Bodeneffekt
Bei Starrflüglern ist der Bodeneffekt der verringerte Luftwiderstand, den die Tragflächen eines Flugzeugs erzeugen, wenn sie sich in der Nähe einer festen Oberfläche befinden. Der verringerte Luftwiderstand im Bodeneffekt während des Starts kann dazu führen, dass das Flugzeug "schwebt", während es unter der empfohlenen Steiggeschwindigkeit bleibt. Der Pilot kann dann knapp über der Landebahn fliegen, während das Flugzeug im Bodeneffekt beschleunigt, bis eine sichere Steiggeschwindigkeit erreicht ist. ⓘ
Bei Drehflüglern führt der Bodeneffekt zu einem geringeren Luftwiderstand am Rotor während des Schwebefluges in Bodennähe. Bei hohen Gewichten ermöglicht dies manchmal das Abheben des Drehflüglers im Bodeneffekt, aber nicht den Übergang zum Flug aus dem Bodeneffekt. Hubschrauberpiloten erhalten Leistungsdiagramme, die die Grenzen für den Schwebeflug ihres Hubschraubers im Bodeneffekt (IGE) und außerhalb des Bodeneffekts (OGE) angeben. Die Diagramme zeigen den zusätzlichen Auftriebsvorteil, der durch den Bodeneffekt entsteht. ⓘ
Bei senkrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen mit Gebläse- und Strahlantrieb (VTOL) kann der Bodeneffekt im Schwebeflug zu einem Absaugen der Zelle und zu einem Auftriebsverlust im Schwebeflug führen, wenn das Triebwerk seine eigenen Abgase ansaugt, was als Heißgasingestion (HGI) bezeichnet wird. ⓘ
Als Bodeneffekt bezeichnet man ein physikalisches Phänomen, das ein umströmter Körper in Bodennähe erfährt. Hierbei kann je nach Form des umströmten Körpers zusätzlicher dynamischer Auftrieb oder auch Abtrieb entstehen. ⓘ
Erklärungen
Starrflügelflugzeuge
Wenn ein Flugzeug etwa die Hälfte seiner Spannweite über dem Boden oder dem Wasser oder weniger fliegt, tritt ein oft wahrnehmbarer Bodeneffekt auf. Das Ergebnis ist ein geringerer induzierter Luftwiderstand des Flugzeugs. Dieser wird hauptsächlich dadurch verursacht, dass der Boden oder das Wasser die Bildung von Wirbeln an den Flügelspitzen behindert und den Abwind hinter dem Flügel unterbricht. ⓘ
Ein Flügel erzeugt Auftrieb, indem er die ankommende Luftmasse (relativer Wind) nach unten ablenkt. Der abgelenkte oder "gedrehte" Luftstrom erzeugt eine resultierende Kraft auf den Flügel in die entgegengesetzte Richtung (3. Newtonsches Gesetz). Die resultierende Kraft wird als Auftrieb bezeichnet. Wenn man nahe an einer Fläche fliegt, erhöht sich der Luftdruck auf der unteren Oberfläche des Flügels, was auch als "Rammeffekt" oder "Kisseneffekt" bezeichnet wird und somit das Verhältnis zwischen Auftrieb und Luftwiderstand verbessert. Der Bodeneffekt ist umso ausgeprägter, je niedriger/näher der Flügel zum Boden ist. Während des Bodeneffekts benötigt der Flügel einen geringeren Anstellwinkel, um die gleiche Menge an Auftrieb zu erzeugen. In Windkanaltests, bei denen Anstellwinkel und Fluggeschwindigkeit konstant bleiben, erhöht sich der Auftriebsbeiwert, was den "schwebenden" Effekt erklärt. Der Bodeneffekt verändert auch die Schubkraft im Verhältnis zur Geschwindigkeit, wobei ein geringerer induzierter Widerstand weniger Schub erfordert, um die gleiche Geschwindigkeit beizubehalten. ⓘ
