Der Einsatz von Winglets in der modernen Luftfahrt

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Physikalische Grundlagen des Fliegens

3 Natürliches Vorbild der Winglets

4 Funktionsprinzip von Winglets abgeleitet aus dem Vogelflug
4.1 Vorteile
4.2 Nachteile

5 Historie der Winglets im Flugzeugbau

6 Blick in die Zukunft

7 Weitere Anwendungsmöglichkeiten
7.1 Rennsport
7.2 Windkraft

8 Zusammenfassung

9 Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Kräfte an einem Flügelprofil

Abbildung 2 Druckverteilung an einem Flügelprofil

Abbildung 3 Wirbelverteilung an einem Flügel

Abbildung 4 Struktur der Vogelfedern

Abbildung 5 Steinadler, der seine Flügelenden aufstellt

Abbildung 6 Randwirbel an einer Boeing

Abbildung 7 Einfluss der Winglets auf Randwirbel und Strömungswiderstand

Abbildung 8 Whitcomb-Winglet

Abbildung 9 MD-10 mit Whitcomb-Winglets

Abbildung 10 Boeing 707 mit Whitcomb-Winglets ohne unteres Winglet

Abbildung 11 Learjet 28. Erstes Serienflugzeug mit Winglets

Abbildung 12 Durch viele Winglets entstanden die Spiroids

Abbildung 13 Spiroids an einem Dassault Falcon

Abbildung 14 Winglets an einer MotoGP Maschine von Ducati im Jahr

Abbildung 15 Winglet an einem Blatt einer Windkraftanlage

1 Einleitung

Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (…), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer und geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts, und nichts ist zu viel.¹ Leonardo da Vinci, Künstler und Universalgenie

Dieses Zitat eines der berühmtesten Universalgelehrten aller Zeiten beschreibt den Nutzen der Bionik in der modernen Technik treffend. Der Begriff Bionik setzt sich aus dem griechischen Wort „bios“ und dem Ausdruck „onik“ zusammen. „Bios“ bedeutet Leben und „onik“ stammt von dem Begriff „Elektronik“. Nach VDI6220 ist Bionik wie folgt definiert: Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen.²

Von vielen Wissenschaftlern und Erfindern wurden verschiedene Flugapparate entwickelt, die die Eigenschaften der Vögel als Vorbild nutzten. Angefangen mit Leonardo da Vinci über Otto Lilienthal bis zu den Gebrüdern Wright träumten die Menschen schon immer von der Eroberung des Luftraums. Den Gebrüdern Wright ist es schlussendlich gelungen ein sich mit einem motorbetriebenen Fluggerät für längere Zeit in der Luft zu halten.

Winglets (engl. für „Flügelchen“) bzw. Sharklets werden in der modernen Luftfahrt eingesetzt und nehmen die Flügeleigenschaften von Vögeln zum Vorbild. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die Gestaltung von Tragflächenenden maßgebend beeinflusst. Ein gutes Beispiel dafür ist der Steinadler, der seine Flügelenden im Flug aufstellt und dadurch den induzierten Strömungswiderstand reduziert, um die Flugeigenschaften zu verbessern. Wie dies genau funktioniert, wird im Folgenden ausführlich dargestellt.

