Wie Flugzeugflügel funktionieren: Querruder, Landeklappen und alles dazwischen

Sie haben wahrscheinlich schon einmal im Sommer Ihre Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos gestreckt – und sie auf und ab geschwenkt, um den Winkel zu verändern, in dem der entgegenkommende Wind sie umweht. Wenn Sie sie auch nur ein wenig nach oben kippen, geht Ihre Hand nach oben.

Es stellte sich heraus, dass Ihre Hand eine ziemlich gute Annäherung an einen Flugzeugflügel sein kann. Wenn Sie aus dem Fenster eines fahrenden Autos schauen, ist Ihre Hand gleichzeitig ein Flügel, ein Querruder, ein Spoiler und eine Klappe. (Und wenn Sie Ihre Finger ausstrecken, vielleicht sogar ein Vorflügel.)

Flugzeugflügel sind ein majestätisches und hochkomplexes Stück Technik. Ganz einfach: Sie sind fast lebendig. Bei der Boeing 787 steuern Computersysteme die Komponenten des Flügels, um sich an die Flugbedingungen anzupassen – Böen, Scherwinde, Turbulenzen, sogar etwas zu hoch für die Landung und vieles mehr – und das alles unabhängig von den Eingaben des Piloten. Sie werden manchmal sehen, wie sich diese Flügelteile schnell bewegen, manchmal mit fast unmerklichen Anpassungen – und bei der Landung können diese Bewegungen sehr häufig vorkommen.

Dieser Artikel erforscht einige der Komponenten eines Flugzeugflügels, die Sie sehen, wenn Sie aus dem Passagierfenster schauen.

Zwei Experten haben mir geholfen, zu entmystifizieren, wie die Komponenten zusammenarbeiten. Dean Plumb ist der technische Chefpilot von British Airways und hat mehr als 30 Jahre Flugerfahrung. Er war 10 Jahre bei der Royal Air Force und flog C-130 Hercules-Transporter, gefolgt von 20 Jahren bei BA, einschließlich seiner Zeit auf dem Boeing 787 Dreamliner. Chip Kiehn, Director of Sales and Marketing bei Aviation Partners Boeing, die einen Teil des Flügels, ein sogenanntes Winglet, herstellen und installieren, hat fast 20 Jahre bei diesem Boeing-Joint-Venture-Projekt verbracht. (Winglets sind jene gebogenen Enden, die bei vielen Flugzeugen aus dem Ende der Tragfläche herausragen, einschließlich der aktuellen Modelle der Boeing 737 und des Airbus A320.)

Querruder: Der kleine Flügel

Querruder – ein Verkehrsflugzeug hat zwei – steuern die Bewegung des Flugzeugs um seine Längsachse und lassen es von links nach rechts rollen. Aileron ist französisch für „kleiner Flügel“ – und genau das sind sie auch. „Wie der Flügel ist auch das Querruder von der Seite gesehen tränenförmig und hat hinten die dünnste Kante“, erklärt Plumb. „Und … das Querruder ist überraschend groß, wenn man es aus der Nähe betrachtet.“

Die Querruder befinden sich an der äußeren Hinterkante des Flügels. Um die Querruder zu erkennen, müssen Sie genau hinschauen. Bei einem Passagierflugzeug bewegen sich die Querruder aus der Perspektive des Passagiers nur ganz leicht. Wenn sich Ihr Flugzeug in einer Kurve neigt, werden Sie vielleicht bemerken, dass das Querruder in seine flügelbündige Position zurückkehrt, das Flugzeug sich aber weiter neigt. Es tut dies aufgrund der Zentripetalkraft, die es in der Kurve hält.

Wenn die Steuersäule durch einen Piloten (oder meistens durch den Autopiloten) nach rechts verschoben wird, wird das Querruder am rechten Flügel angehoben, während das Querruder am gegenüberliegenden Flügel nach unten fällt. (Sie bewegen sich gegenläufig.) Durch das Anheben des Querruders am rechten Flügel wird der Auftrieb am rechten Flügel verringert – und wenn Flügel eine Verringerung des Auftriebs haben, sinken sie ab. Hier sinkt der rechte Flügel in einer kontrollierten Drehung nach rechts ab.

„Die Querruder werden durch Spoiler an der Tragfläche unterstützt, die den Auftrieb sehr geringfügig verringern können, was die Kurve unterstützt“, sagte Plumb.

Spoiler und Bremsklappen: Verringern den Auftrieb, in erster Linie

Wie der Name schon sagt, verderben Spoiler etwas. Hier ruinieren sie den vom Flügel erzeugten Auftrieb, ganz ähnlich wie ein Querruder. Was ist also der Sinn? Spoiler ermöglichen es dem Flugzeug, auf kontrollierbare Weise an Auftrieb zu verlieren und abzusteigen.

