Warum Vögel flattern, Flugzeuge aber besser nicht …

Neue Flugzeuge werden am Computer entworfen. Dabei erfährt man bereits viel über die künftigen Flugeigenschaften. Das Bild zeigt unter anderem die Druckverteilung hinter den Triebwerken. Bild: DLR
Neue Flugzeuge werden am Computer entworfen. Dabei erfährt man bereits viel über die künftigen Flugeigenschaften. Das Bild zeigt unter anderem die Druckverteilung hinter den Triebwerken. Bild: DLR

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Haltet mal eure Hand beim Autofahren aus dem Fenster – natürlich am besten nur als Beifahrer und bitte auch nur ein ganz klein wenig. Ihr werdet bei schneller Fahrt sofort spüren, was Luftwiderstand bedeutet. Oder lasst ein Blatt Papier zu Boden fallen und macht dann einen zweiten Versuch, bei dem ihr das Blatt auf ein dickes Telefonbuch legt und beides gleichzeitig loslasst: Jetzt segelt das Papier nicht mehr langsam zu Boden, sondern fällt im „Windschatten“ des Buches ziemlich schnell nach unten. Diese beiden kleinen Experimente haben mit den Kräften zu tun, die Luft und Luftströmungen betreffen. In der Forschung spricht man von der Aerodynamik.

Luftwirbel und Druckverteilung bei der Landung. Bild: DLR
Luftwirbel und Druckverteilung bei der Landung. Bild: DLR

Die Aerodynamik befasst sich also mit der Untersuchung der Luftströmungen. Die Strömungsforschung spielt in vielen Bereichen eine große Rolle: Schnelle Autos sind besonders windschnittig geformt, Hochgeschwindigkeitszüge laufen vorne spitz zu, um möglichst wenig Luftwiderstand zu erzeugen. Wenn ein Skifahrer beim Abfahrtsrennen in die Hocke geht, rast er schneller zum Ziel als wenn er aufrecht auf den Brettern steht. Und auch beim Radrennen kommt es auf die richtige Haltung an – und sogar auf aerodynamisch geformte Helme. Von ganz entscheidender Bedeutung ist die Aerodynamik in der Luftfahrt: Damit Flugzeuge überhaupt abheben und in der Luft bleiben, müssen sie die richtige aerodynamische Form haben.

Aber nicht nur das Strömungsverhalten muss bei der Konstruktion von Flugzeugen berücksichtigt werden. Auch die Verformung der Flugzeug-Struktur ist ein wichtiges Thema. Denn Flugzeuge sind alles andere als starr: Vielmehr schwingen ihre Tragflächen bei Start und Landung und manchmal auch während des Fluges auf und ab – was man übrigens als Passagier gut aus dem Fenster beobachten kann: beispielsweise wenn das Flugzeug über die Startbahn rollt und dann abhebt. Und auch der Rumpf ist elastisch – zumindest in gewissen Grenzen. All diese Dinge wiederum untersucht man in der sogenannten Aeroelastik.

Aerodynamik: die Grundlagen des Fliegens

Hier wurde die Strömung um einen Deltaflügel per Computer berechnet.<BR> Bild: DLR
Hier wurde die Strömung um einen Deltaflügel per Computer berechnet.
Bild: DLR

Ob Vogel, Papierflieger oder Flugzeug: Alle fliegen nach aerodynamischen Gesetzen. Die Aerodynamik entscheidet auch darüber, wie gut ein Flugzeug überhaupt fliegen kann. Wenn Luftströmungen ganz eng an einem Flieger entlang strömen und möglichst wenige Verwirbelungen entstehen, dann muss auch weniger Widerstand überwunden werden. Folglich kann so auch Treibstoff gespart werden.

In leistungsstarken Super-Computern werden sogenannte „numerische Strömungssimulationen” durchgeführt, um das Verhalten von Flugzeugen in der Luft zu berechnen. Erst wenn in der virtuellen „Computer-Welt“ alles den Vorstellungen der Ingenieure entspricht, werden Modelle der künftigen Maschinen in Windkanälen getestet und schließlich die „echten“ Flugzeuge gebaut.