2 Physikalische Grundlagen des Fliegens

Ein Körper, der schwerer als Luft ist, fliegt, sobald die Auftriebskraft höher ist als die Schwerkraft. Über Propeller oder Turbinen erfährt ein Fluggerät die Vortriebskraft. Ein Vogel fliegt durch die Schlagbewegung der Flügel, da bei der Bewegung nach oben ein kleinerer Widerstand entsteht als bei der Flügelbewegung nach unten. Durch den Flügelschlag steigen die Vögel in der Luft empor. Der Vortrieb resultiert aus einer mehr oder weniger starken Krümmung der Flügel. Je nach Stellung der vorderen Handschwingen (siehe Abbildung 4) wird Luft nicht nur nach unten gedrückt, sondern auch nach hinten. Weiterhin kann ein Vogel durch eine Änderung des Anstellwinkels der Flügel Vortrieb generieren. Im Gleitflug nutzt ein Vogel seine potentielle Energie, die er durch seine Höhe gewonnen hat aus, um ohne Flügelschlag Vortrieb zu erzeugen, indem er den Anstellwinkel seiner Flügel entsprechend anpasst. Essentiell für das Fliegen sind somit die folgenden vier Kräfte: Auftriebskraft, Schwerkraft bzw. Gewichtskraft, Vortriebskraft und Widerstandskraft. Die Auftriebskraft wirkt immer senkrecht zur Anströmrichtung und entsteht durch eine entsprechende Druckverteilung am Flügel. Durch die Überlagerung der ebenen Strömung mit der Zirkulationsströmung wird die Strömungsgeschwindigkeit auf der Profiloberseite größer und auf der Unterseite geringer. Daraus resultiert eine Druckabnahme auf der Profiloberseite und eine Zunahme auf der Unterseite. Die resultierende Kraft der beiden Druckkräfte ergibt die Auftriebskraft. Die Profiloberseite hat einen größeren Einfluss auf den Auftrieb als die Profilunterseite. Dabei beläuft sich der Anteil der Profiloberseite (Saugseite) auf 2/3 und der Anteil der Unterseite auf 1/3 (Druckseite). Die Kraft, die durch den Profilwiderstand entsteht, wirkt immer entgegengesetzt zur Flugrichtung. Zusammen mit der Auftriebskraft bildet sich daraus die resultierende Kraft, die im Kräftegleichgewicht mit der Schwerkraft bzw. Gewichtskraft steht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Kräfte an einem Flügelprofil³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Druckverteilung an einem Flügelprofil⁴

Der Auftrieb ist über das Flügelprofil nicht konstant, er fällt an den Flügelenden auf null ab. Der Grund dafür ist, dass sich die Drücke zwischen Ober- und Unterseite des Tragflügels durch Umströmung der Flügelenden ausgleichen können. Als Resultat entstehen diverse Wirbel. An der Profiloberseite bildet sich ein gebundener Wirbel und an den Flügelenden ein Randwirbel.

Zusammen werden die beiden Wirbel auch Hufeisenwirbel genannt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Wirbelverteilung an einem Flügel⁵

3 Natürliches Vorbild der Winglets

Beobachtet man Vögel, wie zum Beispiel den Steinadler, Albatros oder Storch, kann man erkennen, dass es ihnen möglich ist, ihren Flug fein zu steuern. Ihr Federkleid, welches sehr beweglich ist, erlaubt es ihnen, einzelne Federn durch Muskelkraft individuell und unabhängig voneinander zu bewegen. Dadurch entstehen jeweils verschiedene aerodynamische Eigenschaften. Durch die Wölbung der Flügel können Vögel die Flugeigenschaften beeinflussen. Wenn sie den Anstellwinkel vergrößern, erhöht sich der Luftwiderstand und die Strömungsgeschwindigkeit an der Flügelunterseite nimmt ab. Bei steigendem Anstellwinkel erhöht sich auch die Auftriebskraft, jedoch sinkt die Fluggeschwindigkeit, da durch die größere Flügelfläche der Profilwiderstand steigt. Für das Landemanöver ist die Vergrößerung der Wölbung sinnvoll, denn aufgrund der erhöhten Auftriebskraft und der kleineren Geschwindigkeit kann ein Vogel sanft aufsetzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Struktur der Vogelfedern⁶

