Artikelinformationen
Kategorie:	Flugtheorie
Inhaltsquelle:	SKYbrary
Inhaltskontrolle:	SKYbrary

Beschreibung

Der induzierte Luftwiderstand ist eine unvermeidliche Folge des Auftriebs und wird durch den Durchgang einer Tragfläche (z.z. B. Flügel oder Höhenleitwerk) durch die Luft. Luft, die über die Oberseite eines Flügels strömt, neigt dazu, nach innen zu strömen, weil der abnehmende Druck über der Oberseite geringer ist als der Druck außerhalb der Flügelspitze. Unterhalb des Flügels strömt die Luft nach außen, weil der Druck unterhalb des Flügels größer ist als der Druck außerhalb der Flügelspitze. Die unmittelbare Folge davon ist, dass die Luft um die Flügelspitze herum ständig nach oben strömt – ein Phänomen, das als „Spitzeneffekt“ oder „Endeffekt“ bezeichnet wird. Eine Möglichkeit zu verstehen, warum eine hohe Streckung eines Flügels besser ist als eine niedrige, ist, dass bei einer hohen Streckung der Anteil der Luft, die sich auf diese Weise bewegt, reduziert wird und daher mehr davon Auftrieb erzeugt.

Bei der Tragfläche im Allgemeinen strömen die Luftströme von oben und unten in einem Winkel zueinander, wenn sie sich an der Hinterkante der Tragfläche treffen. Sie verbinden sich zu Wirbeln, die sich von hinten betrachtet vom linken Flügel aus im Uhrzeigersinn und vom rechten Flügel aus gesehen gegen den Uhrzeigersinn drehen. Diese Wirbel haben die Tendenz, sich nach außen in Richtung Flügelspitze zu bewegen und sich dabei zu verbinden. Wenn die Flügelspitze erreicht ist, hat sich ein großer Flügelspitzenwirbel gebildet, der sich ablöst.

Die meisten dieser Wirbel sind natürlich völlig unsichtbar, aber in sehr feuchter Luft kann der zentrale Kern eines Wirbels sichtbar werden, weil der Luftdruck in seinem Zentrum so weit gesunken – und damit abgekühlt – ist, dass Kondensation auftreten kann. Eine höhere Flächenbelastung in einer Kurve erhöht auch die Stärke – und den Grad der Druckverminderung -, so dass sichtbare Wirbelkerne in Kurven noch wahrscheinlicher sind. Wenn man sich in der Nähe dieser Wirbel befindet, können sie manchmal auch hörbar sein!

Der größte Teil der von der Oberseite eines Flügels abfließenden Luft – der „Abwind“ – fließt mehr oder weniger horizontal zum Leitwerk, weil er durch einen entsprechenden Aufwind vor der Flügelvorderkante ausgeglichen wird. Im Gegensatz dazu befindet sich die Aufwärtsbewegung der Luft, die zur Wirbelverdichtung an der Spitze führt, gerade außerhalb der Spitze, während sich die entsprechende Abwärtsbewegung gerade am Ende der Spannweite befindet, so dass die Nettorichtung der Luftströmung am Flügel nach unten gerichtet ist. Der vom Flügel erzeugte Auftrieb, der per Definition rechtwinklig zur Luftströmung steht, ist daher leicht nach hinten geneigt und „trägt“ somit zum Luftwiderstand bei – induzierter Luftwiderstand.

Obwohl immer ein gewisser induzierter Widerstand vorhanden sein muss, weil Flügel eine endliche Dicke haben, wird bei der Konstruktion versucht, diese Strömung so weit wie möglich zu reduzieren. Eine gewünschte Flügelfläche kann durch unterschiedliche Verhältnisse von Spannweite zu Sehne (Streckung) erreicht werden. Je größer die Flügelstreckung ist, desto geringer ist die Luftstörung an der Spitze. Für die meisten Flugzeuge gibt es jedoch sowohl praktische Grenzen für die maximale Flügelspannweite für das Manövrieren am Boden als auch strukturelle Probleme, die bedeuten, dass der Gewichtsnachteil für eine angemessene Verstärkung eines langen, dünnen Flügels schließlich zu groß wird. Die Tatsache, dass Flugzeuge den größten Teil ihres Treibstoffs in den Flügeln transportieren, ist ebenfalls ein Faktor für die Flügelkonstruktion. Typische Streckungsverhältnisse für Transportflugzeuge liegen zwischen 6:1 und 10:1.

Andere Möglichkeiten zur Verringerung des induzierten Widerstands und der Wirbelstärke an der Flügelspitze beruhen ebenfalls auf der Verringerung der Luftmenge, die an der Flügelspitze nach oben strömt, indem man darauf abzielt, einen relativ großen Teil des Auftriebs von den Spitzen weg zu erzeugen. Die Verjüngung des Flügels zur Spitze hin unterstützt dies ebenso wie die Flügelverwindung. Die Boeing 767 ist ein Beispiel für einen verwundenen Flügel. Der innere Flügel hat einen höheren Anstellwinkel (AOA) als der äußere Flügel und erzeugt so verhältnismäßig mehr Auftrieb, während die Spitze bei einem sehr kleinen Anstellwinkel nur sehr wenig erzeugt. Winglets (Sharklets) sind ebenfalls populär geworden, sowohl die üblichen nach oben gebogenen Versionen als auch die älteren Airbus A320-Versionen mit einem doppelten „Wingtip-Fence“. Gut konstruierte Winglets können etwa 20 % des Luftstroms an der Spitze verhindern – und damit 20 % des induzierten Widerstands.

Der induzierte Widerstand und die damit verbundenen Wirbel an der Flügelspitze sind eine direkte Folge der Auftriebserzeugung durch den Flügel. Da der Auftriebskoeffizient groß ist, wenn der Anstellwinkel groß ist, ist der induzierte Widerstand umgekehrt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, während alle anderen Widerstände direkt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit sind. Dies hat zur Folge, dass der induzierte Widerstand bei hohen Geschwindigkeiten im Reiseflug und im Sinkflug, wo er wahrscheinlich weniger als 10 % des Gesamtwiderstands ausmacht, relativ unbedeutend ist. Im Steigflug spielt er eine größere Rolle und macht mindestens 20 % des Gesamtwiderstands aus. Bei niedrigen Geschwindigkeiten kurz nach dem Start und im anfänglichen Steigflug ist er von größter Bedeutung und kann bis zu 70 % des Gesamtwiderstands ausmachen. Bei der Betrachtung der potenziellen Stärke der Wirbel an den Flügelspitzen muss die gesamte Theorie über den induzierten Widerstand durch die Auswirkung des Flugzeuggewichts abgeschwächt werden. Der induzierte Luftwiderstand nimmt immer mit dem Gewicht des Flugzeugs zu.

SKYclip

Der folgende SKYclip befasst sich mit dem Thema Wirbelschleppen auf der Strecke.

• Wirbelschleppenausbreitung und -abbau
• Vorrichtungen zur Reduzierung des Luftwiderstands an den Flügelspitzen