Tragfläche

Aufgabe und Grundprinzip

Eine Tragfläche, umgangssprachlich Flügel, ist ein Bauteil eines gleitenden Fahrzeugs, das vor allem dynamischen Auftrieb erzeugt. Unter einem Bootsrumpf montierte Tragflächen heißen Tragflügel, Hydrofoils oder kurz Foils. Der Auftrieb wirkt senkrecht zur Anströmrichtung: Er hält ein Flugzeug in der Luft oder hebt ein Tragflügelboot, Wing-Foil beziehungsweise Pump-Foil aus dem Wasser. Die Spannweite ist der Abstand zwischen der linken und der rechten Tragflächenspitze.

Für die Auftriebserzeugung muss sich die Tragfläche durch ein geeignetes Fluid wie Luft oder Wasser bewegen. Dieses muss Masse, Viskosität und zumindest in gewissem Umfang Inkompressibilität besitzen. Ein geeignetes Profil und ein passender Anstellwinkel sorgen dafür, dass die Tragfläche das anströmende Fluid nach unten umlenkt; diese Abwärtsströmung wird downwash genannt. Dabei überträgt die Tragfläche einen Impuls auf das Fluid. Nach dem ersten Newtonschen Gesetz ist für dessen Richtungsänderung eine stetig wirkende Kraft erforderlich. Nach dem dritten Newtonschen Gesetz, Actio und Reactio, wirkt eine gleich große entgegengesetzte Kraft auf die Tragfläche: der Auftrieb.

Auftrieb, Geschwindigkeit und Anstellwinkel

Die pro Zeitspanne abgelenkte Luftmasse hängt von der Luftdichte, der Tragflächenfläche und der Fluggeschwindigkeit ab. Je schneller ein Flugzeug fliegt, desto mehr Luft lenkt es in derselben Zeit ab. Die Beschleunigung dieser Luft hängt ebenfalls von der Fluggeschwindigkeit sowie vom Anstellwinkel ab, also vom Winkel zwischen Tragfläche und Anströmung.

Bei gleichbleibender Luftdichte, Tragflächengröße und gleichem Anstellwinkel ist die Auftriebskraft proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit. Verdoppelt sich die Geschwindigkeit, verdoppeln sich sowohl die pro Zeit abgelenkte Luftmenge als auch deren nach unten gerichtete Geschwindigkeit; dadurch vervierfacht sich der Auftrieb.

Die zur Auftriebserzeugung benötigte Antriebsleistung ist umgekehrt proportional zur Fluggeschwindigkeit und zur Größe der Tragflächen: Höhere Geschwindigkeit oder größere Tragflächen senken diesen Leistungsanteil. Er ist allerdings nur ein Teil der gesamten für den Flug erforderlichen Leistung.

Bei niedrigerer Geschwindigkeit muss der Anstellwinkel vergrößert werden, um genügend Auftrieb zu erzeugen. Die Strömung kann aufgrund des Coandă-Effekts jedoch nur bis zu einem bestimmten Winkel an der Oberseite anliegen. Dieser Grenzwinkel hängt von Profilform, Oberflächenqualität und Reynolds-Zahl ab und liegt gewöhnlich bei 15–20°. Wird er überschritten, reißt die Strömung ab: Der Formwiderstand steigt stark, während der größte Teil des Auftriebs zusammenbricht. Diesen nur noch eingeschränkt steuerbaren Zustand nennt man Stall; das Flugzeug sackt dabei durch.

Die zugehörige Überziehgeschwindigkeit oder Stallspeed ist die niedrigste Geschwindigkeit, bei der sich ein Flugzeug gerade noch in der Luft halten kann. Sie reicht praktisch von etwa 20 km/h bei einem Gleitschirm bis etwa 300 km/h bei schnellen Strahlflugzeugen ohne aktivierte Landehilfen. Sie hängt von Konstruktion, Gewicht und Lastvielfachem ab. Bei geringerer Luftdichte steigt die wahre Überziehgeschwindigkeit (true air speed), während die angezeigte Geschwindigkeit (indicated air speed) gleich bleibt, weil auch mechanische Instrumente entsprechend von der Luftdichte beeinflusst werden.

