Der Wanderfalke ist das schnellste Tier der Welt: Im Sturzflug kann er mehr als 300 km/h erreichen. Wissenschaftler um den deutschen Professor Christoph Brücker* beschäftigen sich nun damit, wie der Vogel mit diesen hohen Geschwindigkeiten umgeht, wie er daran angepasst ist und was Flugzeugbauer daraus lernen können.
Mit Hochgeschwindigkeitskameras nahmen die Experten für Strömungsmechanik die Sturzflüge auf und testeten ein Falken-Modell im Windkanal. Besonders faszinierte sie, dass der Vogel auch bei Höchstgeschwindigkeit voll manövrierfähig ist: Er rast senkrecht auf den Boden zu, fliegt dann einen Bogen, öffnet die Flügel, erzeugt Auftrieb und steigt wieder – und all das fast ohne Geschwindigkeit zu verlieren. Durch die Beobachtungen in freier Natur und im Windkanal erkannten die Wissenschaftler zwei Dinge: 1. Genau da, wo die Strömung an der Oberseite des Körpers ablösen würde, stellen sich Federspitzen auf, wie Spoiler, und verhindern die Ablösung. 2. Durch Vibrationen der Federn kann der Falke offenbar erfassen, wenn er sich einem kritischen Anstellwinkel zur Strömung nähert.
Doch wie lassen sich diese Erkenntnisse technologisch nutzen? aeroTELEGRAPH hat bei Professor Brücker nachgefragt:
Der Falke nimmt über seine Federn wahr, wenn er sich einer kritischen Situation nähert. Wie lässt sich diese Erkenntnis in der Luftfahrt nutzen?
Wenn man ein aerodynamisches Profil fliegt, gibt es einen kritischen Anstellwinkel, an dem die Strömung abreißt und man komplett den Auftrieb verliert. Das ist eine lebensbedrohliche Situation in der Fliegerei. Im Windkanal haben wir gesehen: Wenn sich beim Vogel der Anstellwinkel ändert, vom unkritischen in den kritischen Bereich, werden die Vibrationen in den Federschäften stärker. Das nimmt der Falke wahr und an einem bestimmten Punkt merkt er, dass er gegensteuern muss. Das ist sehr interessant für Anwendungen in der Aerodynamik. In Zukunft wird man wahrscheinlich sehr viel mehr Sensoren auf den Tragflächen haben.
Ein Flugzeug hat steife Flügel, ein Vogel bewegliche. Macht das den Vergleich nicht schwierig?
Was wir untersuchen, ist der Sturzflug, in dem der Falke keinen Flügelschlag mehr hat. Er steigt auf ein, zwei Kilometer Höhe, geht in die aerodynamische Form eines Tropfens und schießt dann herunter mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 Stundenkilometern. Diese Form ist relativ stabil und der Flügel an sich ist steif, auch wenn die Federn beweglich sind.
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Sie haben auch herausgefunden, dass sich beim Falken die Federspitzen aufstellen und verhindern, dass die Strömung abreißt. Ist das auf ein Flugzeug übertragbar?
Beim Falken haben wir erkannt, dass die Spitzen dieser Federn durch bewegliche Strukturen so geschickt angeordnet sind, dass die Ablösung durch passive Strömungsbeeinflussung verhindert wird. Dieser Mechanismus braucht keine Energie, denn diese wird aus der Strömung selbst genommen. So könnte man auch auf Flugzeugflügeln Mikrostrukturen anbringen, die den Flug in unterschiedlichen Situationen positiv beeinflussen. In diesem Sinne hat der starre Flügel längst ausgedient, denn die Natur zeigt, wie wichtig adaptive Strukturen sind.
Gibt es weitere Vorteile?
In einem akustischen Labor haben wir herausgefunden, dass diese Federn in der Lage sind, bestimmte Frequenzen zu dämpfen. Das bedeutet, dass man den Rauschanteil, den man durch die Hinterkanten-Umströmung an Tragflächen oder Rumpfkörpern hat, beeinflussen kann.
Testen sie solche flexiblen Strukturen bereits?
Wir arbeiten daran, solche Elemente auf dem Flügel anzubringen, im Millimeter- oder Zentimeterbereich. Dabei handelt es sich formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe. Aber mehr kann ich noch nicht verraten.
Welche Ideen aus der Tierwelt finden jetzt schon in der Luftfahrt Anwendung?
Heute hat fast jeder Flieger an den Flügelspitzen Winglets, die meist nach oben gerichtet sind, manchmal auch nach oben und unten. Diese Technologie ist in der Aerodynamik schon lange bekannt, hat sich in der Luftfahrt aber erst in den letzten 20 Jahren durchgesetzt. Abgeschaut ist sie aus der Natur: Adler, Falken und Albatrosse spreizen die Flügelspitzen auf. Damit verändern sie die Struktur des Spitzenwirbels, teilen ihn in mehrere Einzelwirbel und verringern so den sogenannten induzierten Widerstand.
Verraten Sie uns noch ein Vorbild aus der Natur.
Man hat schon früh vermutet, dass Vögel im Formationsflug fliegen, um Energie zu sparen. Das wurde bereits im Zweiten Weltkrieg ausgenutzt, als man in einer V-Formation flog, um den Widerstand zu reduzieren oder zumindest den Auftrieb des benachbarten Flügels mitzunutzen.
*Professor Christoph Brücker begann seine Forschung zu den Falken an der Technischen Universität in Freiberg. Mittlerweile hat er eine vom Rüstungs- und Luftfahrtkonzern BAE Systems mitgetragene Professur an der City University of London inne uns setzt dort seine Arbeit fort.
