Tragfläche

Die Tragfläche ist das Bauteil eines Flugzeugs, das den Auftrieb erzeugt.

Funktionsprinzip

Der Auftrieb entsteht durch Luft, die um die Tragfläche herum strömt. Die spezielle Form (das "Profil") der meisten Tragflächen, deren Oberseite meist konvex gewölbt ist, verstärkt dieses Phänomen.

Zu der Entstehung des Auftriebes gibt es im Ansatz verschiedene, im Grundsatz aber gleiche Modellvorstellungen.

Die gängigste besagt, dass die Luft oberhalb der Tragfläche aufgrund der Wölbung schneller strömen muss. Allerdings erklärt dies nur bedingt, warum ein Papierflieger fliegt oder ein Flugzeug auch auf dem Rücken fliegen kann. Detailliertere Modelle sprechen von einer Zirkulation, die aufgrund des Anstellwinkels (Neigung der Tragfläche zum Luftstrom) um die Tragfläche herum entsteht. Diese zirkuliert auf der Oberseite der Tragfläche mit dem Luftstrom und auf der Unterseite gegen den Luftstrom. Tatsächlich strömt die Luft auf der Unterseite der Tragfläche nicht entgegen gesetzt. Vielmehr handelt es sich hierbei um ein mathematisches Modell. Dies soll erklären, dass der Luftstrom auf der Oberseite der Tragfläche aufgrund der Zirkulation beschleunigt und auf der Unterseite leicht verlangsamt wird.

Im Bereich über der Tragfläche bildet sich durch die schnellere Strömung nach Bernoulli ein Unterdruck, der die Tragfläche nach oben "saugt". Auf der Unterseite steigt aufgrund der langsameren Strömung der Druck gleichzeitig an und "hebt" das Flugzeug. Der Auftrieb wird zu 2/3 durch die Tragflächenoberseite erzeugt und nur zu 1/3 durch die Unterseite. Die Form des Tragflügels ist auch entscheidend für eine laminare, bzw. turbulente Strömung, die über die Qualität des Auftriebs entscheidet.

Entscheidend wird der Auftrieb auch durch Veränderungen des Anstellwinkels, z.B. durch Betätigung des Höhenruders beeinflusst.

Da Tragflächen nur bei Umströmung Auftrieb liefern, spricht man von dynamischem Auftrieb.

Form

In der Frühzeit der Fliegerei waren die Tragflächen entweder einfache Rechtecke, Ellipsen oder in ihrer Form dem Vogelflügel nachempfunden. Heutige Tragflächen haben eine Vielzahl verschiedener Formen. In der Regel sind sie lang gestreckt und haben eine tropfenähnliche Form im Profil. Zum Ende hin verjüngen sie sich. Bei besonders modernen Verkehrsflugzeugen gehen sie in so genannte Winglets über. Durch den geringeren Luftdruck auf der Oberseite der Tragflächen, "will" die Luft an deren Spitzen von unten nach oben strömen. So entstehen Luftwirbel die unter anderem die gefürchteten Wirbelschleppen erzeugen. Die Winglets vermindern Luftverwirbelungen an den Enden der Tragflächen und machen das Flugzeug sparsamer im Verbrauch, da sich dadurch auch der Luftwiderstand verringert. Überschallflugzeuge, z.B. die Concorde, haben oft dreieckige Tragflächen, auch Delta-Flügel genannt.

Beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit treten so genannte Verdichtungsstöße auf. Dies sind Bereiche, in denen der Druck des umgebenden Fluids, also der Luft, sprunghaft ansteigt. Einige dieser Stöße breiten sich in einer Form um das Flugzeug aus, der die Pfeilung des Flügels angepasst ist. (Je höher die Fluggeschwindigkeit sein soll, um so stärker muss der Flügel gepfeilt sein.)

Der Flügel sollte diese Verdichtungsstöße nicht schneiden. Deshalb nicht, da hinter einem Verdichtungsstoß die Geschwindigkeit der Anströmung plötzlich in den Unterschall fallen kann, was eine Umkehrung einiger strömungmechanischer Effekte zur Folge hat. Kombiniert man also durch eine falsche Flügelkonfiguration diese unterschiedlichen Effekte auf einen Flügel können sich diese gegenseitig eliminieren.

