappe (engl. Plain Flap) ist die einfachste Form der Auftriebshilfe. Es ist eine schwenkbare Verlängerung am hinteren Ende der Tragfläche. Bei Segelflugzeugen werden die Gleiteigenschaften durch optimale Einstellung der Wölbklappe zwischen der positiven Landestellung und der negativen Schnellflugstellung optimiert. Die Querruder können mit den Wölbklappen gekoppelt sein und sind in diesem Fall in die Wölbung mit einbezogen. Durch Vergrößerung der Wölbung werden der Auftrieb aber auch der Widerstand erhöht. Beim Schnellflug wird die Wölbung auf Null Grad, unter Umständen sogar auf eine negative Stellung (−8°) zurückgenommen und damit der Widerstand verringert. Als Landehilfe wird die Wölbklappe steil (bis 90°) nach unten ausgefahren. Das hat einen höheren Auftrieb und durch vergrößerte Anblasfläche eine starke Fahrtminderung zur Folge. Der Gleitwinkel wird schlecht. Bei Kunstflugzeugen können die Klappen gegensinnig mit dem Höhenruder ausgeschlagen werden (z. B. die Gegenklappen des Hirth Acrostar), bei Segelkunstflugzeugen wurden sie sogar schon vollständig automatisch angesteuert. Klappen werden normalerweise an beiden Tragflächen im gleichen Winkel ausgefahren. Wenn sie jedoch mit dem Querruder (engl. aileron) gekoppelt sind, spricht man vom Flaperon, wie etwa bei der F-16 Fighting Falcon verwendet. Bei einigen Flugzeugen werden beim Ausfahren der Klappen auch die Querruder gleichsinnig abgesenkt (z. B. Dornier Do 27, Messerschmitt Bf 109E oder McDonnell Douglas F/A-18).

Spaltklappe

Spaltklappe

Die Spaltklappe (engl. slotted Flap) wird wie die Wölbklappe nach unten geklappt. Gleichzeitig gibt diese Bewegung jedoch einen Luftspalt frei, der Luft auf die Oberseite des Tragflügels strömen lässt und so einen Strömungsabriss verhindert. Spaltklappen können so aufgebaut sein, dass sie bis zu drei Spalten freigeben.

Fowlerklappe

Fowlerklappe

Bei der Fowlerklappe handelt es sich um eine Klappe, die unterhalb der Tragflügelhinterkante nach hinten gefahren und angestellt wird. Dadurch wird wie bei der Spaltklappe ein Luftspalt zwischen Oberseite des Flügels und Unterseite frei, zusätzlich zur Tragflächenwölbung vergrößert sich auch die Flügelfläche. Als sogenannte Einspaltklappe sind sie z. B. an allen Airbus-Flugzeugen (außer der A321 und der neuen A400M), so auch der A380, vertreten. Die A321 besitzt ein Doppelspalt-Hochauftriebssystem. Auch sind Fowlerklappen so ausgeführt worden, dass sie bis zu drei Spalte freigeben (auch Fowler-System genannt). Sie werden z. B. eingesetzt an den Boeing-Modellen B727, B737 und B747 sowie Tupolew Tu-154B.

Spreizklappe

Spreizklappe

Bei der Spreizklappe (engl. Split Flap) wird ein Teil des hinteren Flügelunterteils nach unten geklappt. Beispiele: Focke-Wulf Fw 190, Supermarine Spitfire, Mitsubishi A6M. Die Spreizklappe ist eine Sonderform der Wölbklappe, die im Grundsatz nur dem Motorflug vorbehalten ist. Die Profiloberseite bleibt bei ihrer Betätigung unverändert.

Zapklappe

Die Zapklappe ist eine Spreizklappe, deren Vorderkante bei Auslenkung nach hinten gefahren wird. Sie wird etwa bei der Lockheed C-130 verwendet.

Junkers-Doppelflügel

Prinzip des Junkers-Doppelflügels

Beim Junkers-Doppelflügel ist die Klappe als eigener kleiner Flügel hinter dem eigentlichen Tragflügel ausgeführt. Junkers-Doppelflügel können nicht nur als Auftriebshilfen, sondern auch als Steuerflächen (Querruder) eingesetzt werden (z. B. Junkers Ju 52/3m). Da sie konstruktionsbedingt auch in der Flugstellung einen Luftspalt aufweisen, vergrößern sie den Luftwiderstand der gesamten Konstruktion, verbessern aber andererseits das Langsamflugverhalten.

