Tragfläche

Flügel

Die größte Auswirkung auf den Auftrieb ist der Anstellwinkel der Flügel. Der Luftpartikel trifft auf den Boden des Flügels und drückt ihn nach oben. Wenn sich nun ein Flügel vorwärts bewegt, teilt das Profil den Luftstrom in einen unteren und einen oberen Teil.

mw-headline" id="Funktionsprinzip">Funktionsprinzip[Bearbeiten | < Quelltext bearbeiten]

Das Tragflächensystem, auch Tragfläche oder für Wasser-Hydrofoil, ist Bestandteil eines Fahrzeuges, dessen wichtigste Aufgabe die Generierung eines dynamischen Auftriebs ist. Das Profil hat die Aufgabe, eine hinreichend große Krafteinwirkung quer zur Strömungsrichtung zu erzeugen, indem es die Strömung um das Profil herum beeinflusst. Dies ist der Lift, der ein Fluggerät in der Höhe halten oder ein Tragflügelboot (oder Segelschiff, Surfbrett, Wakeboard oder Kiteboard) aus dem Meer herausheben kann.

In der Regel sind die Flügel in Luftfahrzeugen mit Wölbklappen versehen, mit denen die Einstellung von Flugzeuglage, Lift oder Widerstand beeinflußt werden kann. Im Falle von Großflugzeugen sind die Triebwerke in der Regel daran befestigt, und auch die Kraftstofftanks sind in den Flügeln angeordnet. Die Entfernung zwischen der linken und rechten Flügelspitze wird als Spanne bezeichnet. Die Spanne wird als Spanne zwischen der linken und der rechten Flügelspitze definiert. Je höher die Geschwindigkeit, desto mehr wird gleichzeitig auch die Luftmenge ausgelenkt. Die Menge der umgeleiteten Luftmassen mLuft{\displaystyle m_{\text{Luft}}} pro zeitlicher Einheit t{\displaystyle t} hängt von der Raumdichte, der Flächengröße der Flügel und der Fluchtgeschwindigkeit ab: Je höher die Geschwindigkeit des Flugzeugs, desto mehr Luftmassen werden in derselben Zeit umgeleitet.

Das Beschleunigen der umgeleiteten Luftmassen ist von der Fahrgeschwindigkeit und dem Angriffswinkel des Flügels beeinflusst. Durch die konstante Flugdichte, Flügelgröße und Angriffswinkel ist die Auftriebskraft proportional zum Quadrat der Fahrgeschwindigkeit: Sowohl die umgekehrte Flugmasse pro ZE nimmt mit der Fahrgeschwindigkeit zu, als auch ihre Vertikalbeschleunigung. Wird die Luftgeschwindigkeit und der Luftstrom sonst gleich groß, wird sowohl die nach unten gerichtete Luftmenge als auch die Luftgeschwindigkeit doppelt so stark beschleunigt.

Dadurch hat sich der Schwimmfähigkeiten um das Vierfache erhöht. Weil die Ablenkgeschwindigkeit jedoch genau der erforderlichen Antriebskraft entspricht, ist die zur Erzeugung des Auftriebs erforderliche Kraft entgegengesetzt zur Luftgeschwindigkeit und zur Flügelgrößeproportion. Je schneller oder grösser die Flügel, umso niedriger ist die für den Lift erforderliche Auftriebsleistung.

Dies ist jedoch kleiner als die für den gesamten Flugeinsatz erforderliche Leistung, s. u.). Die oben beschriebenen Wirkungsmechanismen sind Teil des Induktiven Luftwiderstands: Sie entziehen dem Fliesssystem, das den Lift in Gestalt des Strömungswiderstandes versorgt, die erforderliche Zeit. Ein weiterer induzierter Luftwiderstand wird durch Kantenwirbel an den Flügelenden verursacht: Hier findet ein Luftdruckausgleich zwischen überdruck unter dem Flügel und über dem Flügel auftritt.

Die Bewegungsenergie dieses Wirbels wird dem auftriebserzeugenden Fliesssystem entnommen und geht somit brach. Der Kantenwirbel kann durch ein hohes Streckungsverhältnis (= Verhätnis von Flügelspannweite zu mittlerer Flügeltiefe) reduziert werden, kann aber bei finiten Flügeln nicht vollständig beseitigt werden.

