Warum fliegt ein Segelflugzeug?

Das Wetter sieht gut aus. Der Himmel ist beinahe zur Hälfte mit Quell- oder Haufenwolken bedeckt, die der Meteorologe Cumuli nennt. Ideale Bedingungen, um Segelflug zu betreiben.

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Cumuluswolken in den Alpen. Auch Schönwetterwolken genannt. Vom Segelflieger gern gesehen, da sie zumeist gute Thermik kennzeichnet.

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Ein Blick an den Himmel zeigt vielleicht Segelflugzeuge, wie sie unter den Cumuli kreisen, um in der Thermik Höhe zu gewinnen. Diese Höhe ist notwendig, um anschließend im Streckenflug voran kommen zu können.

Warum fällt so ein Segelflugzeug eigentlich nicht einfach vom Himmel? Es hat doch keinen Motor!
Solche Fragen stellt sich der Uneingeweihte vielleicht beim Betrachten der Flugzeuge am Himmel. Nun verhält es sich aber so, dass ein Segelflugzeug permanent fällt, halt nur auf eine besondere Art und Weise. Spätestens hier kommt nun etwas Physik ins Spiel.

Das die Beschäftigung mit dem Hobby Segelfliegen durchaus praktische Bezüge haben kann, zeigt die Facharbeit unseres Flugschülers Paul Malek. Diese hat er für den Leistungskurs Physik in der Jahrgangstufe 11 erstellt und behandelt zukünftige Leistungsteigerungen in der Segelflugzeugentwicklung.

Das einleitende Kapitel dieser Arbeit bespricht die Grundlagen der Flugphysik und beantwortet auch die oben genannten Fragen. Deswegen wollen wir an dieser Stelle zur Klärung beitragen und dieses Kapitel veröffentlichen.

 

1. Grundlage des Segelflugs

1.1. Begriffserklärungen zur Tragfläche


1.1.1. Maße am Profil

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Die Profiltiefe gibt die Strecke von der Tragflächenvorderkante oder Flügelnase bis zur Hinterkante an einer bestimmten Stelle des Flügels an, während die Profildicke die entsprechende Höhe der dicksten Stelle angibt. Die Dickenrücklage beschreibt die Entfernung von der Flügelnase bis zur dicksten Stelle des Profils und wird als prozentualer Anteil der Profiltiefe angegeben.
Die Profilmittellinie oder Profilwölbung ist eine gedachte Linie von der Flügelnase zur Hinterkante, die immer den gleichen Abstand zur Ober- und Unterseite des Flügels hat. Mit dieser Linie gibt man, wie der Name sagt, die Wölbung, also die Krümmung des Profils, an.
Die Profilbezugslinie ist eine gedachte Gerade durch die Profilnase und die Hinterkante, anhand derer der Anstellwinkel bestimmt wird.

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Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Richtung der umgebenden Luftströmung, der sogenannten Anströmrichtung oder auch Anblasrichtung, und der Profilbezugslinie. Die Anblasrichtung ist entgegengesetzt zur Flugrichtung gerichtet.

1.1.2. Bezeichnungen in der Strömung

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Da wo die Luftströmung auf der Flügelnase trifft, sich nach oben und unten aufteilt und eine Grenzschicht bildet, liegt der sogenannte Staupunkt. In der Grenzschicht nähert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft vom Stillstand an der Oberfläche des Flügels der Geschwindigkeit der umgebenden Luft an. Vom Staupunkt aus strömt die Luft zunächst parallel zur Profiloberfläche (laminare Grenzschicht) nach hinten bis zu den Umschlagpunkten, wo die Strömung turbulent wird. Dort fließt sie also nicht mehr parallel zur Oberfläche, folgt aber weiterhin der Profilform. Erst am Ablösungspunkt löst sich die Strömung von der Flügeloberfläche und verwirbelt, wobei die Wirbel auch gegen die Strömungsrichtung laufen können.

1.2. Physikalische Erklärungen

1.2.1. Kräfte am Segelflugzeug

Für die folgende Betrachtung der Kräfte gehe ich von einem Flug in einer ruhenden Luftmasse aus. Das heißt das Segelflugzeug erhält keinen Einfluss von außen.
Direkt wirkt nur die Gewichtskraft oder Erdbeschleunigung auf das Flugzeug ein, wobei allerdings ein kleiner Teil dieser Beschleunigung durch die Profilform in eine Kraft in Flugrichtung umgewandelt wird. Daraus folgt, dass es noch eine Restkomponente der Gewichtskraft geben muss, die senkrecht zur Flugbahn gerichtet ist.
Die Geschwindigkeit des Flugzeugs hat zwei weitere Kräfte zur Folge. Einerseits den Widerstand der Luft, den jeder bewegte Körper erfährt und der entgegengesetzt zur Vorwärtsbeschleunigung wirkt. Andererseits entsteht der Auf-trieb, der wiederum senkrecht zur Flugrichtung und entgegengesetzt zur Restkomponente der Gewichtskraft wirkt. Widerstand und Auftrieb bilden zusammen die sogenannte Luftkraft, die entgegen der Gewichtskraft senkrecht nach oben wirkt. Auftrieb und Widerstand sind aber nicht nur von der Geschwindigkeit des Flugzeugs abhängig, sondern auch von der Luftdichte, der Profilform und der Flügelfläche.
Bei ruhender Luft ist es nicht möglich, mit einem Segelflugzeug bei konstanter Geschwindigkeit die gleiche Höhe zu halten, da selbst wenn alle Kräfte sich gegenseitig aufheben immer ein Teil der potenziellen Energie ( = Höhe ) des Flugzeugs in eine vorwärts gerichtete Kraft ( = Geschwindigkeit ) umgewandelt werden muss. Deshalb weicht die Flugbahn im unbeschleunigten Flug immer um einen bestimmten Winkel von der Horizontalen nach unten ab. Dieser sogenannte Gleitwinkel ist je nach Flugzeug unterschiedlich und wird oft als Angabe zur Leistungsfähigkeit genommen. Meistens wird jedoch das Gleitverhältnis verwendet, also das Verhältnis von zurückgelegter Strecke und verlorener Höhe bzw. von Auftrieb und Widerstand.

