Strömungsabriss
Unter Strömungsabriss versteht man in der Strömungslehre die Reduktion der dynamischen Auftriebskraft, die an der Tragfläche entsteht, wenn der Anstellwinkel sich vergrößert. Dies geschieht beim Überschreiten des kritischen Anstellwinkels der Tragfläche. Der kritische Anstellwinkel beträgt typischerweise 15 Grad, es können aber abhängig von der Luftströmung, den Tragflächen und der Reynolds-Zahl erhebliche Abweichungen auftreten.
Strömungsabrisse äußern sich oft als plötzlicher Abfall des dynamischen Auftriebes, wenn der Pilot den Anstellwinkel vergrößert und dessen kritischen Wert überschreitet. Ein Strömungsabriss bedeutet nicht, dass Triebwerke ausfallen oder die Fortbewegung des Flugzeuges aufhört - derselbe Effekt kann auch an stromlosen Segelflugzeugen beobachtet werden.
Der Strömungsabriss kann zum Verlust der Kontrolle über das Flugzeug und schließlich zum Absturz führen.
Definition
Ein Strömungsabriss in der Aerodynamik und Luftfahrt ist ein Zustand, bei dem der Anstellwinkel über einen bestimmten Punkt hinaus vergrößert wird, bei dem der Auftrieb beginnt zu sinken. Der Winkel, bei dem dies geschieht, wird der kritische Anstellwinkel genannt. Der Wert dieses Winkels ist abhängig vom Flügelprofil, Bauweise, Seitenverhältnis und anderen Größen, beträgt aber üblicherweise zwischen 8 und 20 Grad.
Die Spaltung der Luftströmungen fängt schon bei einem kleinen Anstellwinkel an, während die anliegende Strömung über der Tragfläche immer noch dominant ist. Als der Anstellwinkel zunimmt, nehmen die getrennten Bereiche oberhalb des Flügels in Größe zu und hemmen die Fähigkeit des Flügels, Auftrieb zu erzeugen. Ist der kritische Anstellwinkel erreicht, ist die abgelöste Strömung so prävalent, dass weitere Erhöhung des Winkels weniger Auftrieb und mehr Widerstand erzeugt.
Während des Strömungsabrisses kann es zum Buffeting oder zu Änderungen in der Flughöhe kommen. Buffeting ist eine Erscheinung, bei der die Tragflächen anfangen, elastische Schwingungen zu erzeugen. Die meisten Flugzeuge werden so gebaut, dass kein plötzlicher Strömungsabriss auftreten kann. Verschiedene Bordinstrumente warnen den Piloten, bevor der kritische Anstellwinkel erreicht ist, sodass der Pilot noch ausreichend Zeit zum Reagieren hat. Flugzeuge, bei denen kein Buffeting auftreten kann, können beispielsweise über Tonalarmanlagen oder Überziehwarnanlagen verfügen, welche die charakteristischen Zustände beim Buffeting simulieren.
Jedes Gieren (Drehung des Flugzeuges um die z-Achse) beim Eintritt des Strömungsabrisses kann zum Trudeln des Flugzeuges führen, bei dem die Maschine sich in spiralförmiger Drehung zum Boden bewegt.
Kritischer Anstellwinkel
Unter einem Anstellwinkel versteht man den Winkel zwischen der Geschwindigkeitsrichtung einer Luftströmung und der Profilsehne eines Tragflügels. Der kritische Anstellwinkel ist dann derjenige, bei dem der maximale Auftriebskoeffizient erzeugt wird. Unter diesem Wert nimmt die Rate der Auftriebskraft zu. Beim Überschreiten des kritischen Anstellwinkels fließt der Luftstrom weniger gleichmäßig über der Oberfläche des Tragflügels und kann sich irgendwann abspalten. An den meisten Tragflächenprofilformen bewegt sich dieser Ablösepunkt mit dem Ansteigen des Anstellwinkels von der hinteren zur vorderen Kante des Flügels hin. Sobald der kritische Anstellwinkel erreicht ist, ist auch die Ablösung des Luftstroms im vorderen Bereich der Tragfläche am größten. Auf diese Weise wird der maximal mögliche Koeffizient des Auftriebes erreicht. Beim weiteren Ansteigen des kritischen Anstellwinkels nimmt dieser Wert wieder ab, da sich die Luftströmung immer mehr gänzlich ablöst.