Außerdem tragen Flügelenden von modernen Flugzeugen dazu bei, diesen Widerstand zu reduzieren, indem sie den Ausgleich des Drucks über die gesamte Flugbahn (und damit die Wirbelbildung) hinweg verhindern. Allerdings können Flügelspitzen durch geschicktes Verschieben der Verwirbelungen die Liftverteilung positiv beeinflussen und so den eingeleiteten Luftwiderstand reduzieren. Zusätzlich zum Induktionsluftwiderstand steigern andere Strömungswiderstände den Energiebedarf eines Flugzeugs: Der Reifenwiderstand an der Flügeloberfläche blockiert das Fluggerät, indem er kinetische Energie in der Begrenzungsschicht in thermische Energie umwandelt.

Bei Stromwandel in Turbulenzen - meist an der Flügelhinterkante, aber auch z.B. an den Klappen- und Querruderrändern usw. - wird ein Bremssog erzeugt, der dem Strömungsquerschnitt des Stalls nachkommt. Durch eine vernünftige Auswahl und schonende Gestaltung des Flügelprofils kann der Gestaltwiderstand reduziert werden.

Die Strömungswiderstände (und damit die zur Bewältigung erforderliche Leistung) nehmen mit dem Vierkant der Fahrgeschwindigkeit zu. Dies führt zusammen mit dem entgegengesetzt zur Luftgeschwindigkeit proportionalen Kraftbedarf zur Erzeugung des Auftriebs zu einer bestimmten designabhängigen Drehzahl für jedes Fluggerät, bei dem der Energieverbrauch für den horizontalen Flug im Verhältnis zur Laufzeit am niedrigsten ist.

Der minimale Energiebedarf auf der Route ist jedoch wesentlich höher, da das Fluggerät dann für die gleiche Route weniger Zeit in der Schwebe bleiben muss. Dabei wird die Drehzahl mit dem niedrigsten Energiebedarf pro Entfernung als Fahrtgeschwindigkeit bezeichnet. Die zur Erzeugung des Auftriebs erforderlichen Anstiegswinkel nehmen bei geringen Drehzahlen zu:

Weil im gleichen Zeitabschnitt bei höheren Geschwindigkeiten mehr Luftmasse umgeleitet wird und auch die Vertikalbeschleunigung zunimmt, reicht ein kleinerer Umlenkwinkel aus, um den gleichen Hub zu erzeugen. Je länger das Fluggerät hingegen flog, desto mehr muss der Angriffswinkel vergrößert werden. Durch den Coand?-Effekt auf der Flügeloberseite kann nur bis zu einem gewissen Anströmwinkel sichergestellt werden, abhängig von der Form des Profils, der Oberflächengüte und der Reynoldszahl, die normalerweise 15-20° beträgt.

Dadurch kommt es zu einer drastischen Zunahme des Formwiderstandes, zugleich kollabiert der größte Teil des Auftriebes, da das Anforderungsprofil in diesem Strömungsstatus den Luftstrom an der Flügeloberseite nicht mehr wirksam umlenken kann, sondern ihn im Grunde nur noch wirbelt. Als Stallgeschwindigkeit wird die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der die Stromstärke aufgrund des erhöhten Anstiegswinkels abbricht; der daraus resultierende Zustand, in dem das Fluggerät durchschleicht und nur sehr begrenzt gesteuert werden kann, ist der Sackflug.

Damit ist die Stallgeschwindigkeit die geringste Geschwindikeit, mit der sich ein Fluggerät gerade noch in der Schwebe hält; sie ist konstruktionsbedingt und liegt in der Realität zwischen ca. 20 km/h (Gleitschirm) und ca. 300 km/h (Schnellstrahlgerät ohne betätigte Landehilfen). Wie schnell ein Fluggerät abstürzt, hängt von seinem Eigengewicht und seinem Lastmultiplikator ab, d.h. von der Zusatzbeschleunigung, die z.B. bei Kurvenfahrten auftritt.

Allerdings ist die angegebene Luftgeschwindigkeit gleich, da die Mechanik in gleicher Weise auch von der Luftmenge beeinflußt wird. Die Profilierung eines Flügels ist der durch ihn hindurch gehende Schnitt in Durchflussrichtung. Durch die Profilform wird zum einen ein größtmöglicher Hub bei minimalem Strömungsmittelwiderstand erreicht und zum anderen ein größtmöglicher Anstellwinkelbereich ermöglicht, ohne die Strömung zu blockieren.