Profil und Strömungswiderstand

Das Profil ist der Tragflächenquerschnitt in Strömungsrichtung. Seine Form soll viel Auftrieb bei wenig Strömungswiderstand erzeugen und einen möglichst großen Bereich von Anstellwinkeln ohne Strömungsabriss ermöglichen. Abhängig von Einsatzzweck, Geschwindigkeitsbereich und Flächenbelastung werden unterschiedliche Profile verwendet.

Der induzierte Luftwiderstand entsteht teilweise unmittelbar durch die Auftriebserzeugung: Die Umlenkung des Fluids benötigt Energie. Dieser Anteil kann wegen der Energie- und Impulserhaltung grundsätzlich nicht beseitigt werden. Zusätzlich bilden sich an den Flügelspitzen Randwirbel, weil Luft vom Überdruckgebiet unter der Tragfläche zum Unterdruckgebiet darüber strömt. Eine hohe Streckung, also ein großes Verhältnis von Spannweite zu mittlerer Flügeltiefe, verringert diese Wirbel, kann sie bei endlichen Tragflächen aber nicht vollständig verhindern.

Winglets an den Tragflächenspitzen behindern einen Teil des Druckausgleichs quer zur Flugrichtung. Wegen des Helmholtzschen Wirbelsatzes ändern sie jedoch nicht die Gesamtwirbelstärke; nach dem Satz von Kutta-Joukowski würde deren Verringerung auch den Gesamtauftrieb vermindern. Winglets können die Wirbel günstig verlagern, die Auftriebsverteilung verbessern, den induzierten Widerstand senken und die Flugeigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit positiv beeinflussen.

Weitere Widerstandsarten sind:

• Reibungs- oder Schubspannungswiderstand entsteht in der Grenzschicht, wo Bewegungsenergie in Wärme übergeht. Er hängt davon ab, ob die Strömung laminar oder turbulent ist. Glatte Oberflächen und Riblets können ihn vermindern, aber nicht beseitigen.

• Form- oder Druckwiderstand beruht auf unterschiedlichen Drücken an Vorder- und Rückseite. Bremsender Sog entsteht dort, wo die Strömung turbulent wird oder abreißt, etwa an Hinterkanten, Landeklappen oder Querrudern. Ein sorgfältig geformtes Profil verringert ihn.

• Wellenwiderstand tritt im Überschallflug auf. Der Aufprall überschallschneller Luftteilchen erzeugt eine kegelförmige Stoßwelle, den Machschen Kegel, der am Boden als Überschallknall wahrgenommen werden kann.

Der Strömungswiderstand und die zu seiner Überwindung nötige Leistung steigen mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit. Zusammen mit dem umgekehrt zur Geschwindigkeit sinkenden Leistungsbedarf der Auftriebserzeugung ergibt sich für jedes Flugzeug eine Geschwindigkeit mit minimalem Energiebedarf pro Flugzeit. Das Energieminimum pro Strecke liegt deutlich höher, weil das Flugzeug die Strecke schneller zurücklegt. Die Geschwindigkeit mit dem geringsten Energieverbrauch pro Strecke heißt Reisegeschwindigkeit.

Grundriss und Bauformen

Moderne Tragflächen sind meist lang gestreckt und verjüngen sich nach außen. Diese Zuspitzung verbessert die Auftriebsverteilung und verringert den induzierten Luftwiderstand. Verkehrsflugzeuge besitzen häufig Winglets. Überschallflugzeuge verwenden oft Deltaflügel, weil diese besser an die besonderen Strömungsverhältnisse angepasst sind als übliche Trapezflügel. Die Vorderkanten können gerade oder mehrfach gekrümmt sein, beispielsweise bei der „Ogival“-Tragfläche der Concorde.