„Die Spoiler wirken, indem sie den Flügel auf kontrollierte Weise weniger effizient machen“, sagte Plumb. „Das ist eine großartige Möglichkeit, unerwünschte Fluggeschwindigkeit zu reduzieren, während man sich für den Landeanflug bereit macht. Außerdem ermöglicht es dem Flugzeug einen schnelleren, aber komfortablen Sinkflug, wenn man viel Höhe zu verlieren hat. Sie müssen die Spoiler nicht immer auf diese Weise einsetzen, aber es ist sehr üblich und ermöglicht es Ihnen, die Geschwindigkeit anderer Flugzeuge vor und hinter Ihnen schnell anzupassen, die sich alle im gleichen Strom von Flugzeugen befinden, die zur Landung kommen.“

Es gibt oft zwei Sätze von Spoilern an den Flugzeugflügeln. Der Satz in der Nähe des Rumpfes wird als Bodenspoiler oder Bremsklappen bezeichnet. „Die Bodenspoiler sind genau die gleichen Paneele, die im Flug als Geschwindigkeitsbremsen verwendet werden, nur dass sie am Boden vollständig nach oben ausschlagen und den ‚Lift Dumping‘-Effekt maximieren“, sagte Plumb.

Plumb erklärte, dass die Piloten das System während des Sinkflugs vorbereiten, damit es sich automatisch aktiviert, wenn die Räder aufsetzen.

„Viele Leute nehmen an, dass die Spoiler wie eine Luftbremse wirken, aber tatsächlich tragen sie zu 80 Prozent dazu bei, das Flugzeug zu stoppen, indem sie die Tragfläche daran hindern, Auftrieb zu erzeugen, und dies zwingt das volle Gewicht des Flugzeugs auf die Haupträder, wodurch die Radbremsen viel effizienter werden“, erklärte Plumb.

Klappen: Den Auftrieb erhöhen

Das erste maschinenähnliche Geräusch, das Sie hören, wenn Ihr Flugzeug zur Landung ansetzt, ist das Geräusch der ausfahrenden Klappen. Klappen sind sowohl Auftriebs- als auch Widerstandsvorrichtungen. Das Ausfahren der Klappen ermöglicht es dem Piloten, beim Landeanflug mit einer viel geringeren Geschwindigkeit abzusinken und den Auftrieb beizubehalten. Gleichzeitig erzeugt das Ausfahren der Klappen einen Widerstand, der das Flugzeug verlangsamt. Bei den meisten heutigen Düsenflugzeugen gibt es innenliegende und außenliegende Klappen, wobei die innenliegenden Klappen dem Rumpf am nächsten sind. Sie werden stufenweise ausgefahren, wenn das Flugzeug zur Landung absinkt.

Die Klappen werden über die Flugzeughydraulik in den torpedoförmigen Körpern unter dem Flügel, den sogenannten Track Fairings, angehoben und abgesenkt. Diese dienen auch der Verbesserung der aerodynamischen Strömung unter der Tragfläche.

Flaperons: Zur Unterstützung beim Rollen

Wie der Name schon sagt, ist ein Flaperon eine Vorrichtung, die sowohl ein Querruder als auch eine Klappe ist. Sie funktionieren eher wie Querruder als Klappen; sie können sich wie ein Querruder schnell nach oben und unten verstellen, vor allem im Vergleich zu Klappen (die sich nur schwerfällig entfalten). Flaperons findet man bei größeren Twin Jets wie der Boeing 777, dem Airbus A350 und den Dreamlinern. Flaperons werden während einer Kurve ausgefahren, wenn Steuereingaben vorgenommen werden. Bei einer Rechtskurve zum Beispiel wird das Querruder des rechten Flügels leicht angehoben, wodurch der Auftrieb am Flügel verringert wird, während das Flaperon leicht ausfährt, um einen Teil dieses Auftriebsverlustes kontrolliert auszugleichen. Dies alles wird von den Computern des Flugzeugs ohne zusätzliche Eingaben des Piloten erledigt.

Spoilerons: Eine Fehlbezeichnung

Ein Spoileron ist ein Spoiler, der ähnlich wie ein Querruder funktioniert – und das tun sie heutzutage alle. Es handelt sich nicht um ein separates Bauteil, sondern um einen Begriff, der die Funktion der Spoiler an vielen modernen Verkehrsflugzeugen beschreibt. Spoiler wirken automatisch und ohne Zutun des Piloten im Tandem mit dem Querruder, wie Plumb oben beschrieben hat, um das Rollen entlang der Längsachse zu unterstützen. Den Begriff „Spoileron“ werden Sie in der offiziellen Dokumentation von Boeing oder Airbus nicht finden.

Slats: Wie Flaps, aber auf der anderen Seite des Flügels

Die Vorflügel fahren von der Vorderkante des Flügels nach außen. Ihr Hauptzweck ist es, dem Flugzeug zu ermöglichen, in einem höheren Winkel im Vergleich zum relativen Wind zu fliegen; Vorflügel wirken, um die entgegenkommende Luft über die Oberseite des Flügels zu schieben. Dies ermöglicht es dem Flügel, den Auftrieb bei einer geringeren Geschwindigkeit beizubehalten, wie z.B. bei der Landung.

