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Weniger Treibstoffverbrauch, knifflige Aerodynamik

Alles, was Sie über Winglets wissen sollten

Ohne Knick in den Flügeln bringen Hersteller nur noch selten neue Flugzeuge auf dem Markt. Doch wie funktionieren Winglets eigentlich genau, und warum gibt es Unterschiede?

Es gibt viele Merkmale, an denen man einen Flugzeugtyp erkennen kann. Die Form von Rumpf oder Cockpitscheiben, die Anordnung der Leitwerke oder die Anzahl der Notausgänge – oder die Winglets. Doch während Funktion und Sinn der meisten Komponenten eines Fliegers offensichtlich sind, ist über Winglets oftmals nur bekannt, dass sie den Treibstoffverbrauch eines Flugzeuges senken.

Je nach Variante und Flugzeugtyp sorgen die meist abgeknickten Flügelspitzen für Kerosineinsparungen, die sich im Bereich von etwa fünf Prozent bewegen. Für Airlines rechnet sich das schnell. Doch wie machen die besonders geformten Flügelspitzen das? Und warum gibt es so viele unterschiedliche Varianten? aeroTELEGRAPH erklärt die Funktionsweise und zeigt, welche Arten von Winglets es gibt.

Auftrieb nur mit Nebeneffekt

Winglets reduzieren den induzierten Luftwiderstand eines Flügels. Diese Kraft ist ein Nebeneffekt, der bei der Erzeugung von Auftrieb entsteht. Um zu verstehen, warum dieser induzierte Widerstand ein Flugzeug ausbremst, lohnt es sich, etwas auszuholen und zu erklären, warum Flügel überhaupt dafür sorgen, dass Flugzeuge fliegen.

Bei Umströmung erzeugt eine Tragfläche auf der Oberseite einen Unterdruck, der – einfach ausgedrückt – wie ein Staubsauger den Flügel hochzieht. Auf der Unterseite ist des Flügel sorgt die Umströmung wiederum für einen Überdruck. Summiert man diese beiden Druckkräfte, entsteht ein Kraftvektor, der nach oben zeigt: Das Flugzeug «saugt» sich in den Himmel.

Das Problem mit den Wirbeln

Während die unterschiedlichen Druckzonen Auftrieb erzeugen, sorgt dies an den Flügelspitzen für ein Problem. Weil Drücke sich gegenseitig immer ausgleichen wollen, schwappt ein Teil der dichteren Luft an der Außenkante des Flügels von der Unterseite auf die Oberseite. Die Folge ist ein Luftwirbel, der sich strudelartig hinter der Flügelspitze ausbreitet. Weil sich dieser Strudel quer zur Flugrichtung ausbreitet und so Bewegungsenergie schluckt, wird vom induzierten Luftwiderstand gesprochen.

 


Luft der unteren Tragfläche schwappt an der Flügelkante nach oben         (Grafik: Boeing)

Winglets verringern genau diese bremsenden Luftwirbel. Aufgrund ihrer Form lassen sie die Strudel mit mehr Abstand zur Tragfläche entstehen. Ebenso lenken sie die überschwappende Luft so um, dass sie vermehrt nach hinten anstatt quer zur Flugrichtung abdriftet. Das funktioniert auch, wenn die abgeknickten Flügelspitzen schräg oder vertikal angeordnet sind. Dass Winglets oft mit einem Knick daherkommen, hat einen guten Grund, sagt Jan Himisch vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR.

«Beim Entwurf von Flugzeugen orientieren sich Konstrukteure oftmals an den sogenannten Airplane Design Groups der FAA», sagt der Forscher. Mit diesen Gruppen beschreibt die amerikanische Luftfahrtbehörde unterschiedliche Größenkategorien für Flugzeuge. Ausschlaggebend ist dabei neben der Größe des Leitwerks auch die Spannweite eines Flugzeuges. Diese Klassifikation ist allen voran maßgebend für die Architektur von Flughäfen.

Sorge um Klassenerhalt

Gilt es ein Flugzeug für ein vergrößerte Variante zu stretchen, muss unter Umständen auch die Spannweite vergrößert werden. Für Entwürfe, die sich bereits knapp innerhalb ihrer Größenkategorie bewegen, bedeutet das ein Risiko: Steigt ein Flugzeug in eine größere Kategorie auf, kann es womöglich auf weniger Flughäfen als zuvor eingesetzt werden. Bei diesem Dilemma können Winglets ein Ass im Ärmel von Flugzeugkonstrukteuren sein.