Schlussendlich erhält man eine homogene Antrömungsgeschwindigkeit auf die Vorderkande des Flügels, wenn diese der Anströmung selbst angepasst ist.

Durch die Pfeilung verringert sich diese Geschwindigkeit mit dem Kosinus des Pfeilwinkels. Nachteilig dabei ist jedoch das neben dieser Normalgeschwindigkeit auch eine Tangentialkomponente auftritt, diese bewirkt ein abschwimmen der Grenzschicht im äußeren Flügelbereich. Dadurch wird die Grenzschicht aufgedickt und es kann zu einem Ablösen der Strömung kommen. Dies verringert meist die Querruderwirksamkeit. Daneben sind noch eine Reihe weiterer Formen, z.B. ringförmige Tragflächen möglich, die aber bislang nur bei Modellflugzeugen verwirklicht wurden.

Insbesondere bei Flugzeugen mit Strahlantrieb ("Düsenflugzeuge") sind die Tragflächen zum ermöglichen des Überschallfluges oft pfeilförmig nach hinten abgewinkelt. Eine Reihe von Militärflugzeugen, die in der 60er und 70er Jahren konstruiert wurden können durch eine variable Geometrie die Pfeilung ihrer Tragflächen im Flug verstellen (Schwenkflügel), um sie optimal an die jeweilige Geschwindigkeit anzupassen.

Anordnung

Je nach Höhe der Anbringung der Tragflächen teilt man Flugzeuge in Tiefdecker (die Tragflächen sitzen unter dem Rumpf), Mitteldecker (mittlere Höhe), Schulterdecker (bündig mit der Rumpfoberkante) und Hochdecker (Tragflächen über dem Rumpf) ein.

Die meisten modernen Flugzeuge besitzen auf jeder Seite des Rumpfs eine Tragflächenhälfte. In den ersten Jahrzehnten der Fliegerei waren Doppeldecker mit jeweils zwei Tragflächen übereinander häufig, vereinzelt wurden sogar Dreidecker gebaut. Heute werden Doppeldecker nur noch für den Kunstflug gebaut. Es gibt auch Flugzeuge mit nur einer Tragfläche, ohne Leitwerk. Solche nennt man Nurflügel oder auch Schwanzlose. Flugzeuge mit zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Tragflächen blieben eine Rarität.

Antrieb

Anders als bei den Flügeln der Tiere, die Vortrieb und Auftrieb erzeugen, liefern Tragflächen nur Auftrieb. Der Vortrieb muss von separaten Triebwerken erzeugt werden. Zu Beginn der Fliegerei wurde mit Tragflächen experimentiert, die den Flügelschlag der Vögel nachahmen und dadurch Vortrieb erzeugen sollten. Diese Konstruktionen (Schwingenflugzeuge oder auch Ornithopter) erwiesen sich jedoch für die manntragende Fliegerei als ungeeignet und wurden bisher nur im Modellflug erfolgreich verwirklicht.

Die einzige praktikable Lösung einer Kombination von Vor- und Auftrieb in der Tragfläche besteht darin, die Tragflächen um eine vertikale Achse rotieren zu lassen. In diesem Fall spricht man dann aber von einem Rotor (siehe Hubschrauber).

Weitere Funktionen

Tragflächen moderner Flugzeuge erfüllen noch eine Reihe weiterer Funktionen:

• Sie enthalten große Treibstofftanks
• Sie tragen eine Vielzahl von Klappen zur Steuerung, z.B. Querruder, Spoiler (Flugzeug), Trimmruder
• Sie verfügen über Auftriebshilfen
• Durch eine elastische Bauweise sind die Tragflächen gleichzeitig die "Federung" des Flugzeugs und fangen vertikale Kräfte durch Luftwirbel ab
• Sie bilden bei vielen Großflugzeugen die Aufhängung für die Triebwerke (meistens in Gondeln darunter)

Weblinks

• http://www.erklaert.de
• Quarks & Co - Das Prinzip des Auftriebs