Flugakrobaten im Visier

15.12.2004

Flugzeugbau und Vogelkunde haben mehr gemeinsam, als man denkt

Was in der Theorie kaum bekannt ist, wird im Flugzeugbau längst praktisch umgesetzt – aber ebenso in der Biologie beispielsweise des Mauerseglers

Der Mauersegler (Apus apus) wurde für das Jahr 2003 zum Vogel des Jahres gekürt. Nicht weil er selten ist, sondern weil der Zugvogel während seiner Zeit in Europa die Nachbarschaft zum Menschen sucht. Seine Flügelspannweite beträgt im Mittel zwischen 42-48 cm. Dabei haben die Vögel lange, sichelförmige Flügel und einen kurzen, gegabelten Schwanz. Der wissenschaftliche Name leitet sich von dem griechischen Wort für "fußlos" ab und ist ein Hinweis auf die kurzen, kaum erkennbaren Stummelfüße des Mauerseglers. Tatsächlich spielt sich der größte Teil im Mauerseglerleben in der Luft ab: Bei der Nahrungssuche verfolgen die Segler gezielt Insekten in der Luft. Auch Wasser zum Trinken wird im Fluge aufgenommen und selbst die Paarung findet oft in der Luft statt. Wahre Luftakrobaten, die für ihr Leben optimal angepaßt sind.

J.J. Videler und Kollegen vom Department of Marine Biology in Groningen legen in Science einen ersten Bericht vor, der sich mit dem Flugverhalten des Vogels befasst. Was sie entdeckten, ist eine Art der Fortbewegung, die sich vom üblichen Verständnis des Fliegens unterscheidet. Nach der traditionellen Vorstellung entsteht der Auftrieb durch Luft, die um den Flügel herum strömt und damit den Luftstrom auf der Oberseite beschleunigt und auf der Unterseite verlangsamt. Die neue Erkenntnis beweist jedoch für den Mauersegler, dass der Flügel einen spiralförmigen Strom an der Flügeloberfläche erzeugt, der den Auftrieb unterstützt.

Ein Mauersegler mit seinem torpedo-ähnlichem Körper und den großen Flügeln, die sich vor allem durch die "Hand" auszeichnen. (Bild: Science)

Tatsächlich fällt beim Mauersegler der kurze "Arm" und die sehr ausgeprägte "Hand" auf. 85 Prozent der gesamten Flügellänge wird von der "Hand" eingenommen, die ihrerseits aus 10 Federn besteht. Die elfte Feder ist kurz und unterstützt die 10. Feder, indem sie die Anströmkante (leading edge) bildet. Während der Armteil gerundet ist, findet sich somit im Handteil eine scharfe Kante. Sie erzeugt eine relativ stabile Verwirbelung (leading edge vortices) selbst bei geringem Anstellwinkel der Flügel. Auf diese Weise ist der "Kunstflug" erklärbar, der sich durch den schnellen Flug (mehr als 60 km/Stunde) und die Fähigkeit, enge Kurven zu fliegen, auszeichnet.

Das "Flugverhalten" ähnelt überraschenderweise dem von Insekten, die - so sagen Experten - theoretisch gar nicht fliegen können. Erstmals 1996 von C.P.Ellington beschrieben machten er und andere klar, dass zum Fliegen nicht die herkömmlichen Gesetze der Aerodynamik zählen, sondern relativ freie Regeln, die sich nur schwer in mathematische Formeln fassen lassen.

Die Insekten nutzen die Bewegung und stellen ihre "Flügel" entsprechend ihren Anforderungen ein. So ist die gewöhnliche Stubenfliege im Verhältnis zu ihrer Körpergröße das schnellste Lebewesen der Welt. In nur einer Sekunde kann sie eine Strecke von 250 Körperlängen bewältigen. Womit sie vier mal schneller ist als der schnellste Vogel.

Der Mauersegler kann mit hoher Geschwindigkeit fliegen und dabei seine Beute durch die rasche Bewegungsänderung erhaschen (Bild: Science)

Warum sollen Vögel nicht ähnliche Fluggewohnheiten benutzen? Bei den Mauerseglern scheint der "Arm" den konventionellen Vorstellungen zu entsprechen, nämlich den herkömmlichen flugangepassten Vorstellungen. Der "Handanteil" hingegen erklärt die raschen Veränderungen im Flug. Dazu zählt unter anderem der zusätzliche Auftrieb wie er durch die "leading edge vortices" (LEV) zustande kommt.

Für die Luftfahrt ist die Erkenntnis von den verschiedenen Flugbedingungen schon länger bekannt. Ende des 2. Weltkrieges haben die Amerikaner ein Modell der Messerschmidt P1101 in die Hände bekommen. Die Besonderheit dieser Konstruktion war die Positionierung der Flügel. Nach einer Idee von Adolf Busemann und Albert Betz konnten die Flügel unterschiedlich angeordnet werden. Daraus entstand der Flieger "F-14 Tomcat", dessen Flügel automatisch von 19,5 m über 11,6 m und supersonisch bis 10,1 m verstellbar sind. Schwenkflügel heißen solche Konstruktionen, die in den 60er und 70er Jahren gebaut wurden.

Die "F-18 Hornet" ist ein Flugzeugtyp, der geradezu ein Beispiel für den Einfluss von Wirbeln ist. Anfänglich wurde der Typ nur nach aerodynamischen Gesichtspunkten gebaut. Dabei nutzen die Techniker die Verwirbelung aus und verwandten die "leading edge vortices" bewusst als Stabilisierungselemente. Im täglichen Gebrauch führte dieser Umstand zu kritischen Situationen. Deshalb entschloss man sich, zusätzliche Winkelplatten an der Oberfläche von Flugkabine und Flügel anzubringen. Im weiteren Verlauf konstruierten die Aerodynamiker nun Lüftungsklappen, die bei hohem Anstellwinkel automatisch Luft über die untere Tragfläche leiten und damit einem Abbruch des Luftstromes vorbeugen.

Die Simulation lässt die Verwirbelung an der F-18 Hornet erkennen. (Bild: Aerospace)

Und in den großen Passagiermaschinen, die wir benutzen, haben "Winglets" Eingang gefunden. Versuche zur Aerodynamik von Vogel- und Flugzeug-Flügeln zeigen, dass am äußersten Ende jeder Tragfläche Randwirbel auftreten. Am Flügel-Ende stoßen Über- und Unterdruck aufeinander, Luft strömt um die Flügelkante und wird vom Fahrtwind verwirbelt. Solche Randwirbel haben eine starke bremsende Wirkung - und genau dieser Widerstand wird erheblich verringert, wenn die Flügelspitzen aufgestellt werden. An den nach oben gebogenen Feder- oder "Winglet"-Spitzen herrscht ein geringeres Druckgefälle, die Verwirbelung ist demnach minimal.

Im Unterschied zur Forschung sind demnach Verwirbelungen in der Technik schon lange bekannt. Flugzeugtechnik und Vogelflugforschung könnten einander offenbar ergänzen.

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