Tragfläche

Tragfläche eines Airbus A319-100

Die Tragfläche (nach dem Körperteil der Vögel auch als Flügel bezeichnet) ist das Bauteil eines Flugzeugs, dessen Hauptaufgabe in der Erzeugung von Auftrieb besteht. Oft sind diverse Klappen vorhanden, zur Steuerung der Fluglage oder zur Erhöhung des Auftriebs oder des Luftwiderstands. Bei großen Flugzeugen hängen Triebwerke daran und ist Treibstoff darin untergebracht.

Funktionsprinzip

→ Hauptartikel: Dynamischer Auftrieb

Umströmung eines Tragflächenprofils

Die Funktion des Tragflügels besteht darin, durch Beeinflussung der den Flügel umströmenden Luft eine ausreichend große Kraft senkrecht zur Anströmrichtung zu erzeugen. Diese Kraft ist der Auftrieb, der das Flugzeug trägt.

Die Masse der abgelenkten Luft m_Luft pro Zeiteinheit t ist abhängig von ihrer Dichte, von der Größe (Fläche) der Tragflächen und von der Fluggeschwindigkeit: je schneller das Flugzeug fliegt, umso mehr Luft wird in derselben Zeit abgelenkt.

Die Beschleunigung der abgelenkten Luftmasse ist abhängig von der Fluggeschwindigkeit und vom Anstellwinkel der Tragfläche.

Bei konstanter Luftdichte, Tragflächengröße und gleichbleibendem Anstellwinkel ist die Auftriebskraft proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit: denn sowohl die abgelenkte Luftmasse pro Zeiteinheit als auch deren vertikale Beschleunigung wachsen proportional mit der Fluggeschwindigkeit.

Bei doppelter Fluggeschwindigkeit und ansonsten gleicher Anströmung der Luft verdoppelt sich sowohl die nach unten beschleunigte Luftmenge als auch ihre Geschwindigkeit. Das bedeutet, der Auftrieb vervierfacht sich. Um bei doppelter Geschwindigkeit die Höhe zu halten, wird, bezogen auf den Nullauftriebswinkel, etwa ein Viertel des Anstellwinkels benötigt.

Da aber die Ablenkungsgeschwindigkeit in die dafür benötigte Antriebsleistung quadratisch eingeht, ist die für die Auftriebserzeugung benötigte Leistung umgekehrt proportional zur Fluggeschwindigkeit sowie zur Größe der Tragflächen. Das bedeutet, je höher die Fluggeschwindigkeit oder je größer die Tragflächen, desto geringer die für den Auftrieb benötigte Antriebsleistung. Man kann sich diese auf den ersten Blick überraschende Tatsache durch die Vorstellung veranschaulichen, dass der durchquerte Luftstrom mit zunehmender Geschwindigkeit "härter" wird und deshalb „besser trägt“.

Der oben beschriebene Wirkmechanismus ist Teil des induzierten Widerstandes: er entzieht dem Auftrieb liefernden Strömungssystem die dafür benötigte Energie in Form von Strömungswiderstand. Dieser Teil des induzierten Widerstands lässt sich prinzipiell nicht beseitigen, da er physikalisch dem Energie- und Impulserhaltungssatz Rechnung trägt.

Eine weitere Form des induzierten Widerstands wird durch Randwirbel an den Tragflächenenden verursacht: da ein realer Tragflügel eine begrenzte Spannweite hat, lässt sich ein Druckausgleich vertikal um die Flügelenden herum nicht vermeiden. So entsteht an jeder Tragflächenspitze eine Wirbelschleppe um die Längsachse des Flugzeugs, deren kinetische Energie dem Auftrieb erzeugenden Strömungssystem entzogen wird und so ungenutzt verloren geht. Die Randwirbel lassen sich durch eine hohe Streckung ( = Verhältnis der Flügelspannweite zur mittleren Flügeltiefe) verringern, aber bei endlichen Tragflügeln prinzipiell nicht völlig ausschalten. 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, respektive die Querströmung wie „Segel“ wiederum in nutzbaren Vortrieb umlenken. Dabei ist zu beachten, dass die Gesamtwirbelstärke der Randwirbel auch durch Winglets wegen des Helmholzschen Wirbelsatzes nicht beeinflusst werden kann. Eine Verminderung der Wirbelstärke würde nach dem Satz von Kutta-Joukowski auch eine Verringerung des Gesamtauftriebes des Flugzeuges bedeuten. Winglets können jedoch durch geschickte Verlagerung der Wirbel einen Positiven Einfluss auf die Auftriebsverteilung haben und so den induzierten Widerstand senken. Weiterhin ist es möglich durch Winglets die Flugeigenschaften im unteren Geschwindigkeitsbereich positiv zu beeinflussen.

Neben dem induzierten Widerstand erhöhen weitere Formen von Strömungswiderstand den Leistungsbedarf eines Flugzeugs:

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. Auch Riblets können den Reibungswiderstand verringern.

Der Form- oder Druckwiderstand 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 minimiert werden.

Der Wellenwiderstand 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.