Winglets sparen nicht nur Treibstoff. Je geringer der induzierte Luftwiderstand ist, desto mehr Auftrieb produziert ein Flügel. Konkret bedeutet das: Bei gleicher Spannweite kann ein Flügel mit Winglets mehr heben als ein Flügel ohne. Beim Strecken von Rümpfen erlauben die abgeknickten Flügelspitzen es, das Vergrößern der tatsächlichen Spannweite weiter hinaus zu zögern.

Potenzial auch für Flughäfen?

Eine höhere Auftriebsleistung verbessert aber auch die Flugleistungen eines Luftfahrzeuges. Dies ermöglicht kürzere Startstrecken oder größere Ladungen. Besonders auf hoch gelegen Flughäfen oder bei heißen Temperaturen kann das wichtig sein. Ebenso können Winglets die Reichweite erhöhen, weil sie größere Reiseflughöhen mit weniger Luftwiderstand erlauben.

Auch an überfüllten Flughäfen könnten Winglets für Entlastung sorgen. Der Abstand, mit dem Flugzeuge beim Anflug auf eine Bahn wie auf einer Perlenschnur gezogen nacheinander gestaffelt werden, richtet sich nach ihren Luftverwirbelungen. Insbesondere bei großen Flugzeugen können diese für Turbulenzen sorgen, die für andere Flugzeuge unangenehm bis gefährlich werden können. Bisher wird die Einteilung dieser Abstände aber durch Gewichtsklassen geregelt.

Frage der Bilanz

Doch es gibt auch Nachteile. Die abgeknickten Flügelspitzen erhöhen das Gewicht eines Flugzeuges. Dieser Einfluss ist nicht zu unterschätzen. Je nach Flugzeugtyp und Einsatzzweck können Winglets nicht so viel Treibstoff einsparen, wie es durch ihren zusätzlichen Ballast anfällt. Dass Nutzen und Schaden von Winglets genau gegeneinander aufgerechnet werden müssen, zeigt das Beispiel der Boeing 747-400D.

In dieser Version wandelte Boeing den Jumbojet vom Langstrecken- zum Kurzstreckenflieger um, den Japan Airlines und All Nippon Airways ausschließlich auf Inlandsrouten einsetzten. Auf diesen kurzen Routen hätten die sonst üblichen Winglets ihre Vorteile in Sachen Aerodynamik nicht lange genug ausspielen können, um den Mehrverbrauch durch ihr zusätzliches Gewicht wettzumachen. Boeing verzichtete bei der Spezialversion der 747 aus diesem Grund vollständig auf die Winglets.


Boeing 747-400D: Keine Winglets         (Bild: Boeing)

Fokus auf Reiseflug

Tragflächen können nicht für alle Geschwindigkeitsbereiche gleich optimal ausgelegt werden. Bei Passagierflieger optimieren die Ingenieure aus diesem Grund die Tragflächen genau wie die Winglets für den Reiseflug – der längsten Flugphase. Grob lässt sich daraus ableiten, dass sich Winglets eher für Flugzeuge lohnen, die Mittel- und Langstrecken fliegen.

Es gibt jedoch auch Ausnahmen. Mit der E-Jet-Familie von Embraer oder Bombardiers CRJ-Serie gibt es auch Kurzstreckenjets, die mit Winglets ausgestattet werden. Sogar für Propellerflugzeuge wie die Piper Aerostar werden Nachrüstungen für Winglets angeboten. Wann sich die Installation sowie der aufwendige Entwurf lohnt, ist eine komplexe Frage, die bei jedem Flugzeugtypen einzeln beantwortet werden muss – dazu später mehr.

Viele Namen und Formen

Winglets sind nicht gleich Winglets. Als klassische Winglets werden jene Flügelspitzen bezeichnet, die mit einer klaren Kante vom restlichen Flügel abknicken. Die Boeing 747-400, die Ilyushin Il-96 oder Airbus‘ Mittelstreckenflieger A340 und A330 (erste Generation) besitzen diese relativ simplen Winglets.

Sogenannte «Wingtip Fences» (wörtlich übersetzt: Flügelspitzen-Zäune) sind Scheiben, die an den Flügelspitzen quer zur Flugrichtung angebracht sind. Airbus setzte diese Bauart in den Modellreihen A300 und A310 ein und verbaut diese immer noch an dem A380 sowie Fliegern der A320-Familie der ersten Generation. In der neumotorisierten Neo-Variante wird die A320-Serie serienmäßig mit «Sharklets» ausgestattet, bei denen es sich um «Blended Winglets» handelt – auch die erste A320-Generation lässt sich mit Ihnen aus- oder nachrüsten.