Die Flügelebenen orientierten sich in den ersten Tagen des Fliegens in ihrer Gestalt an der des Vogelflügels, da das Bogenprofil zunächst wichtig war. Otto Lilienthal (Krümmung) und Hugo Junkers (Profildicke) haben entscheidend zum Flügelprofil beigetragen. Die heutigen Flügel haben eine Vielfalt an verschiedenen Gestalten. Sie sind in der Regelfall länglich und verjüngt sich im äußeren Bereich (Apex), um eine verbesserte Hubverteilung und damit einen niedrigeren Induktionsluftwiderstand zu erzielen.

Aufgrund des niedrigeren Luftdrucks auf der Flügeloberseite fließt die Druckluft an ihren Enden von unten aufwärts. Mit den Flügeln wird die Streuung der Kantenwirbel verbessert, wodurch der durch Nachlaufwirbel verursachte Wärmeverlust reduziert und das Fluggerät treibstoffeffizienter wird. Im Gegensatz zu dem, was oft vermutet wird, kann die Festigkeit der Wirbel nicht mit gleichbleibender Drehzahl verändert werden, da sie in direktem Zusammenhang mit der Bildung von Lift steht.

Dabei handelt es sich um Gebiete, in denen der Luftdruck des umgebendes Fluid, d.h. der Raumluft, abrupt zunimmt. Ein Teil dieser Schläge verteilt sich in einer Art und Weise um die Ebene, an die der Pfeil der Tragfläche angepaßt ist. Je größer die angestrebte Luftgeschwindigkeit, desto größer muss der Schirm sein.) Bei Flügen mit transsonischer Strömungsgeschwindigkeit tritt ein (vertikaler) Aufprall auf die Oberseite des Flugzeugs auf, hinter dem die Strömungsgeschwindigkeit schlagartig in Trittschall umkippt. Dies führt zu einer Umlenkung einiger strömungsmechanischer Einflüsse.

Der Pfeil vermindert diese Drehzahl mit dem Cosinus des Pfeifenwinkels und bewirkt einen Auftriebsverlust. Darüber hinaus sind eine Vielzahl anderer Gestaltungsformen möglich, wie z.B. ringgeformte Flügel (Ringflügel), die bisher nur in Modell- und Versuchsflugzeugen realisiert wurden. Vor allem bei Düsenflugzeugen ("Jet-Flugzeuge") sind die Flügel oft in Pfeilform nach rückwärts geneigt, um Überschallflüge zu realisieren.

Einige in den 1960er und 1970er Jahren konstruierte Militärflugzeuge können mit variabler geometrischer Form die Schwingung ihrer Flügel im Flugeinsatz anpassen (Schwenkflügel), um sie der jeweiligen Fluggeschwindigkeit bestmöglich anpassen zu können. Abhängig von der Flügelhöhe werden die Luftfahrzeuge in Tiefdecker (die Flügel sind mit der Unterkante des Rumpfes bündig), Mitteldecker (mittlere Höhe), Schulterflügel (mit der Oberkante des Rumpfes bündig) und Hochtanker (Flügel oberhalb des Rumpfes) unterteilt.

Bei den meisten moderneren Flugzeugen befindet sich auf jeder Rumpfseite eine Flügelhälfte. Die ersten Jahrzehnte der Luftfahrt waren geprägt von Doppeldeckern mit zwei Flügeln über einander, gelegentlich wurden auch Trijets gebau. Außerdem gibt es auch Maschinen mit nur einem Flügel, ohne Heck. Eine Seltenheit waren weiterhin Maschinen mit zwei oder mehr Flügeln nacheinander (Tandemanordnung).

Im Gegensatz zu den Schwingen der Lebewesen, die Antrieb und Anheben produzieren, bringen Flügel nur Anheben. Am Anfang des Fliegens wurden Experimente mit Schirmen durchgeführt, die die Schlagflügel von Vögeln imitierten und somit den Antrieb anregten. Für eine kombinierte Bewegung von Vorwärts- und Auftriebskraft im Flügel ist die einzig mögliche Vorgehensweise die Drehung der Flügel um eine senkrechte Mittellinie.

Flügel von modernen Flugzeugen übernehmen eine Vielzahl anderer Funktionen:

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