Viele Vögel können ihre Handschwingen beliebig und unabhängig voneinander nach oben abspreizen. Durch das Abspreizen der Flügelenden wird die Umströmung an dieser Stelle reduziert. Dadurch entsteht ein Mehrfachwirbelsystem aus vielen kleinen Randwirbeln, welches weniger Verlustenergie beinhaltet als die herkömmliche Flügel- bzw. Federanordnung. Teilweise heben sich die kleinen Randwirbel sogar gegenseitig auf. Dies führt zu einer zusätzlichen Reduzierung des induzierten Widerstands und die Vögel benötigen weniger Energie während des Fluges. Zusätzlich dazu hat ein Vogel mit kurzen Flügeln, aber nach oben abstehenden Flügelenden, einen ähnlich starken Auftrieb wie ein Vogel mit sehr langen Flügeln.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Steinadler, der seine Flügelenden aufstellt⁷

Leider lässt sich dieses Wunderwerk der Natur nicht einfach in die Luftfahrt übernehmen, denn mehrere starre Endungen an den Flügeln würden den Reibungswiderstand signifikant erhöhen. Aus der Historie ist schlussendlich das Winglet als Näherung an die Natur hervorgegangen. Das Funktionsprinzip der Winglets wird im folgenden Kapitel dargestellt.

4 Funktionsprinzip von Winglets abgeleitet aus dem Vogelflug

Winglets sind im Prinzip nichts anderes als die beim Vogel aufgestellten Federn an den Flügelenden. Durch ihre geometrische Form verringern sie die Strömung an den Tragflächenenden von der Unter- zur Oberseite. Genau diese Strömung ist für die Entstehung eines Randwirbels und damit der Bildung eines induzierten Widerstands verantwortlich. Die Ausbildung von Randwirbeln lässt sich nicht gänzlich vermeiden, jedoch kann durch den Einsatz von Winglets der induzierte Widerstand um 5 bis 10% gesenkt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Randwirbel an einer Boeing 737⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Einfluss der Winglets auf Randwirbel und Strömungswiderstand⁹

Grundsätzlich hängt der induzierte Widerstand eines Flugzeugs, welches sich im Unterschallflug befindet, von der Streckung der Tragflächen ab. Unter Streckung versteht man den Schlankheitsgrad eines Tragflügels. Die Streckung ist definiert durch das Verhältnis des Quadrats der Flügelspannweite zur Flügelfläche. Je höher die Streckung desto geringer die Randwirbel und somit auch der induzierte Widerstand.

Bei extrem schlanken Flügeln lassen die mechanische Stabilität und die Manövrierbarkeit des Flugzeugs nach. Durch den Einsatz von Winglets kann der induzierte Widerstand bei einer gleichbleibenden Streckung verringert werden. Die Tragflügel verhalten sich so, als würde ihre Streckung erhöht werden. Diesen Effekt kann man als „aerodynamische Streckung“ bezeichnen. Alternativ wäre auch die Erhöhung der physischen Streckung durch die Vergrößerung der Spannweite möglich.

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¹ http://www.biokon.de/bionik/was-ist-bionik/

² Richtlinie VDI 6220 Blatt 1
Bionik - Konzeption und Strategie - Abgrenzung zwischen bionischen und konventionellen Verfahren/Produkten

³ https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kr%C3%A4fteGleitflug.png

⁴ Messungen an einem Flügelprofil, Labor für Fluidmechanik, Prof. Dr.-Ing. E. Martens; Autor: J. Caputo, Udo Eichinger, Benjamin Schwarz Karlsruhe, 16.10.2017

⁵ Messungen an einem Flügelprofil, Labor für Fluidmechanik, Prof. Dr.-Ing. E. Martens; Autor: J. Caputo, Udo Eichinger, Benjamin Schwarz Karlsruhe, 16.10.2017

⁶ Vorlesungspräsentation Teil 4 Bionik Konstruktionen Prof. Dr.-Ing. Ramon Estaña und Prof. Dr.-Ing. Jan Kotschenreuther; ursprünglich aus MSN-Library

⁷ https://bionikgeocache.wordpress.com/2015/01/05/winglet/

⁸ http://www.b737.org.uk/winglets.htm

⁹ http://theatlasgroup.biz/can-winglet-designs-help-conserving-fuel-airlines/