Flugzeuge mit niedrigen Flügeln sind vom Bodeneffekt stärker betroffen als Flugzeuge mit hohen Flügeln. Aufgrund der veränderten Auf- und Abwinde sowie der Wirbel an den Flügelspitzen kann es bei Bodeneffekt zu Fehlern im Fluggeschwindigkeitssystem kommen, die auf Änderungen des lokalen Drucks an der statischen Quelle zurückzuführen sind. ⓘ
Drehflügler
In Leistungsbeschreibungen von Hubschraubern kann man die Begriffe HIGE (für hovering in ground effect) und HOGE (für hovering out of ground effect) finden. Diese Ausdrücke werden typischerweise benutzt, wenn über die Arbeitsgrenzen von Hubschraubern bezogen auf die notwendige Motorkraft berichtet wird. Genauso wie bei den Tragflächen von Flugzeugen gibt es bei ihnen einen Bodeneffekt in Bodennähe, der als Ergebnis einer Interaktion der abwärts gerichteten Luftströmung des Hauptrotors mit dem Boden für einen erhöhten Auftrieb verantwortlich ist. Luft sinkt von oben in die Rotorscheibe, wird abwärts beschleunigt und trifft auf dem Boden auf. Da der Boden die Luft an einer schnellen Abströmung hindert, wird der Hubschrauber zusätzlich angehoben. Gleichzeitig kommt es zu einer Reduzierung der Rotorspitzenwirbel. ⓘ
Der Bodeneffekt bei einem Hubschrauber kommt vor, wenn dieser sich innerhalb einer halben bis ganzen Rotorspannweite über Grund befindet (HIGE). Er ist weniger effektiv über Wasser und hohem Gras, da diese Oberflächen energieabsorbierend wirken, und er ist gar nicht vorhanden, wenn sich der Hubschrauber in größerer Höhe bewegt (HOGE). Letzteres bedeutet notwendigerweise einen höheren Leistungsbedarf und größeren Treibstoffverbrauch. ⓘ
Der Bodeneffekt hat für die Arbeitsgrenzen von Hubschraubern durchaus eine Bedeutung. Wenn bei limitierenden Faktoren wie einer hohen Gewichtsbelastung, dem Abheben von einem hoch gelegenen Platz oder bei hoher Temperatur gestartet werden muss, kann der Bodeneffekt durch die zusätzlich gelieferte Auftriebskraft diese Arbeitsgrenzen erweitern und so das Abheben in manchen Fällen überhaupt erst ermöglichen. ⓘ
Wenn sich ein schwebender Rotor in Bodennähe befindet, ist die Abwärtsströmung der Luft durch den Rotor am Boden auf Null reduziert. Dieser Zustand wird durch Druckveränderungen in der Nachlaufströmung auf die Scheibe übertragen, wodurch sich die Anströmung des Rotors bei einer gegebenen Scheibenbelastung, d. h. der Schub des Rotors pro Quadratfuß seiner Fläche, verringert. Dadurch erhöht sich der Schub für einen bestimmten Blattanstellwinkel, oder aber die für den Schub erforderliche Leistung wird verringert. Bei einem überlasteten Hubschrauber, der nur im IGE schweben kann, kann es möglich sein, vom Boden wegzusteigen, indem man im Bodeneffekt zuerst in den Vorwärtsflug übergeht. Der Vorteil des Bodeneffekts verschwindet schnell mit der Geschwindigkeit, aber auch die induzierte Leistung nimmt schnell ab, um einen sicheren Steigflug zu ermöglichen. Einige frühe, untermotorisierte Hubschrauber konnten nur in Bodennähe schweben. Der Bodeneffekt ist über einer festen, glatten Oberfläche am größten. ⓘ
VTOL-Flugzeuge
