Winglets – Marketing oder Notwendigkeit?

Fast jeder, der sich ein wenig für Luftfahrt begeistert, oder schon öfter geflogen ist, kann die nach oben abgeknickten Flügelenden benennen: Winglets. Natürlich ist Winglet nicht gleich Winglet, denn die Erfindung liegt bereits deutlich weiter zurück als die Nutzung in der kommerziellen Luftfahrt. Doch handelt es sich dabei lediglich um eine kluge Marketingstrategie zum Thema Spritersparnis oder bergen Winglets weitere Vorteile?

Von Widerstand und Auftrieb

Auf den ersten Blick sorgt natürlich jedes zusätzliche Bauteil an einem Flügel für erhöhtes Gewicht und zusätzlichen Widerstand. Also ist es doch eigentlich Blödsinn, noch mehr Bauteile an einen bestehenden Flügel zu bauen, und dann auch noch Luft nach oben abzulenken? Das führt sogar zu noch weniger Auftrieb! Auch richtig. Warum aber macht es trotzdem Sinn?

Nun, neben einer geringen Verbesserung der Stabilität und der Erhöhung der Wendigkeit (geringeres Trägheitsmoment), ergeben sich Vorteile in der Effizienz:

Randwirbel am Flügel

Bei der Entstehung von Auftrieb erzeugen die Tragflächen auf der gewölbten Oberseite einen Unterdruck und auf der Unterseite einen Überdruck. Dieser Prozess ist dynamisch, denn Druckunterschiede haben immer das Bestreben, sich auszugleichen. Dieser Unterschied kann sich erst am Flügelende wieder vereinen. Hinter dem Flugzeug entstehen dadurch bei hohen Anstellwinkeln – aber auch im Reiseflug – sogenannte „Wirbelschleppen“. Diese sorgen nicht nur für einen hohen „induzierten Widerstand“, sondern stellen sogar eine Gefahr für den nachfolgenden Flugverkehr dar.

Ein Zaun gegen Druckausgleich

Setzt man nun am Ende der Tragfläche eine Art „Zaun“ oder Begrenzer ein, wird der Effekt des Druckausgleichs stark unterdrückt. Wie ihr bereits erahnen könnt, ist beispielsweise das Winglet ein solcher Begrenzer.

Der Überdruck auf der Tragflächenoberseite gleicht sich bereits am Übergang von Tragfläche zu Winglet aus, während der Überdruck auf der Unterseite eher an der Spitze des Winglets seinen Ausgleich findet. Hierdurch wird der Wirbel regelrecht „zerteilt“. Der Gesamtwiderstand kann dadurch allerdings nicht reduziert werden. Der Vorteil dieser Teilung liegt am Ende einfach darin, dass das Profil des Tragflügels im Außenbereich deutlich besser arbeiten kann. Ein einfacher Zaun ist bereits hilfreich, jedoch verfügen moderne Winglets außerdem über ein echtes „Profil“ – wie ein weiterer, kleiner Flügel.

Ein Effekt ergänzt den Nächsten

Durch die Reduzierung des Druckausgleichs ergeben sich viele weitere Vorteile im Betrieb des Flugzeuges. Unter anderem wird die Tragfläche dadurch effizienter. Sie kann bereits bei niedrigeren Geschwindigkeiten und geringem Anstellwinkel höheren Auftrieb entwickeln. Das reduziert im Endeffekt wiederum den induzierten Widerstand, und damit die Größe der entstehenden Wirbel. Dies reduziert die notwendige Energiezufuhr für das Flugzeug: Es benötigt weniger Leistung und somit weniger Treibstoff, um das selbe Ergebnis zu erreichen.

Warum biegt man die Winglets nicht einfach nach außen und vergrößert damit die Spannweite weiter?

Das ist einer der interessantesten Punkte. Grundsätzlich ist es in Summe natürlich cleverer, einfach die Spannweite des Flugzeuges zu erhöhen. Größere Spannweiten bedeuten eine vergrößerte Streckung, also das Verhältnis von Spannweite zur Flächentiefe, umgangssprachlich auch die „Schlankheit“ der Fläche genannt. Eine Erhöhung der Streckung verringert bereits grundsätzlich den Endwirbel der Tragfläche und damit den induzierten Widerstand. Im Unterschallbereich ist die Streckung besonders wichtig. Bei hohen Geschwindigkeiten verringern sich diese Vorteile signifikant.

Winglets werden also umso wichtiger, je geringer die Streckung ist. Oder umgekehrt, je schlanker ein Flügel ist, desto eher helfen Winglets, die aerodynamischen Nachteile auszugleichen. Viele Flugzeuge sind allerdings in ihrer maximalen Spannweite begrenzt. Dies kann bei älteren Modellen durch ihre Festigkeit bedingt sein, oder weil das Flugzeug durch seine Klasseeinstufung oder Zulassung beschränkt ist. In diesem Fall machen Winglets Sinn, da sie die Streckung der Fläche ohne eine Vergrößerung der Spannweite erhöhen.

Alles nur abgeguckt?

Auch Erkenntnisse aus der Erforschung des Vogelflugs sowie zahlreiche Tests in Windkanälen ermöglichen es, die Effektivität von Winglets zu steigern.

Nachrüstlösungen für bestehende Flugzeuge

Problematik der Flughäfenkategorien

Ein prominentes Beispiel für das Zulassungsproblem stellt die kommende Boeing 777X dar. Boeing erhöht die Effizienz des Flügels durch eine Erhöhung der Spannweite und somit Streckung. Der Flügel wirkt deutlich „schlanker“ als beim Vorgänger und verzichtet aufgrund der erhöhten Streckung vollständig auf Winglets.

Mit dieser Erhöhung würde die 777X allerdings in eine neue Kategorie für Flugzeuge am Boden der Flughäfen fallen. Kategorie „E“ sieht eine maximale Spannweite von 65 Metern vor – die alte 777 erfüllt diese Anforderung. Für die neue Spannweite von 68,6 Metern müsste jedoch jeder Flughafen neue Bedingungen für die 777X erfüllen (wie etwa der A380 oder die 747-8). Zahlreiche Flughäfen wären also für die 777X nicht mehr erreichbar. Boeing umgeht dieses Problem, indem sie die Tragflächenenden am Boden anklappbar machen. Mehr zur 777X könnt ihr in diesem WingMag-Beitrag lesen.

Aerodynamische Meisterleistung

Die Entwicklung von Winglets ist eine absolute Kunst der Ingenieure. Zahlreiche Formen und Entwicklungsstufen zeugen von der akribischen Forschung an jenen aerodynamischen Helfern. Kündigt ein Hersteller ein neues Wingletkonzept an, steckt meistens deutlich mehr dahinter als ein kluger Marketingstreich. Und Hand aufs Herz: Winglets sehen einfach cool aus! Ein altes Segelfliegersprichwort lautet nicht umsonst „Was gut aussieht, fliegt auch gut!“.

von Tim Takeoff