Triebwerksgestützte Hochauftriebssysteme

Durch eine Beeinflussung der Grenzschicht auf einem Tragflügel kann die Abreißgeschwindigkeit verringert und der maximale Anstellwinkel vergrößert werden. Dabei wird entweder ein Teil der Luftströmung auf der Flügelfläche abgesaugt oder durch ein Gebläse Luft auf die Tragflächenoberseite eingeblasen. Mit dem Absaugen können instabile Geschwindigkeitsprofile stabilisiert werden und somit die Gefahr von Ablöseerscheinungen reduziert werden. Die Grenzschicht wird dazu vor der Ablösestelle abgesaugt, so dass sich eine neue energiereichere Grenzschicht ausbilden kann. Das Problem liegt hierbei in der Zunahme des Reibungswiderstandes. Durch Ausblasen wird der Grenzschicht Energie zugeführt. Durch die energiereichere Grenzschicht an der Vorderkante zum Beispiel können höhere Anstellwinkel geflogen werden. Bei der Ausblasung an der Hinterkante wird die Gefahr von Ablöseerscheinungen reduziert, sie wirkt ähnlich wie eine Hinterkantenklappe.

Steuerung und Antrieb

Auftriebshilfen an der Flügelvorderkante arbeiten zum Teil automatisch in Abhängigkeit vom Anstellwinkel und der Fluggeschwindigkeit. Sonstige Auftriebshilfen werden vom Piloten oder der Fly-by-wire-Steuerung gezielt eingesetzt oder sind zwingender Teil des Landeverfahrens. Der Antrieb von Landeklappen erfolgt meist manuell, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch.

Oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit können Landeklappen typischerweise nicht mehr ausgefahren werden, weil der Stellantrieb nicht reicht, die aerodynamischen Kräfte zu überwinden. Bei noch höheren Geschwindigkeiten, die auch vom augenblicklichen Ausfahrwinkel der Landeklappen abhängen, drohen sogar Beschädigungen der Klappen. Einige Flugzeuge verfügen daher über Landeklappen, die durch die aerodynamischen Kräfte bei zunehmender Geschwindigkeit automatisch eingefahren werden (z. B. Grumman F4F).

Anstellwinkel und Auftriebsschwerpunkt

Mit ausgefahrenen Landeklappen erhöht sich der Anstellwinkel α (Angle of Attack, AoA) des Flügels gegenüber dem eingefahrenen Zustand (flaps up). Dieses bewirkt zusammen mit der erhöhten Flügeltiefe eine deutliche Vergrößerung des Auftriebs.

Auftriebsschwerpunkt – bei eingefahrenen Klappen

nach hinten gewanderter Auftriebsschwerpunkt – bei ausgefahrenen Klappen

Der Auftriebsschwerpunkt (center of lift) verschiebt sich bei ausgefahrenen Klappen nach hinten. Das Flugzeug wird dadurch kopflastig und muss deshalb (bei vielen Flugzeugen) nachgetrimmt werden (hecklastig trimmen).

Auftrieb und Luftwiderstand

Beim stufenweisen Ausfahren der Landeklappen erhöhen sich Auftrieb und Luftwiderstand des Flügels. Das geschieht jedoch nicht linear für beide Werte. Während sich bei leicht ausgefahrenen Klappen (die ersten Klappenstellungen, die ersten 50 % beim Ausfahren) besonders der aerodynamische Auftrieb erhöht und der Luftwiderstand nur minimal ansteigt, nimmt bei stark ausgefahrenen Klappen (die letzten Klappenstellungen, die letzten 50 % beim Ausfahren) der Auftrieb nur noch minimal zu, während der Luftwiderstand sehr stark zunimmt.

Deshalb werden für den Start und den Anflug die Klappen für die Auftriebserhöhung nur gering ausgefahren, während für den Endanflug die Klappen zwecks starker Erhöhung des Luftwiderstandes voll ausgefahren werden. Die Landung mit voll ausgefahrenen Klappen ermöglicht einen steileren Anflug, eine schnellere Reduzierung der Fluggeschwindigkeit (ein großes Flugzeug mit einigen hundert Tonnen träger Masse reduziert die Fluggeschwindigkeit nur sehr langsam) und eine kürzere Ausrollstrecke.

Siehe auch

• STOL
• Flettner-Klappe
• Adaptiver Flügel
• Alula – Auftriebshilfe bei Vögeln

Literatur

• Lexikon der Luftfahrt, Transpress, ISBN 3-344-70711-6
• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8
• Der Segelflugzeugführer Band 7, Schiffmann Verlag, Bergisch Gladbach 1997, ISBN 3-921270-18-9

Weblinks

• Hochauftriebssysteme – von der Flugzeugkonfiguration zur Systementwicklung (A340) (PDF-Datei; 2,96 MB)