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Flight Safety
Die Problemstellung
Die Aerodynamik von Flugzeugen ist ein komplexes Zusammenspiel von Auftrieb, Widerstand und Strömungsphänomenen. Besonders im Bereich des überschallnahen Fliegens (dem sog. transsonischen Bereich), also bei Geschwindigkeiten zwischen Mach 0,75 und 0,95, stoßen klassische Flügelprofile an ihre Grenzen. Obwohl das Flugzeug selbst noch im Unterschall fliegt, können auf der Oberseite des Flügels aufgrund der durch die Wölbung beschleunigten Strömung lokale Strömungsbereiche auftreten, die bereits Überschallgeschwindigkeit erreichen. Hinter diesen Bereichen entstehen dann sog. Stoßwellen, die den Luftstrom abrupt abbremsen. Das führt zu einem stark erhöhten Luftwiderstand (dem sog. Wellenwiderstand), einem Verlust an Auftrieb und mitunter zu instabilem Flugverhalten und sog. Buffeting (Flügelschwingungen). Schon in den 1940er- und 1950er-Jahren war dies ein zentrales Problem für die zivile und militärische Luftfahrt. Frühe Strahlflugzeuge konnten daher entweder nur mit niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben werden oder mussten hohe Treibstoffkosten und eine eingeschränkte Reichweite, bzw. schwierige Steuerungseigenschaften in Kauf nehmen.
Die Lösung
In den 1960er-Jahren entwickelte der amerikanische Aerodynamiker Richard T. Whitcomb bei der NASA eine Lösung für dieses Problem. Sein Ansatz bestand darin, die Form des Flügelprofils so anzupassen, dass die entstehenden Stoßwellen schwächer wurden oder weiter nach hinten verlagert auftraten. Das Ergebnis war das sogenannte superkritische Flügelprofil. Superkritisch deshalb, weil die sog. kritische Geschwindigkeit (bzw. Mach-Zahl), bei der erstmals Überschallströmungsfelder an der Tragfläche auftreten, problemlos(er) überschritten werden kann, daher also über-kritisch = superkritisch.
Dazu ist die Oberseite flacher gestaltet, wodurch die Luftströmung dort weniger stark beschleunigt wird. Hintergrund ist die Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Druck, die durch die Bernoulli-Gleichung beschrieben werden kann. Bei klassischen Profilen steigt die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite stark an, wodurch der Druck abnimmt und lokal bereits Überschallgeschwindigkeit entsteht. Im superkritischen Profil fällt dieser Geschwindigkeitsanstieg deutlich moderater aus, sodass der Übergang in den Überschallbereich verzögert wird.
Entscheidend ist auch die Gestaltung der Druckverteilung entlang des Profils. Während ein herkömmlicher Flügel eine steile Druckzunahme hinter der Stoßwelle aufweist, verläuft der Druckanstieg beim superkritischen Profil sanfter. Dies reduziert die Intensität der Stoßwelle und damit die Gefahr, dass sich die Strömung von der Oberfläche löst.
Ein weiteres zentrales Element ist die stärkere Wölbung der Profilunterseite, die den Gesamtauftrieb sicherstellt, obwohl die Oberseite flacher gehalten ist und dabei weniger Unterdruck erzeugt. Damit wird die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite im Mittel wieder groß genug, um das Flugzeug zu tragen.
Technisch gesehen arbeitet das superkritische Profil also mit einer gezielten Verschiebung der bereits erwähnten kritischen Machzahl, also jener Geschwindigkeit, bei der erstmals Überschallströmungen am Flügel auftreten. Diese kritische Machzahl liegt bei superkritischen Profilen deutlich höher als bei klassischen Formen, wodurch Flugzeuge im transsonischen Bereich mit wesentlich geringerem Wellenwiderstand betrieben werden können.