Es geht auch ohne Knick

Bei den «Blended Winglets» knicken die Flügelspitzen mit einem runden Bogen nach oben ab. Diese geschwungene Form kam zuvor bei Boeings 737 der Baureihe NG als weitverbreitete Option zum Einsatz. Der Kurz- und Mittelstreckenjet ging Ende der 1990er-Jahre erstmals in den Dienst.

Der amerikanische Hersteller setzt bei seinen aktuellsten Langstreckenmodellen wie der Boeing 787, der 747-8 oder der 777-300ER oder 777X auf «Raked Wingtips». Diese knicken nicht wie andere Winglets nach oben ab. Stattdessen ist bei diesen Flügelspitzen die Pfeilung entgegen der Flugrichtung stärker als beim restlichen Flügel. Salopp gesagt sind die Flügel nicht nach oben, sondern nach hinten geschwungen.

Unterschiedliche Wahl bei Passagierflieger und U-Boot-Jäger

Diese Winglets verbessern den Auftrieb nicht so gut wie vertikale Winglets, tragen aber den bremsenden Luftwirbel weiter nach außen. Auf Langstreckenflügen erhofft sich Boeing dadurch größere Einsparungen – bei der Boeing 777X nahmen die Konstrukteure dafür sogar das Mehrgewicht eines Klappmechanismus in Kauf, der die Flügelspitzen am Boden zwecks Platzgewinnung nach oben klappen kann.

Dass sich Raked Wingtips auf Langstreckenflügen besser als Blended Wingtips eignen, zeigt ein Beispiel aus der Praxis. Mit der P-8 Poseidon funktionierte Boeing ihre Boeing 737NG vom Passagierflieger zum Seeüberwachungsflieger für Seestreitkräfte um. Im Gegensatz zum Basismodell mit Mittelstreckenreichweite, sind für die P-8 Langstrecken-typische Flugzeiten von bis zu acht Stunden eine gewöhnliche Flugzeit.

Raked Winglets für die Poseidon

Zwar lässt sich das Marineflugzeug auch in der Luft betanken. Doch Boeing wollte auch die eigenständige Reichweite des Jets erhöhen. Während die Boeing 737NG in der Baureihe 800 mit Blended Winglets daher kommt, stattete der Hersteller die Poseidon neben größeren Flügeln auch mit Raked Wingtips aus.


Marineflugzeug P-8 Poseidon: Raked Wingtips anstatt Blended Winglets       (Bild: Boeing)

Nicht alle Winglets lassen sich mit Eindeutigkeit in Kategorien stecken. Die Flügelspitzen des Airbus A350 lassen sich beispielsweise als eine Mischung aus Blended Winglet und Raked Wingtip beschreiben. Ähnlich gestaltet sind die sogenannten Saberlets, mit denen Irkut die Attraktivität ihres Regionalflieger Superjet steigern will.

Komplex wird es bei den Flügelspitzen der Boeing 737 Max. Die «Advanced Technology Winglets» der  jüngsten 737-Version haben Flügelspitzen, die wie bei den Blended Winglets nach oben abknicken sowie kleinere weitere Spitzen, die nach unten zeigen. In etwas kantiger Form machten dies bereits die Winglets der McDonnell-Douglas MD-11 Anfang der 1990er-Jahre vor.

Computer erleichtern Entwicklung

Zurück zur Wahl von Winglets: Ob und welche der Flügelspitzen für welchen Flieger am besten geeignet sind, lässt sich nicht pauschal sagen. Die Entwicklung sowie Berechnung der Aerodynamik ist äußerst komplex. Hersteller finden mitunter widersprüchliche Lösungen für ähnliche Flieger. Während Boeing nur bei Langstreckenflugzeugen auf Raked Wingtips setzt, verwendet Embraer diese Bauform bei den jüngsten E2-Kurzstreckenjets.

Dass die Verwendung von Winglets immer vielfältiger wird, ist auch dem Einzug von Computersystem im Flugzeugbau zu verdanken. Mit dem sogenannten Computer Fluid Design (kurz CFD, zu deutsch: Numerische Strömungsmechanik) können Ingenieure mittels Computerprogrammen die komplexe Aerodynamik von Winglets immer besser und günstiger berechnen. Das sorgt auch dafür, dass Winglets seit den 1990er-Jahren an immer mehr Flugzeugen zu sehen sind.

In der oben stehenden Bildergalerie erfahren Sie mehr über die verschiedenen Winglet-Varianten.



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