Winglet

Blended Winglet an einer Boeing 737-800

Wingtip an einem Airbus A 380

Winglets bzw. Sharklets oder Wingtips (Bezeichnungen für zwei spezielle Winglettypen bei Airbus) sind die an den Enden der Tragflächen von starrflügligen Luftfahrzeugen angebrachten Anbauten, die den am Flügel entstehenden Auftrieb vergrößern. Bei motorgetriebenen Luftfahrzeugen senkt dies den Treibstoffverbrauch; Winglets an den Flügelenden von Segelflugzeugen oder Hängegleitern verbessern den Gleitwinkel und die Seitenstabilität.

Funktion

Drei C-17-Transporter mit Winglets

Winglets erhöhen die Streckung einer Tragfläche, ohne die Spannweite zu vergrößern. Dies bringt

• Verbesserungen beim Bodenhandling,
• bessere Stabilität um die Hochachse und
• weniger induzierten Widerstand bei hohen Auftriebswerten.

Entlang eines Tragflügelprofils bilden sich im Allgemeinen Wirbel, aus denen gefährliche Wirbelschleppen entstehen können, da Luft von der Unterseite der Tragflächen, wo Überdruck vorliegt, um die Tragflächenenden herum nach oben strömt, wo Unterdruck herrscht. Die Wirbel sind bei positiver Tragflächenpfeilung an der Flügelspitze am stärksten und rollen sich (je nach Flugzustand) zu einem Randwirbel auf. Die Wirbel induzieren am Ort des Flügels eine Abwärtsgeschwindigkeitskomponente, wodurch ein induzierter Luftwiderstand entsteht. Winglets reduzieren nun den Einfluss dieser Wirbel, indem sie den Randwirbel zerteilen (ein Teil geht am Flügel-Winglet-Übergang ab, ein Teil an der Wingletspitze) und durch ihre Profilgebung nach außen ablenken. Die Gesamtstärke der Wirbel bleibt dabei gleich.

Zusätzlich senken Winglets die Abrissgeschwindigkeitsgrenze, also die Geschwindigkeit, die mindestens vorhanden sein muss, um einen für das Flugzeug nutzbaren Auftrieb an der Tragfläche zu erzeugen.

Winglets müssen für jeden Flugzeugtyp unter Berücksichtigung der Flügelfläche und der voraussichtlichen Fluggeschwindigkeiten angepasst werden. Zum Beispiel entwickelt die zusätzliche umströmte Fläche bei hohen Geschwindigkeiten mehr zusätzlichen Reibungs- und Druckwiderstand, als sie an induziertem Luftwiderstand einspart.

Andererseits führen Winglets zu einem nicht unerheblichen Anstieg der Flugzeug-Leermasse. Zusammen mit den Kosten, die für die Installation entstehen, lohnt sich ein Anbau daher erst bei entsprechend hohen Treibstoffpreisen.

Laut Boeing kann durch den Einsatz von Winglets der Kraftstoffverbrauch um drei bis fünf Prozent gesenkt werden.^[1] Die bislang größten Winglets finden sich mit 3,45 Metern Höhe bei der Boeing 767-300ER. Die Wingtips des Airbus A380-800 haben eine Höhe von 2,30 Meter.

Die Beschädigung oder der Verlust/die Demontage einzelner Winglets können prinzipiell über Trimmung kompensiert werden.

Geschichte

„Natürliche Winglets“ beim Kondor

1979 erprobte die NASA Winglets an einer KC-135A

Obgleich von stark vereinfachter Geometrie, sind Winglets den Flügelspitzen der Vögel nachempfunden. Lange Schwungfedern, die fächerförming und in der Höhe gestaffelt gespreizt werden, sorgen bei Vögeln für bessere aerodynamische Eigenschaften. Louis B.Gratzer nannte diese nach oben gebogenen Enden dann Winglets. Er war Aerodynamik-Chef bei Boeing, untersuchte die Aerodynamik der Flügel bei Vögeln und bemerkte die Ähnlichkeiten (siehe auch "Bionik").

Winglets sind keine moderne Erfindung. Die Grundidee der Winglets wurde sogar schon 1897 von Frederick W. Lanchester zum Patent angemeldet; es gab vor dem Zweiten Weltkrieg Fluggeräte mit wingletartigen Flügelendstücken. Im Zweiten Weltkrieg fanden sie erstmals unter der Bezeichnung „Henschelohren“ in der Serie Verwendung (Heinkel He 162), wo sie entgegen der heute üblichen Bauweise nach unten abgeknickt waren.

Die Ölkrise zu Beginn der 1970er Jahre bewegte die NASA, sich dieser alten Patente wieder anzunehmen und sie zu verbessern.

Im Passagierflugzeugbau eingeführt wurden die Winglets von Airbus bei der A310-300 in Form kleiner Flügelendscheiben (so genannter „Wingtip Fences“).^[2] Im Gegensatz zu diesen ursprünglichen Endscheiben an den Flügeln besitzen heutige Winglets häufig spezielle Profile, was gewünschte Effekte deutlich verbessern kann. Bei den Flügelspitzen der A380 wurde jedoch wiederum auf Wingtip Fences ähnlich denen der A310-300 zurückgegriffen, da neuere Winglet-Entwürfe die Spannweite auf ein für Verkehrsflughäfen nicht geeignetes Maß vergrößert hätten.