Man kann dies auch mit der Theorie der kompressiblen Strömung beschreiben: Je nach Form des Profils wird der lokale Druckkoeffizient Cp unterschiedlich stark negativ, was die Entstehung und Position von Stoßwellen beeinflusst.
Die betrieblichen Vorteile liegen klar auf der Hand: durch die Verringerung des Wellenwiderstands können Flugzeuge im transsonischen Bereich nun deutlich effizienter betrieben werden. Der geringere Luftwiderstand führt direkt zu einem niedrigeren Treibstoffverbrauch, was die Reichweite erhöht und die Wirtschaftlichkeit verbessert. Gleichzeitig bleibt die Strömung bei einem superkritischen Profil länger am Flügel anliegend, wodurch der Auftrieb stabiler und das Flugverhalten berechenbarer wird. Flugzeuge können so näher an der Schallgeschwindigkeit operieren, ohne die drastischen Effizienzverluste früherer Flügelprofile hinnehmen zu müssen.
Die bereits erwähnte stärkere Wölbung im hinteren Bereich der Profilunterseite führt durch ihren großen Beitrag zur Auftriebserzeugung zu einer konstruktiven Herausforderung beim Einsatz von superkritischen Profilen: der Flügel bekommt ein starkes Drehmoment um die Querachse des Flugzeugs (ein abnickendes Moment), dem konstruktiv insofern entgegengewirkt werden muss, als eine starke Verwindung der Tragfläche vermieden werden sollte. Zugleich ist häufig eine robuste Flügelhinterkante notwendig, um die dazu erforderliche Materialfestigkeit zu gewährleisten, was sich oft an dicken Profilenden erkennen lässt, die widerstandserhöhende Verwirbelungen erzeugen. Dies ist eindeutig ein Nachteil bei superkritischen Profilen, der jedoch durch die sonstigen Effizienzverbesserungen mehr als ausgeglichen werden kann.
Seit den 1970er-Jahren hat sich das superkritische Flügelprofil in der Luftfahrt weitgehend etabliert. Moderne Verkehrsflugzeuge wie die Boeing 787 oder der Airbus A350 nutzen Varianten dieser Profile, um Reisegeschwindigkeiten um Mach 0,85 bei gleichzeitig hohem Komfort und geringem Verbrauch zu ermöglichen. Auch im militärischen Bereich, etwa bei Transport- und Tankflugzeugen, werden sie eingesetzt, um lange Strecken mit ökonomischem Treibstoffverbrauch zurückzulegen.
Die Zukunft
Das superkritische Profil ist jedoch nicht das Ende der Entwicklung. Heute arbeiten Ingenieurinnen und Ingenieure an weiterführenden Konzepten, die das Fliegen noch effizienter machen sollen. Dazu gehören Laminarflügel, die den Luftwiderstand durch eine verzögerte Umwandlung von laminarer in turbulente Strömung verringern, oder adaptive Flügel, deren Form sich während des Fluges je nach Anforderung verändert. Mithilfe moderner Computersimulationen lassen sich Flügelprofile mittlerweile so genau auf unterschiedliche Einsatzbereiche abstimmen, dass nahezu jeder Flugzeugtyp eine speziell angepasste Form erhält.
Fazit
Das superkritische Flügelprofil ist also weit mehr als eine bloße geometrische Spielerei. Es stellt eine Schlüsselinnovation der modernen Luftfahrt dar, die es ermöglicht hat, Flugzeuge schneller, effizienter und sicherer zu machen.
Durch die Reduktion des Wellenwiderstands im kritischen Geschwindigkeitsbereich konnten somit die Reichweite und Wirtschaftlichkeit von Verkehrsflugzeugen erheblich verbessert werden. Wer heute in einem modernen Jet z.B. über den Atlantik fliegt, profitiert direkt von dieser Entwicklung. Der Begriff „superkritisch“ - so dramatisch er auch klingen mag - beschreibt dabei eine aerodynamische Meisterleistung, die den Luftverkehr revolutioniert hat.