Einige Militärflugzeuge sind in der Lage, einen kontrollierbaren Flug bei einem sehr großen Anstellwinkel zu erreichen. Dadurch erlangt das Luftfahrzeug äußerste Agilität. Solche Eigenschaften machen eine hohe Manövrierbarkeit des Flugzeuges möglich. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Kobramanöver. Im Kobramanöver kommt das Flugzeug im Steigflug durch das extreme Anheben des Bugs vertikal fast zum Stehen, geht dann in den Horizontalflug über und verlangsamt sich dabei, ohne wesentlich an der Flughöhe zu verlieren.
Aerodynamische Beschreibung
Ein Flugzeug kann bei jeder Fluggeschwindigkeit und aus jeder Längsneigung oder Querlage zum Zustand des Strömungsabrisses gebracht werden. Meistens wird dies jedoch durch Verringerung der Geschwindigkeit bis zur Überziehgeschwindigkeit auf einer sicheren Flughöhe praktiziert. Die Höhe der Überziehgeschwindigkeit variiert je nach Bauweise des Luftfahrzeuges. Wenn das Flugzeug diese Geschwindigkeit erreicht, muss der Anstellwinkel reduziert werden, um den Verlust der Flughöhe oder die Zunahme der Eigengeschwindigkeit zu verhindern. Dabei kann eine verringerte Steuerbarkeit des Flugzeuges sowie ein leichter Buffeting festgestellt werden, wenn sich die turbulente Luft von der Tragfläche ablöst und auf das Heck prallt.
Die meisten Leichtflugzeuge beginnen beim Strömungsabriss zu sinken, weil die Tragfläche nicht mehr genügend Auftrieb erzeugt, um das Gewicht des Flugzeuges zu halten. Die Wiederherstellung des normalen Zustandes erfolgt durch das Senken des Bugs, um den Anstellwinkel zu verringern und die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, bis die Tragflächen wieder gleichmäßig von der Luft umströmt werden. Danach kann der normale Flug fortgesetzt werden. Das Manöver ist normalerweise sehr sicher und kann lediglich eine unwesentliche Abnahme der Flughöhe verursachen. In entsprechenden Übungen lernen die Piloten diesen Zustand zu erkennen, vermeiden und den sicheren Flug wiederherstellen. Piloten müssen das Flugzeug während und nach einem Strömungsabriss steuern können. Gefährlich kann Strömungsabriss dann werden, sofern rechtzeitig erkannt, wenn sich das Flugzeug auf einer viel zu niedrigen Flughöhe befindet, um die Wiederherstellung durchzuführen.
Eine spezielle Form des asymmetrischen Strömungsabrisses ist das Trudeln. Der Strömungsabriss entsteht dann nur an einer der Tragflächen, sodass das Flugzeug um die eigene Gierachse rotiert. Das Flugzeug steigt dabei rapide ab. Einige Flugzeuge sind nicht in der Lage, ohne korrekte Steuerung durch den Piloten aus diesem Zustand wieder heraus zu kommen. Während des Startes und der Landung ist die Wahrscheinlichkeit, ins Trudeln zu kommen, am höchsten, da das Flugzeug während dieser Prozesse nicht ausreichend Geschwindigkeit entwickeln kann. Überziehgeschwindigkeit erhöht sich auch, wenn die Tragflächen mit Eis oder Raureif bedeckt sind, wodurch die Oberfläche rauer und das Flugzeug allgemein schwerer wird.
Strömungsabrisse sind nicht von der Fluggeschwindigkeit abhängig und können bei jeder Geschwindigkeit auftreten, sofern der Anstellwinkel zu hoch ist.