Der Strömungswiderstand (und damit der Leistungsbedarf zu dessen Überwindung) steigt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit. Zusammen mit dem zur Fluggeschwindigkeit umgekehrt proportionalen Leistungsbedarf für die Auftriebserzeugung ergibt sich konstruktionsabhängig für jedes Flugzeug eine bestimmte Geschwindigkeit, bei der - auf die Flugzeit bezogen - der Energiebedarf für den Horizontalflug am geringsten ist. Auf die Flugstrecke bezogen liegt das Minimum des Energieverbrauchs jedoch bei einer deutlich höheren Geschwindigkeit, da das Flugzeug dann für dieselbe Strecke weniger lange in der Luft gehalten werden muss. Die Geschwindigkeit mit dem geringsten Energieverbrauch pro Strecke nennt man Reisegeschwindigkeit.

Strömungsabriss

→ Hauptartikel: Strömungsabriss

Der zur Auftriebserzeugung erforderliche Anstellwinkel ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit: da bei höherer Geschwindigkeit im selben Zeitraum mehr Luftmasse abgelenkt wird und der Betrag der vertikalen Beschleunigung ebenfalls steigt, genügt ein geringerer Ablenkungswinkel zur Erzeugung desselben Auftriebs. Umgekehrt muss der Anstellwinkel umso 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 an der Oberseite der Tragfläche 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 (englisch) Stall. 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

Auftrieb und Bewegung der Luft

Tragfläche von unten (Airbus A310)

Das Profil einer Tragfläche ist der Querschnitt durch dieselbe in Strömungsrichtung. Die Form des Profils dient einerseits dazu, möglichst viel Auftrieb bei möglichst wenig Strömungswiderstand zu erreichen, und andererseits dazu, einen möglichst großen Anstellwinkel-Bereich ohne Strömungsabriss zu ermöglichen. Je nach Konstruktion (Einsatzzweck, Geschwindigkeitsbereich, Flächenbelastung) werden dazu unterschiedliche Profile verwendet.

Tragflächengrundriss

In der Frühzeit der Fliegerei waren die Tragflächengrundrisse in ihrer Form dem Vogelflügel nachempfunden, da zunächst das gewölbte Profil 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 verjüngen sich im Außenbereich (Zuspitzung), um eine bessere Auftriebsverteilung zu erreichen.

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 haben oft Deltaflügel, deren Vorderkanten in der Regel gerade verlaufen, im Extremfall aber auch mehrfach gekrümmt sein können, wie z. B. bei der „Ogival“-Tragfläche der Concorde.^[1] Deltaflügel 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, umso 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 in der Praxis bisher nur bei Modellflugzeugen und dem Ultraleichtflugzeug Sunny verwendet wird.

Die Flügelstellung ist grob gekennzeichnet durch die Form ihrer Stirnansicht. Sie kann gerade sein, eine mehr oder weniger stark ausgeprägte V-Stellung aufweisen oder sich als Knickflügel präsentieren.

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

1. Winglet 2. Low Speed Querruder 3. High Speed Querruder 4. Flap track Verkleidung 5. Krügerklappe 6. Vorflügel 7. innere Flaps 8. äußere Flaps 9. Spoilers 10. Luftbremse 11. Vortex Generator

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 20er Jahren benutzte der deutsche Flugzeughersteller Junkers die Tragflächenansätze (Flügelwurzel) zur Passagierunterbringung

Siehe auch

• Holm (Flügel)
• Flügelwurzel
• Kraftstoffsystem
• Channelwing
• Druckbeiwert
• Tragflächenboot

Literatur

• Andersen, D. and S. Eberhardt, How airplanes fly, Sport Aviation, February 1999^[2]
• Batchelor, G. K., An introduction to fluid mechanics, Cambridge University Press.
• Goldstein, H., Klassische Mechanik, Akademische Wissenschaften, Wiesbaden.
• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik. Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8
• Hoffren, J. Quest for an improved explanation of lift, AIAA 2001-0872.
• Weltner, K., Flugphysik, Aulis Verlag Deubner, 2001.
• Wodzinski, R., Wie erklärt man das Fliegen in der Schule? Versuch einer Analyse verschiedener Erklärungsmuster, Plus Lucis Fachdidaktik, 1999.^[3]

Weblinks

 Commons: Tragfläche – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Tragfläche – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Allgemeinverständliche Erklärung
• Wie erklärt man das Fliegen in der Schule? Versuch einer Analyse verschiedener Erklärungsmuster von Rita Wodzinski (Acrobat PDF; 288 kB)
• A Physical Description of Flight von D. Andersen und S. Eberhardt
• Beginner's Guide to Aerodynamics der NASA. Hier gibt's u.a. einen Computer-Windkanal, in dem man die Hauptparameter eines Profils verändern und die Auswirkungen auf Strömungsfeld und Kräfte beobachten kann.
• Prof. Weltner, Uni Frankfurt. 2 Artikel zu Auftrieb und Bernoulli

Einzelnachweise

1. ↑ Ausführliche Beschreibung der Concorde-Tragflächenkonstruktion
2. ↑ How airplanes fly
3. ↑ Wie erklärt man das Fliegen in der Schule?