1.2.2. Entstehung des Auftriebs

Damit ein Flugzeug fliegt, muss es mit seinen Tragflächen Auftrieb erzeugen, also eine nach oben gerichtete Kraft. Dies wird zum einen nach dem dritten Newtonschen Axiom,
Kräfte treten immer paarweise auf, übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus, so wirkt eine gleichgroße, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A
erreicht: Durch eine nach unten gebogene Flügelhinterkante und die Wölbung der Flügeloberseite wird der Luftstrom hinter der Tragfläche nach unten geleitet und dadurch entsteht gleichermaßen eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Tragfläche. Je schneller das Flugzeug jetzt fliegt, desto stärker wird die Luft nach unten beschleunigt und desto größer ist die Auftriebskraft.
Einen weiteren Teil zum Auftrieb trägt der Bernoulli-Effekt bei. Dieser bewirkt, "dass in einem strömenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet ist."  Da die Luftteilchen bei vielen Profilen auf der Oberseite der Tragfläche eine größere Strecke zurücklegen müssen als auf der Unterseite und die Teilchen, die gleichzeitig an der Flügelnase sind, auch gleichzeitig an der Hinterkante ankommen müssen, ist die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite entsprechend größer. Somit entsteht ein Druckunterschied zwischen der Flügeloberseite und -unterseite, der die Tragfläche nach oben zieht. Dabei ist zu beachten, dass im Vergleich zur umgebenden Luft auf beiden Seiten ein Unterdruck entsteht, da die Luft in beiden Richtungen dem Flügel ausweichen muss.
Die Gesamtauftriebskraft lässt sich durch die Formel F_a = C_a * q * A berechnen.
Dabei ist C_a der sogenannte Auftriebsbeiwert, der den Einfluss des Tragflächenprofils beinhaltet. Mit q wird der Staudruck oder dynamische Druck nach Bernoulli bezeichnet, der sich durch q = 0,5 * p *v*v berechnen lässt. Also enthält q die Luftdichte p und die Geschwindigkeit v. Zusätzlich beeinflusst auch noch die Flügelfläche A den Auftrieb. Da ich aber überwiegend die Profilform betrachten werde, ist hier nur der Auftriebsbeiwert relevant. Dieser ist allerdings abhängig vom Anstellwinkel.

1.2.3. Zum Widerstand

Der Widerstand entsteht wie der Auftrieb durch verschiedene Einflüsse. Zunächst gibt es natürlich den Reibungswiderstand, der durch die unterschiedliche Geschwindigkeit der Luftteilchen in der Grenzschicht entsteht. Dabei ist der Widerstand in der laminaren Grenzschicht wesentlich geringer als in der turbulenten. Zusätzlich dazu gibt es noch den Form- oder Druckwiderstand, der durch profilbedingte Verwirbelungen entsteht. Diese beiden Widerstandsarten bilden zusammen den Profilwiderstand, der zur Leistungsbeurteilung eines Profils verwendet wird und deshalb hier am wichtigsten ist.
Weiterhin gibt es noch den induzierten Widerstand, der durch Druckausgleich an den Flügelenden entsteht. Denn durch diesen Ausgleich bilden sich Wirbel, deren Entstehung Energie verbraucht. Induzierter Widerstand und Profilwiderstand zusammengefasst nennt man Flügelwiderstand.
Den Widerstand berechnet man analog zum Auftrieb durch F_w = C_w * p * A, wobei auch hier wiederum größtenteils der Widerstandsbeiwert C_w relevant sein wird.

1.2.4. Die Profilpolare

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Da die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte beide vom Anstellwinkel abhängig sind, werden sie in einem Diagramm, der sogenannten Profilpolare, eintragen.
Hier kann man ablesen, bei welchem Anstellwinkel der höchste Auftriebsbeiwert erzielt wird und wie groß er ist ( C_a max). Diese Angabe ist vor allem für den Langsamflug bei der Landung und beim Kreisen in der Thermik wichtig. Außerdem kann man ermitteln, welcher Anstellwinkel den niedrigsten Widerstandsbeiwert ergibt ( C_w min), was für den Schnellflug relevant ist. Legt man zusätzlich eine Tangente vom Ursprung an den Graphen, so kann man am Berührpunkt den Anstellwinkel für das beste Gleiten ablesen, hier ist das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand besonders gut, was bedeutet, dass der Gleitwinkel besonders klein ist und man eine bestimmte Strecke mit geringstem Höhenverlust zurücklegen kann.

 

Fliegen mit Sonnenenergie

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Ein Segelflugzeug ist also ein äußerst umweltfreundliches Luftffahrzeug, da es seine zum Fliegen benötigte Energie im Wesentlichen von der Sonne erhält, und zwar in Form von Thermik.
Was es braucht, ist nur eine Art Initialzündung, denn ein gewöhnliches Segelflugzeug kann nicht alleine starten, sondern muss im Flugzeug- oder Windenschlepp in den Himmel gebracht werden.
Die LSG ist zur Zeit dabei, eine eigene Winde zu bauen. Mehr zu diesem Thema folgt in einem separaten Artikel.

 

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