Charakteristik
Ein kommender Strömungsabriss macht sich hauptsächlich durch verlangsamte Steuerbarkeit, insbesondere der Quer-, Höhen- und Seitenruder und das Buffeting bemerkbar. Überziehwarnanlagen geben frühzeitig Warnsignale, um eine angemessene Reaktionszeit zu ermöglichen.
Verschiedene Flugzeugtypen zeigen beim Strömungsabriss unterschiedliches Verhalten. Wenn der Bug nur leicht sinkt und die Tragflächen auf gleicher Höhe bleiben, ist der Strömungsabriss noch ungefährlich. Etwas anspruchsvoller wird die Situation dann, wenn der Strömungsabriss zuerst an einem der Flügel entsteht, sodass dieser Flügel deutlich absinkt und das Flugzeug ins Trudeln geraten kann. Ein gefährlicher Strömungsabriss passiert dann, wenn der Bug angehoben wird und so die Tragflächen tiefer in den Abrisszustand drückt. Dies kann potenziell zu einem nicht mehr ausgleichbaren Strömungsabriss führen.
Dynamischer Strömungsabriss
Ein dynamischer Strömungsabriss ist ein aerodynamischer Effekt, der eintritt, wenn die Tragflächen schnell den Anstellwinkel ändern. Die rapide Änderung kann einen Wirbel um den Flügel herum verursachen. Der Wirbel enthält Hochgeschwindigkeitsluftströme und erhöht kurzzeitig den von der Tragfläche erzeugten Auftrieb. Sobald die Luft jedoch die hintere Kante des Flügels passiert hat, stellt sich der normale Strömungsabrisszustand wieder her.
Dynamischer Strömungsabriss wird in der Regel in Bezug mit Hubschraubern und Schlagflügeln gebracht.
Verzögerungen in der Entstehung des Strömungsabrisses können bei dreidimensionalen Luftströmungen auftreten. Wenn der Anstellwinkel an einer Tragfläche sich schnell erhöht, bleibt der Luftstrom im Wesentlichen bis zu einem viel größeren kritischen Anstellwinkel mit derer Oberfläche verbunden, als es in einem stabilen Zustand erreichbar wäre. Im Ergebnis tritt der Strömungsabriss zu einem späteren Zeitpunkt ein und der Auftriebskoeffizient ist signifikant höher, als der Maximalwert im stabilen Zustand. Dieser Effekt wurde zum ersten Mal bei Propellern beobachtet.
Tiefer Strömungsabriss
Der gefährliche tiefe Strömungsabriss tritt bei bestimmten Flugzeugtypen auf, insbesondere denen mit einem T-Leitwerk. Das Höhenruder wird dabei durch Luftströme von den Tragflächen außer Betrieb gesetzt und kann somit nicht mehr in die Steuerung des Flugzeuges einbezogen werden.
Eine ähnliche Erscheinung konnte bereits bei vielen Flugzeugtypen festgestellt werden, bevor dieser Begriff geprägt wurde. Eine Reihe von fatalen Unfällen in den 60’er und 70’er Jahren veranlasste die Erfindung der Überziehwarnanlagen. Trotzdem verursacht tiefer Strömungsabriss weiterhin Flugunfälle, da bei dieser Störung die Kontrolle über das Flugzeug auch in großen Höhen potenziell nicht wieder erlangt werden kann. Der Absturz des Air-France-Fluges 447 über der Atlantik auf dem Weg von Rio de Janeiro nach Paris im Jahr 2009 ereignete sich aufgrund von einem Strömungsabriss auf der Höhe von circa 11.000 Meter, das Flugzeug hatte jedoch kein T-Leitwerk.