Bei VTOL-Flugzeugen, die im Bodeneffekt bei Null- und niedrigen Geschwindigkeiten betrieben werden, treten zwei Effekte auf: der Sog und der Fontänenauftrieb. Ein dritter Effekt, das Ansaugen heißer Gase, kann auch bei Starrflüglern am Boden unter windigen Bedingungen oder beim Betrieb der Schubumkehr auftreten. Wie gut ein VTOL-Flugzeug in Bezug auf das angehobene Gewicht schwebt, hängt von der Absaugung am Luftrahmen, dem Aufprall von Fontänen an der Unterseite des Rumpfes und der HGI im Triebwerk ab, die einen Anstieg der Einlasstemperatur (ITR) verursacht. Die Absaugung wirkt dem Triebwerksauftrieb entgegen, indem sie die Zelle nach unten drückt. Fontänenströmung wirkt mit den Triebwerkshubdüsen als Aufwärtskraft. Die Schwere des HGI-Problems wird deutlich, wenn die Höhe der ITR in einen Schubverlust des Triebwerks umgerechnet wird: drei bis vier Prozent pro 10 °F Anstieg der Einlasstemperatur. ⓘ
Suckdown ist das Ergebnis des Mitreißens der Luft um das Flugzeug durch die Auftriebsdüsen im Schwebeflug. Er tritt auch in freier Luft (OGE) auf und führt zu einem Auftriebsverlust, da der Druck an der Unterseite des Rumpfes und der Tragflächen abnimmt. In Bodennähe kommt es zu verstärktem Entrainment, was zu einem höheren Auftriebsverlust führt. Fontänenauftrieb tritt auf, wenn ein Flugzeug zwei oder mehr Auftriebsdüsen hat. Die Düsen treffen auf den Boden und breiten sich aus. Dort, wo sie sich unter dem Rumpf treffen, vermischen sie sich und können sich nur aufwärts bewegen, wenn sie auf die Unterseite des Rumpfes treffen. Wie gut ihr Aufwärtsimpuls seitlich oder nach unten abgelenkt wird, bestimmt den Auftrieb. Die Fontänenströmung folgt einem gekrümmten Rumpfunterboden und behält einen gewissen Impuls in Aufwärtsrichtung bei, so dass weniger als der volle Fontänenauftrieb erreicht wird, es sei denn, es werden Auftriebsverbesserungsvorrichtungen eingebaut. HGI reduziert den Triebwerksschub, weil die in das Triebwerk eintretende Luft heißer und weniger dicht ist als kalte Luft. ⓘ
Frühe VTOL-Versuchsflugzeuge wurden mit offenen Gittern betrieben, um die Triebwerksabgase abzuleiten und Schubverluste durch HGI zu vermeiden. ⓘ
Die Bell X-14, die zur Erforschung der frühen VTOL-Technologie gebaut wurde, war nicht in der Lage zu schweben, bis die Sogwirkung durch Anheben des Flugzeugs mit längeren Fahrwerksbeinen verringert wurde. Außerdem musste sie von einer erhöhten Plattform aus perforiertem Stahl aus operieren, um den HGI-Effekt zu verringern. Das Dassault Mirage IIIV VTOL-Forschungsflugzeug wurde immer nur vertikal von einem Gitter aus betrieben, das es ermöglichte, die Triebwerksabgase vom Flugzeug weg zu leiten, um den Sog und die HGI-Effekte zu vermeiden. ⓘ
Die nachträglich an der P.1127 angebrachten Bauchgurte verbesserten die Strömung und erhöhten den Druck unter dem Rumpf in geringer Höhe im Schwebeflug. An der gleichen Stelle angebrachte Geschützkapseln am Serien-Harrier GR.1/GR.3 und am AV-8A Harrier bewirkten das Gleiche. Für den AV-8B und den Harrier II wurden weitere Auftriebsverbesserungsvorrichtungen (LIDS) entwickelt. Um den Bauchbereich, in dem die auftriebssteigernden Fontänen auf das Flugzeug treffen, zu verpacken, wurden an der Unterseite der Geschützkapseln Streben angebracht, und ein Klappdamm konnte abgesenkt werden, um die Lücke zwischen den vorderen Enden der Streben zu schließen. Dies führte zu einem Auftriebsgewinn von 1200 lb. ⓘ
