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Besser Fliegen: Winglets machen Flugzeuge leiser und effizienter
18.02.2021
Winglets sind ein bewährtes Mittel, um den Luftwiderstand von Flugzeugen zu verringern, Treibstoff zu sparen, Kohlendioxid- und Stickoxidemissionen zu reduzieren und den Lärm zu verringern. Sie erhöhen die Reichweite und ermöglichen eine schnellere Steigrate.
Vertikale Flächen verringern den induzierten Luftwiderstand
Das Konzept der Winglets wurde ursprünglich in den späten 1800er Jahren vom britischen Aerodynamiker F.W. Lancaster entwickelt, der die Idee patentieren ließ, dass eine vertikale Fläche an der Flügelspitze den durch Wirbel erzeugten Luftwiderstand reduzieren würde. Die Idee wurde in den späten 1970er Jahren von dem NASA-Wissenschaftler Richard Whitcomb verfeinert.
Whitcomb-Winglet
Die Kombination aus dem oberen Haupt-Winglet und dem kleineren Teil darunter ergibt die optimale Konfiguration. Whitcombs Windkanalforschung ergab, dass Winglets den induzierten Widerstand um 20 Prozent reduzieren können.
In der Praxis wurden die Winglets an drei Versuchsflugzeugen getestet, die von Boeing, Douglas und Lockheed gebaut wurden. Boeing und Douglas entschieden sich, die Winglet-Technologie für ihre Flugzeugtypen zu übernehmen.
Funktionsweise von Winglets
Der einfachste Weg zur Reduktion des induzierten Widerstand ist eine Verlängerung der Tragfläche, da durch die zusätzliche Spannweite mehr Auftrieb erzeugt und so der Verlust an Auftrieb kompensiert wird. Die Lösung des Problems sind Winglets, die dafür sorgen, dass der Wirbel des induzierten Widerstands auseinandergerissen und vertikal verteilt wird.
Aerodynamische Auswirkungen
Der Einsatz von Winglets führt zu einer Aufspaltung des Spitzenwirbels. Der Wirbel wird verdrängt und tritt in einer kleineren Form an der Wingletspitze wieder auf. Der kleinere Wirbel hat eine geringere Rotationsgeschwindigkeit und weniger kinetische Energie und damit eine Reduzierung des induzierten Widerstandes. Infolge des gedämpften induzierten Widerstandes nimmt der Einfluss auf den Auftrieb ab. Somit nähert sich die Auftriebsverteilung mit abnehmendem Luftwiderstand der optimalen elliptischen Verteilung an. Die Dämpfung des Wirbels führt zu einer Abschwächung der gefährlichen Wirbelschleppen im Nahfeld des Flugzeugs. Zusätzlich zu den oben genannten Effekten reduziert ein Winglet die Überziehgeschwindigkeit, d.h. diejenige Geschwindigkeit, die mindestens vorhanden sein muss, um nutzbaren Auftrieb zu erzeugen.
Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von Flugzeugen
Durch die Reduzierung der Wirbelschleppen kann eine höhere Frequenz von Starts und Landungen erreicht werden, was eine bessere Auslastung der Flughäfen gewährleistet. Der geringere Paraffinverbrauch erhöht die Reichweiten und die kürzeren Startstrecken reduzieren die Lärmemissionen. Triebwerke arbeiten effizienter und es können dadurch Wartungskosten eingespart werden.
Winglet-Geometrie
Es gibt kein Allround-Winglet, das zu jedem Flugzeug passt. Vielmehr ist es das Zusammenspiel unzähliger komplizierter Faktoren in Verbindung mit der gegebenen Geometrie und Aerodynamik eines Flugzeugs, das zum passenden und optimalen Winglet führt. Winglets werden immer für den Bereich ausgelegt, in dem sich ein Flugzeug die längste Zeit aufhält. Bei Kurzstreckenflügen ist dies die Start- und Landephase mit hohen Auftriebswerten und bei Langstreckenflügen ist dies die Reiseflughöhe mit niedrigen Auftriebswerten.