Überziehen der Flügelspitzen
Flugzeuge mit Pfeilflügel können bei kleineren Geschwindigkeit Anzeichen eines Strömungsabrisses zeigen. Bei hohen Geschwindigkeiten tendiert die Luftströmung dazu, sich direkt entlang der Profilsehne zu entwickeln. Wenn die Geschwindigkeit wieder abnimmt, bauen sich aufgrund des Winkels der Profilnase seitliche Effekte auf. Der Luftstrom im Ursprung wird nur durch den Winkel der Tragfläche beeinflusst, an weiteren Stellen entlang der Oberfläche kommen aber auch seitliche Effekte und Komponente hinzu. Da nur der Luftstrom entlang der Profilsehne zur Erzeugung des Auftriebes beiträgt, entwickelt sich mehr Auftriebskraft an der Spitze des Flügels, als an der Wurzel. Der durchschnittliche Auftrieb verlagert sich nach vorne, die inneren Abschnitte beteiligen sich weiterhin an der Erzeugung und befinden sich grundsätzlich vor dem Massenschwerpunkt, während die Spitzen nicht mehr zum Auftrieb beitragen und hinter diesem Punkt liegen. Dies führt zu einem kräftigen Aufbäumen des Bugs, was wiederum zum stärkeren Abreisen der Tragflächen führt und der Auftrieb sich weiter nach vorne. Diese Kettenreaktion gilt als sehr gefährlich und wird als „Pitch-up“ bezeichnet.
Dieses Verhalten kann auf mehreren Wegen beseitigt werden, von denen mindestens ein Mittel auf jedem modernen Flugzeug vorgefunden werden kann. Die Lösungen beziehen sich auf Veränderung der Bauweise der Tragflächen, entweder durch bessere Form oder durch zusätzliche Bauelemente, um die seitwärts bewegte Luft wieder zurück in Richtung des hinteren Teils des Flügels umzuleiten.
Warn- und Sicherheitssysteme
Starrflügler können mit verschiedenen Anlagen oder Vorrichtungen ausgestattet werden, welche einen Strömungsabriss verhindern, abmildern, davor warnen oder die Wiederherstellung einfacher machen. Eine Kategorie stellt zusätzliche Vorrichtungen an den Tragflächen oder am gesamten Flugzeug dar, welche die Entwicklung des Auftriebes beeinflussen bzw. den richtigen Durchfluss der Luftströmungen steuern. Elektronische Geräte im Cockpit warnen den Piloten beim Erreichen des kritischen Anstellwinkels. Einige Instrumente blockieren den Aufstieg über dem kritischen Anstellwinkel automatisch.
Überziehwarnanlagen empfangen Signale von mehreren Sensoren und Systemen. Blockierung, Verlust oder Nichtbeachtung des Strömungsabrisses können zu Störungen der Überziehwarnanlage führen und die Fehlfunktion solcher Systeme, wie Geschwindigkeitswarnung, Autopilot oder Gierdämpfer.
Die meisten Militärkampfflugzeuge haben einen Anstellwinkelindikator, der dem Piloten genau anzeigt, wie nah das Flugzeug zum Absturzpunkt ist. Die Instrumente in modernen Verkehrsflugzeugen können den Anstellwinkel ebenfalls messen, diese Information erscheint aber nicht immer auf dem Display, sondern wird an die Überziehwarnanlage oder an den Bordcomputer adressiert.
Störklappen
Mit Ausnahme der Flugausbildung, Flugtests und Kunstflug, ist der Strömungsabriss ein unerwünschtes Ereignis. Störklappen sind jedoch Vorrichtungen, die explizit zum Einsatz kommen, um eine sorgfältig kontrollierte Strömungsablösung über einen Teil der Tragfläche und einen geringeren Auftrieb zu generieren und den Luftwiderstand zu erhöhen. Dies ermöglicht einen schnelleren Sinkflug ohne Geschwindigkeitszuwachs. Zur Verbesserung der Rollsteuerung werden Störklappen auch asymmetrisch angebracht. Darüber hinaus werden Störklappen beim Startabbruch und bei der Landung geöffnet, um das Gewicht des Flugzeuges zu erhöhen und eine bessere Bremswirkung zu erzeugen.