Aeroelastik: biegen statt brechen

Ludwig Prandtl gilt als der „Vater der Aerodynamik“. Bild: DLR
Ludwig Prandtl gilt als der „Vater der Aerodynamik“. Bild: DLR

Auch die Aeroelastik muss bei der Konstruktion von Flugzeugen getestet werden. Sie stellt sicher, dass sich die Strukturen eines Flugzeugs in allen Flugphasen nur bis zu einem bestimmten Grad verformen. Ein solches „elastisches“ Verhalten ist grundsätzlich unvermeidbar und im Rahmen zulässiger Toleranzwerte erlaubt – schließlich würden wirklich starre Strukturen brechen, während elastische Strukturen die auftretenden Kräfte abfedern. Das Verhalten der Struktur muss natürlich schon in der Entwurfsphase exakt ermittelt werden – sowohl durch Rechenverfahren wie auch durch Tests. Ganz nach dem Motto von James Bond wird bei diesen Untersuchungen geschüttelt, nicht gerührt. Soll heißen: Flugzeuge müssen lange vor der Zulassung zum Beispiel in Rüttel- und Schütteltests – den sogenannten „Ground Vibration Tests“ – beweisen, dass sie Erschütterungen gut und sicher standhalten. Und dass ihre Flügel zwar ein wenig auf- und abschwingen, aber nicht zu flattern beginnen. Denn: Während Vögel flattern dürfen und müssen, um in der Luft zu bleiben, würden so bei Flugzeugen gefährliche Schwingungen entstehen, die sich immer weiter „aufschaukeln“ könnten.

Kompakt & wissenswert
  • Aerodynamik
    Aerodynamik (von altgriechisch: „Luft” und „Kraft”) ist das Forschungsgebiet der Strömungslehre und beschreibt das Verhalten von Körpern zum Beispiel in der Luft, aber auch im Wasser.
  • Aeroelastik
    Die Aeroelastik ist eine andere wichtige Disziplin in der Flugzeug-Entwicklung: Sie stellt sicher, dass sich die Strukturen eines Flugzeugs in allen Flugphasen nur im zulässigen Rahmen verformen.
  • Ludwig Prandtl
    Der Physiker lebte von 1875 bis 1953 und lieferte bedeutende Beiträge zum Verständnis von Strömungen. Er gilt als „Vater der Aerodynamik”.
  • Grenzschichttheorie
    Von Ludwig Prandtl 1904 entwickelte Theorie zur mathematischen Berechnung des Verhaltens von Luft- oder Wasserströmungen an den Wänden von festen Körpern. Mit seinen bahnbrechenden Formulierungen legte Prandtl die bis heute gültigen Grundlagen für die Aerodynamik.

Ein kleiner Ausflug in die Geschichte: Der Grundstein für die wissenschaftliche Strömungsforschung in der Luft- und Raumfahrt wurde im Jahr 1907 mit der Gründung der „Aerodynamischen Versuchsanstalt“ in Göttingen gelegt. Erster Leiter dieser Forschungseinrichtung war der Physiker Ludwig Prandtl. Er ließ große Windkanäle bauen, stellte viele wichtige Theorien auf und wurde mit seinen Arbeiten weltweit zum „Vater der Aerodynamik”. Die wissenschaftliche Luftfahrt-Forschung hat also ihre Ursprünge in Deutschland. Aber das nur nebenbei bemerkt.

Jede Flugzeug-Struktur verformt sich aufgrund ihres Gewichts und der auf sie einwirkenden Kräfte. Als Passagier kann man das erkennen, wenn man zum Beispiel beim Start die Flügelspitze beobachtet. Sie hebt und senkt sich teilweise um etwa zwei Meter. Hier eine Simulation, die zeigt, wie sich ein Flugzeug verformt. Quelle: DLR
Jede Flugzeug-Struktur verformt sich aufgrund ihres Gewichts und der auf sie einwirkenden Kräfte. Als Passagier kann man das erkennen, wenn man zum Beispiel beim Start die Flügelspitze beobachtet. Sie hebt und senkt sich teilweise um etwa zwei Meter. Hier eine Simulation, die zeigt, wie sich ein Flugzeug verformt. Quelle: DLR