Bei Überschallgeschwindigkeit entstehen Verdichtungsstöße, also Bereiche mit sprunghaft steigendem Luftdruck. Je höher die gewünschte Geschwindigkeit ist, desto stärker muss ein Flügel gewöhnlich gepfeilt sein. Die Pfeilung verringert die zur Vorderkante normale Anströmgeschwindigkeit um den Kosinus des Pfeilwinkels und kostet dadurch Auftrieb. Gleichzeitig entsteht eine tangentiale Strömung nach außen. Sie verdickt die Grenzschicht und kann an den Flügelspitzen einen Strömungsabriss verursachen, wodurch die Querruder weniger wirksam werden. Manche Militärflugzeuge aus den 1960er und 1970er Jahren besitzen deshalb Schwenkflügel, deren Pfeilung während des Flugs an die Geschwindigkeit angepasst werden kann. Ringflügel wurden bislang nur bei Modell- und Experimentalflugzeugen verwirklicht.

Ein Forscherteam aus Fish, Howle und Murray erprobte 2008 eine nach den Vorderflossen des Buckelwals gestaltete, gewellte Vorderkante. Gegenüber einem sonst gleichen Flügel mit gerader Vorderkante stieg der Auftrieb im Windkanal um bis zu 8 Prozent, während der Luftwiderstand um bis zu 32 Prozent sank. Der Stall trat bei einem um 40 Prozent höheren Anstellwinkel ein. Als Grund wird die Energieeinleitung in die Strömung durch die gewellte Vorderkante genannt, ähnlich wie bei Vortexgeneratoren.

Anordnung und Antrieb

Nach der Höhe der Tragflächen am Rumpf unterscheidet man Tiefdecker mit Flügeln an der Rumpfunterkante, Mitteldecker, Schulterdecker mit Flügeln an der Rumpfoberkante und Hochdecker mit Flügeln über dem Rumpf. Moderne Großraumflugzeuge sind meist Tiefdecker; ihre Flügel sind über einen Flügelmittelkasten mit dem Rumpf verbunden. Liegt das Höhenleitwerk vor dem Flügel, handelt es sich um ein Enten- oder Canardflugzeug; liegt es dahinter, um ein Drachenflugzeug.

Meist besitzt ein Flugzeug je eine Tragflächenhälfte auf jeder Rumpfseite. Doppeldecker tragen zwei Flächen übereinander und werden heute vor allem für Kunstflug gebaut; Dreidecker blieben selten. Nurflügel oder Schwanzlose kommen ohne Leitwerk aus. Auch Tandemanordnungen mit mehreren Flügeln hintereinander und Boxwing-Tragflächen sind selten. Die Stirnansicht kann gerade sein, eine V-Stellung zeigen oder einen Knickflügel bilden. Bei einem Tragrumpf oder Lifting Body wird der Auftrieb nicht oder nicht allein durch Tragflächen, sondern wesentlich durch einen besonders geformten Rumpf erzeugt.

Anders als Tierflügel erzeugen gewöhnliche Tragflächen nur Auftrieb; separate Triebwerke liefern den Vortrieb. Schwingenflugzeuge oder Ornithopter, die den Vogelflug nachahmen, erwiesen sich für die manntragende Fliegerei als ungeeignet und waren bisher nur im Modellflug erfolgreich. Werden Flächen um eine vertikale Achse gedreht und erzeugen Vortrieb und Auftrieb, spricht man von Rotorblättern, etwa beim Hubschrauber.

Weitere Aufgaben moderner Tragflächen

Tragflächen übernehmen neben der Auftriebserzeugung mehrere Aufgaben. Sie enthalten große, teilweise selbstversiegelnde Kraftstofftanks und tragen Steuerflächen wie Querruder, Spoiler und Trimmruder. Auftriebshilfen wie Vorflügel, Krügerklappen und Flaps verändern den Auftrieb besonders bei Start und Landung; Störklappen und Luftbremsen beeinflussen Widerstand und Auftrieb.

Ihre elastische Bauweise wirkt zugleich als „Federung“ und nimmt vertikale Kräfte auf, beispielsweise Belastungen durch Luftwirbel. Bei vielen Großflugzeugen hängen die Triebwerke in Gondeln unter den Tragflächen. Bei einigen Flugzeugen nehmen die Flügel außerdem das einziehbare Fahrwerk auf. In den 1920er Jahren nutzte der deutsche Hersteller Junkers sogar die Tragflächenansätze, die sogenannten Flügelwurzeln, zur Unterbringung von Passagieren.