Zu stark abbremsen

Erhöhe den Anstellwinkel, und der Auftrieb nimmt eine Zeit lang zu. Dann ändert sich etwas. Beim kritischen Anstellwinkel, im Spielzeugmodell etwa bei 15°, löst sich die gleichmäßige Luftströmung über der Oberseite des Flügels von der Oberfläche und verwirbelt. Der Auftrieb nimmt ab und der Luftwiderstand nimmt zu. Das nennt man Strömungsabriss.

Zwei Dinge solltest du dir sofort merken:

• Ein Strömungsabriss hat nichts damit zu tun, dass der Motor ausgeht. Ein Flugzeug kann bei voller Motorleistung einen Strömungsabriss bekommen, und ein Segelflugzeug hat überhaupt keinen Motor.
• Ein Strömungsabriss wird durch den Anstellwinkel verursacht, nicht durch die Geschwindigkeit. Bei einem Flügel tritt ein Strömungsabriss auf, wenn α über den kritischen Winkel hinausgeht – und das kann bei jeder Geschwindigkeit passieren.

Die Strömungsabrissgeschwindigkeit. Im Horizontalflug entspricht der Auftrieb dem Gewicht. Beim größtmöglichen Auftriebsbeiwert C_Lmax ist die Geschwindigkeit, bei der der Flügel das Gewicht noch tragen kann, am niedrigsten:

V_s = √( 2W / (ρ S C_Lmax) )

Für das Spielzeugflugzeug gilt: W = 9.810 N, ρ = 1,225, S = 16 m², C_Lmax = 1.6. Dann ist V_s = √(19.620 / 31,36) ≈ 25 m/s, also etwa 90 km/h oder 49 Knoten. Das stimmt mit der letzten Zeile der Tabelle in Lektion 2 überein.

Was verändert die Strömungsabrissgeschwindigkeit?

• Gewicht. Es steht unter einer Quadratwurzel. 20 Prozent mehr Gewicht (1.200 kg) ergeben V_s × √1,2 ≈ 27,4 m/s.
• Dichte. Weiter oben ist die Luft dünner. In 3.000 m Höhe beträgt die Strömungsabrissgeschwindigkeit in der Standardatmosphäre (ρ ≈ 0,91) als wahre Fluggeschwindigkeit etwa 29 m/s.
• Landeklappen. Sie erhöhen C_Lmax. Bei C_Lmax = 2,0 gilt V_s ≈ 22,4 m/s.
• Lastvielfaches. In einer Kurve oder beim Pull-up muss der Flügel mehr als das Gewicht tragen: Die Strömungsabrissgeschwindigkeit steigt um √n. Bei n = 2 bekommt das Spielzeugflugzeug bei etwa 35 m/s einen Strömungsabriss. In Welt 2 siehst du, wie das mit dem Querneigungswinkel zusammenhängt.

Warum kommt es zur Strömungsablösung? Entlang der Oberseite des Flügels wird die Luft zuerst schneller und ihr Druck fällt. Danach muss sie sich auf dem Weg zur Hinterkante wieder verlangsamen und der Druck muss sich erholen. Die Luft direkt an der Oberfläche (die Grenzschicht) ist langsam und erschöpft. Bei einem großen Anstellwinkel ist die Druckerholung so abrupt, dass diese langsame Schicht nicht dagegen andrücken kann: Sie kommt zum Stillstand, kehrt ihre Bewegungsrichtung um und löst sich von der Oberfläche ab. Alles hinter diesem Punkt ist eine turbulente Wirbelschleppe, und der Auftrieb bricht zusammen. Das Flow Lab zeigt, warum eine Potentialströmung sich nie ablöst und warum es bei echten Flügeln dazu kommt.

Wie fühlt sich das an? Vor dem Strömungsabriss kann ein Flügel zittern und rütteln, wenn die Strömung beginnt, auseinanderzufallen. Danach kippt das Flugzeug oft über einen Flügel ab oder senkt die Nase. Das physikalische Grundprinzip zur Erholung folgt aus der Ursache: Das Problem ist ein zu großer Anstellwinkel, daher besteht die Lösung darin, den Anstellwinkel zu verkleinern (indem man weniger zieht und die Nase relativ zur Luftströmung senkt). Wie ein bestimmtes Flugzeug aus einem Strömungsabriss herausgeflogen wird, zeigen Fluglehrer beim Training für den jeweiligen Flugzeugtyp.