Neue Wege in der Aerodynamik Ein negativer Pfeil

Über die ungewöhnlichen Tragflächen strömt die Luft besonders gleichmäßig. Das reduziert den Luftwiderstand des Jets. (Foto: DLR)

Es sieht ungewohnt aus, könnte aber Treibstoff einsparen: Deutsche Ingenieure entwickeln ein Passagierflugzeug, dessen Flügel nach vorne gerichtet sind. Bis ein Prototyp allerdings wirklich abheben kann, müssen noch einige Probleme gelöst werden.

Von Alexander Stirn

Irgendwas stimmt nicht mit diesem Flugzeug. Der schlanke, rot-weiß-blau lackierte Rumpf ist es nicht. Die überdimensionalen Triebwerke im Heck sind es auch nicht, die sind allenfalls gewöhnungsbedürftig. Aber die Tragflächen - sie wirken, als habe ein Kind beim Griff in seinen Baukasten die Flügel verkehrt herum aufgesteckt. Lustig, aber irgendwie falsch. Doch es war kein Kind, das dieses seltsame Flugzeug entworfen hat. Es waren Ingenieure des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Lamair heißt ihr Projekt, eine Abkürzung für "Laminar Aircraft Research" - laminare Flugzeugforschung. Mit seinen nach vorne gerichteten Flügeln soll der neuartige Mittelstreckenjet die Luft möglichst gleichmäßig und ohne Verwirbelungen über seine Tragflächen streichen lassen. Das verspricht einen geringeren Luftwiderstand und somit einen niedrigeren Treibstoffverbrauch.

Noch ist das Flugzeug allerdings nur ein Modell. Seine Entwickler haben es - nach Abschluss einer dreijährigen Forschungsphase - im September auf der Berliner Luftfahrtmesse ILA vorgestellt. Jetzt soll die Detailarbeit beginnen. Bis Lamair wirklich abheben kann, müssen allerdings noch einige Probleme gelöst werden.

"Im Prinzip fliegt ein Flugzeug durch stehende Luft, nur um den Flieger herum ist sie in Bewegung", sagt Lamair-Projektleiter Arne Seitz vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig. Das bleibt nicht ohne Folgen - insbesondere nicht, wenn ein Passagierflugzeug mit etwa 800 Kilometern pro Stunde durch ruhende Luftmassen pflügt.

Zwischen der Flugzeughaut und der Umgebung entsteht eine nur wenige Millimeter dicke Grenzschicht, innerhalb der die Geschwindigkeit von 800 Stundenkilometer auf beinahe null zurückgeht. An der Vorderkante eines Flügels ist diese Schicht noch gleichförmig, nach wenigen Zentimetern wird sie allerdings turbulent. Wirbel entstehen, die Energie fressen und dadurch bremsen. Die Triebwerke müssen zusätzliche Arbeit leisten.

Ein wichtiger Faktor für das Auftreten dieser Verwirbelungen ist der sogenannte Pfeilwinkel der Tragflächen, der Instabilitäten im Luftfluss begünstigt. Er verläuft zwischen der Flügelvorderkante und einer imaginären Linie, die senkrecht vom Rumpf nach außen ragt.

Bei modernen Passagierjets ist ein leichter Pfeilwinkel unabdingbar, um den Widerstand der Luft zu reduzieren und Geschwindigkeiten von 800 Kilometern pro Stunde wirtschaftlich überhaupt möglich zu machen. Allerdings sind heutige Tragflächen nicht nur pfeilförmig, sie werden nach außen auch zunehmend schmaler. Dadurch ergibt sich zwangsläufig ein sehr großer Pfeilwinkel.

"Es behauptet allerdings niemand, dass Flugzeuge stets rückwärts gepfeilt sein müssen, für den Auftrieb spielt das zunächst einmal keine Rolle", sagt Martin Kruse, DLR-Ingenieur in Braunschweig. Wenn es darum geht, die turbulente Strömung zu verhindern, ist die Richtung dagegen entscheidend: Bei einem umgedrehten, nach vorne gerichteten Flügel reduziert die spitz zulaufende Form der Tragflächen automatisch den Pfeilwinkel - ein rein geometrischer Effekt. Die Luftmassen verwirbeln im hinteren Bereich des Flügels. Bis dahin strömen sie gleichmäßig, Aerodynamiker nennen das "laminar".

Erste Versuche schon vor 60 Jahren

Die Idee ist nicht unbedingt neu. Bereits während des Zweiten Weltkriegs entwickelten deutsche, russische und amerikanische Ingenieure Flugzeuge mit vorwärts gepfeilten Tragflächen. In Deutschland konstruierte beispielsweise der Dessauer Ingenieur Hans Wocke die Junkers JU 287, einen schweren Langstreckenbomber, dessen Prototyp im August 1944 erstmals abhob. In Serie ging die JU 287 allerdings nie.

Deutlich erfolgreicher war der ebenfalls von Wocke entwickelte Hansa Jet - ein zehnsitziges Geschäftsflugzeug, das zwischen 1964 und 1973 gebaut wurde. 47 Maschinen entstanden damals, neun stürzten im Laufe der Zeit ab. Seitdem sind vorwärts gepfeilte Tragflächen nur noch bei Segelfliegern und bei experimentellen Kampfjets wie der amerikanischen X-29 und der russischen Su-47 Berkut zum Einsatz gekommen. An einer Verkehrsmaschine mit mehr als 150 Sitzplätzen hat sich bislang noch kein Ingenieur versucht.

Das Vorhaben ist nicht ohne Risiko. Bei jeder Tragfläche führt der Auftrieb unweigerlich dazu, dass sich die Flügelspitzen nach oben biegen. Aufgrund ihrer Form verdrehen sich konventionelle Flügel dabei allerdings so, dass der Anstellwinkel an den Spitzen abnimmt und die Auftriebskraft geringer ausfällt. Die beiden Effekte kompensieren sich, die Tragfläche entlastet sich selbst.

Bei einem vorwärts gepfeilten Flügel sieht das anders aus. Der Anstellwinkel geht beim Durchbiegen nicht etwa zurück, er vergrößert sich sogar. Der Auftrieb an den Spitzen nimmt dadurch zu, die Tragfläche biegt sich noch mehr durch - bis hin zu einem möglichen strukturellen Versagen. Abhilfe kann eine deutlich stabilere Konstruktion schaffen. Sie würde allerdings das Gewicht und somit den Kerosinverbrauch übermäßig steigern. Genau das, was der seltsame geformte Flügel eigentlich verhindern sollte.