„Der moderne Flügel kann die Vorflügel und Klappen einziehen, so dass er die perfekte Form für das Fliegen mit hoher Geschwindigkeit und in großer Höhe hat, wo die Triebwerke am effizientesten sind“, sagte Plumb. „Wenn das Flugzeug jedoch zur Landung ansetzt, wollen wir, dass der Flügel bei viel langsameren Geschwindigkeiten maximalen Auftrieb erzeugt, so dass, ähnlich wie bei einem Adler, der zur Landung ansetzt, die Vorflügel an der Vorderseite des Flügels und die Klappen an der Rückseite ausgefahren werden, um eine viel größere Oberfläche zu schaffen und mehr Auftrieb zu erzeugen.“

„Bei Düsenflugzeugen mit nach hinten gepfeilten Flügeln, die ideal für den Hochgeschwindigkeitsflug sind, aber eine Vergrößerung benötigen, um genügend Auftrieb für den Langsamflug zu erzeugen, ist das unglaublich wichtig.“

Was ist mit auf und ab? Ein kurzes Wort zu den Höhenrudern

Der Winkel des Flugzeugs relativ zum Wind (und im Allgemeinen zum Horizont) wird durch die Höhenruder gesteuert, aber die befinden sich nicht auf dem Flügel, sondern sind Teil des Hecks. „Ziehen Sie den Steuerknüppel zurück, werden die Häuser kleiner. Drückt man nach vorne, werden die Häuser größer“, sagen Piloten gerne. Als Passagier kann man die Höhenruder nicht sehen; sie befinden sich an der Hinterkante des Höhenleitwerks, also am Heck des Flugzeugs.

Putting It All Together

„Alle diese Flugsteuerungen arbeiten zusammen, um die perfekte Flügelform für einen effizienten Flug zu erhalten. Das ist hochkomplex zu koordinieren, wird aber durch moderne Flugsteuerungscomputer ermöglicht und bedeutet, dass sich der Flügel ständig an die Bedingungen anpasst, nicht unähnlich der Art und Weise, wie ein Vogel sich biegt und die Form seiner Flügel anpasst“, so Plumb.

Sie können dies im folgenden Video in Aktion sehen, in dem sich ein Flugzeug auf seine Startrolle begibt. Achten Sie auf die klappenähnlichen Flaperons, die sich ziemlich viel bewegen, sowie auf die Spoiler, die im Tandem agieren, um den Auftrieb zu verringern und das Flugzeug automatisch zu stabilisieren.

Winglets: Erhöhen den Auftrieb und verringern den Luftwiderstand

Die meisten modernen Jets haben Winglets – diese nach oben geneigten Teile an den Enden der Tragflächen, die oft mit Werbung für die Fluggesellschaft versehen sind (Southwest.com!). Sie erfüllen einen wichtigen Zweck für die Effizienz. Chip Kiehn erklärt warum.

„An den Flügelspitzen entstehen durch die Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite der Flügel Luftwirbel, die einen übermäßigen Luftwiderstand verursachen“, so Kiehn. „Flügelspitzenvorrichtungen sind in der Regel so konstruiert, dass sie diese Wirbel so unterbrechen, dass der Luftwiderstand insgesamt reduziert und der Auftrieb des Flügels erhöht wird.“

„Bei neuen Flügelkonstruktionen haben die Konstrukteure bei der Formgebung der Flügelspitzen freie Hand und können die notwendige Effizienz von vornherein einplanen“, so Kiehn. „So wie sich die Technologie verbessert, so verbessert sich auch das Wingbox-Design. Winglets werden als Verbesserung der älteren Wingbox-Technologie entwickelt. Unser Split-Scimitar-Design ist eine weitere Verbesserung unserer Blended-Winglet-Technologie und ermöglicht der 737-NG eine zusätzliche Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um bis zu 2,2 % gegenüber den ursprünglichen Blended-Winglets. „

Um diesen ganzen Tanz in Aktion zu sehen, schauen Sie sich dieses Video eines Lufthansa Airbus A320 – mit Blended Winglets – im Sinkflug zur Landung an; Sie werden sehen, wie sich die Querruder nur ein winziges bisschen bewegen, die Klappen ausfahren, Spoiler zum Abbremsen des Flugzeugs und Bodenspoiler kurz nach dem Aufsetzen ausfahren. Dieses spezielle Flugzeug hat keine Flaperons.

„Der Flügel eines Vogels ist ein Hinweis auf zukünftige Entwicklungen im Flügeldesign, da einige ziemlich futuristische Entwürfe sich bereits vorstellen, dass sich der gesamte Flügel auf subtile Weise bewegt, anstatt nur die Klappen und Vorflügel zu bewegen“, sagte Plumb. „Wenn Sie also das nächste Mal einen segelnden Adler sehen, achten Sie darauf, wie der Flügel seine Form verändert, je nachdem, ob er hohe oder niedrige Geschwindigkeit benötigt; Sie könnten durchaus die Inspiration für die nächste Generation von Flugzeugflügeln sehen.“

Mike Arnot ist der Gründer von Boarding Pass NYC, einer in New York ansässigen Reisemarke, und ein Privatpilot.

Featured image of a Boeing 747 wing by JT Genter/TPG

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