Um 1980 begannen einige Hersteller von Hängegleitern, diese mit Winglets auszustatten^[3]. Ein Hersteller testete sogar "Wings mit aufgefiederten Schwingen"^[4]

Ausführungen

Winglet am Ende der Tragfläche eines Airbus A340-600

Tragfläche einer Boeing 747-400 mit „klassischem“ (eckigem) Winglet

Überflug einer 747-8F, die Raked Wingtips sind gut zu sehen

Wingtip eines Airbus A319

Es gibt verschiedene Winglet-Ausführungen und -Konstruktionen, die im Folgenden in einer Übersicht mit Beispielen dargestellt werden.

• Klassische Winglets (eckig, schräg nach oben ausgerichtet). Beispiele:
  • Airbus A330/A340, Boeing 727-200 (nachrüstbar) und Boeing 747-400, Bombardier Canadair Regional Jet, Embraer E-Jets, Iljuschin Il-96 sowie Tupolew Tu-204/Tu-214 und Tu-334

• Blended Winglets (mit fließendem Übergang vom Flügel zum Winglet). Beispiele:
  • Boeing 737NG (nicht verfügbar für 737-600, außer bei der 737-900ER nicht serienmäßig), BBJ. Mittlerweile auch nachrüstbar bei Boeing 757, Boeing 737-300, Boeing 737-500 und 767. Airbus benennt seit Ende 2009 seine neu entwickelten Winglets für die A320-Familie als Sharklets wegen der an Haiflossen erinnernden Form.^[5]

• Wingtip Fences (meist etwas kleinere Winglets, senkrecht nach oben und unten ausgerichtet). Beispiele:
  • Airbus A300-600R, A310-300, A320-Familie, A380; Airbus führt diese Wingtip Fences in etwa symmetrisch aus, d. h. sie sind zu gleichen Teilen nach oben und nach unten ausgerichtet. Für die A320-Familie wurden im Jahr 2006 auch normale und blended Winglets im Flugversuch erprobt, jedoch wegen eines im Verhältnis zum zusätzlichen Gewicht der Winglets zu geringen Effizienzgewinns nicht in die Serienproduktion übernommen.

• Raked Wingtips (streng genommen keine Winglets, sondern speziell gepfeilte, verlängerte Flügelspitzen). Beispiele:
  • Boeing 767-400, 777-200LR, 777-300ER, 747-8, 787-8, 787-9 und 737-800 P8-A

• Spiroids (schlaufenförmige Tragflächenenden). Bisher wurde diese Winglet-Form auf einigen Versuchsträgern untersucht. Spiroids sollen eine weitere Kraftstoffeinsparung um 10 % bewirken können.

• Mischformen
  • Airbus A350XWB; dieser Typ soll nach aktuellen Planungen eine Mischform aus blended Winglets und raked Wingtips erhalten, d. h. speziell geformte, hochgestellte Flügelspitzen, die jedoch gegenüber dem Rest des Flügels nicht so stark angewinkelt sind wie andere Winglet-Formen
  • McDonnell Douglas MD-11; dieser Typ verfügt über ein großes, nach schräg-oben ausgerichtetes Winglet, das durch ein kleines, nach schräg-unten ausgerichtetes Winglet ergänzt wird

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  Die Stellung der Winglets der MD-11 ist in diesem Modell sichtbar

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  Die Winglets sind bei dieser MD-11 gut sichtbar

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  Der obere Teil eines MD-11 Winglets

Andere Anwendungen

Winglet am Rotorflügel einer Windkraftanlage

Im Jahr 2005 fanden Winglets erstmals beim Team McLaren-Mercedes auch Einzug in die Formel 1, da diese den Luftstrom besser zum Heckflügel leiten. Damals verwendeten McLaren-Mercedes und BMW-Sauber diese Winglets und bei vielen anderen Teams waren Abwandlungen zu erkennen.

Es finden sich Winglets auch an Rotorflügeln mancher Windkraftanlagen.

Unterschallmilitärflugzeuge können wie Passagierflugzeuge von Winglets profitieren, weshalb manche neuere Typen mit ihnen ab Werk ausgerüstet wurden. Überschallschnelle Flugzeuge wie Düsenjäger verwenden allerdings keine Winglets.

Literatur

• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Aerodynamik des Flugzeugs 1 (Klassiker der Technik). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3540673741.
• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Aerodynamik des Flugzeugs 2 (Klassiker der Technik). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 354067375X.

Einzelnachweise

1. ↑ NEUE WINGLETS FÜR BOEING 737-800: 3–5 % WENIGER KRAFTSTOFF BEDEUTEN ENTLASTUNG FÜR DIE UMWELT
2. ↑ Helmut Kreuzer: Jettliner, von der Comet zum Airbus A 321. Air Gallery Verlag, Ratingen 1991, ISBN 3-9802101-4-6.
3. ↑ Z. B. Jos Guggenmos aus Kempten im Allgäu das Modell "Wings"
4. ↑ [1]
5. ↑ Info auf airbus.com, abgerufen am 9. Februar 2010]

Weblinks

 Commons: Winglets – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• b737.org.uk Skizze des Luftstroms mit und ohne Winglets
• mandhsoaring.com (PDF) sehr detaillierte Erklärung (englisch; 136 KB)
• Verminderung des induzierten Strömungswiderstandes nach dem Vorbild der Natur
• Active Winglets as Multi-Axis Effectors Why a Morphing Aircraft and What is it? University of Bristol.