Lockheed Martin F-35 Lightning II: Die Innentüren des Waffenschachts der F-35B öffnen sich, um die von den Triebwerks- und Gebläsedüsen erzeugte Fontänenströmung aufzufangen und dem Absaugen der IGE entgegenzuwirken. ⓘ
Bell X-14 mit verlängerten Fahrwerksbeinen zur Verringerung der Ansaugung
Dassault Mirage IIIV im Schwebeflug über offenem Gitter
Unterseitenansicht des ersten Prototyps P.1127 mit kleinen ventralen Strakes zur Erhöhung des Fontänenauftriebs
Harrier GR9 mit den Vorrichtungen zur Auftriebserhöhung, großen ventralen Streben und einem einziehbaren Damm hinter dem Bugrad
F-35B mit geöffneten Waffenkammer-Innentüren zum Auffangen der aufsteigenden Fontänenströmung ⓘ
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Überziehen der Tragfläche im Bodeneffekt
Der Überziehwinkel ist im Bodeneffekt um etwa 2 bis 4 Grad geringer als in freier Luft. Wenn sich die Strömung ablöst, steigt der Luftwiderstand stark an. Wenn das Flugzeug beim Start mit zu geringer Geschwindigkeit überdreht, kann der erhöhte Luftwiderstand verhindern, dass das Flugzeug den Boden verlässt. Zwei de Havilland Comets überflogen das Ende der Startbahn, nachdem sie überdreht hatten. Der Verlust der Kontrolle kann eintreten, wenn eine Flügelspitze im Bodeneffekt abreißt. Während der Zulassungsprüfung des Geschäftsreiseflugzeugs Gulfstream G650 drehte sich das Testflugzeug in einem Winkel, der über den vorhergesagten IGE-Überziehwinkel hinausging. Die Überdrehung verursachte einen Strömungsabriss an einer Flügelspitze und ein unkontrolliertes Rollen, das die seitlichen Steuerelemente überforderte, führte zum Verlust des Flugzeugs. ⓘ
Bodeneffektfahrzeug
Einige Fahrzeuge wurden entwickelt, um die Leistungsvorteile des Fliegens im Bodeneffekt zu erkunden, vor allem über Wasser. Die operationellen Nachteile des Fluges sehr nahe an der Oberfläche haben von einer breiten Anwendung abgehalten. ⓘ
Beispiele für den Bodeneffekt
Flächenflugzeuge
In Bodennähe verändern sich die aerodynamischen Verhältnisse von Tragflächen. Der Auftrieb wird größer, der Auftriebsschwerpunkt wandert nach hinten und der Luftwiderstand wird kleiner. Bei Flügen mit einem Tiefdecker in Bodennähe führt der Bodeneffekt dazu, dass das Flugzeug wesentlich länger schwebt, als das beispielsweise bei einem Hochdecker der Fall ist. Dieses muss ein Pilot bei der Landung mit Tiefdeckern, insbesondere auf kurzen Landebahnen, berücksichtigen. ⓘ
Bei Bodeneffektfahrzeugen (Ekranoplan) handelt es sich meist um Wasserflugzeuge, die für den Tiefflug unter Ausnutzung des Bodeneffekts konstruiert sind und daher nur für bestimmte Einsatzzwecke geeignet sind. Bodeneffektfahrzeuge können einerseits Flächenflugzeuge sein, die auch für größere Höhen flugtauglich sind. Andererseits werden Bodeneffektfahrzeuge dann verwaltungstechnisch als Schiffe geführt, wenn die niedrige Flughöhe Bodeneffektfahrzeuge dazu zwingt, verkehrstechnisch mit Schiffen und Booten zu interagieren, sich also dem Schifffahrtsrecht zu unterwerfen. Aus diesem Grund heißen diese Geräte auch Bodeneffekt„fahrzeuge“ und nicht Bodeneffekt„flugzeuge“, obwohl es physikalisch gesehen Luftfahrzeuge sind, die fliegen (dynamischer Auftrieb, Flugzeuge) und nicht fahren (statischer Auftrieb, Luftschiffe). Segelflugzeuge können im Bodeneffekt unter geringerem Höhenverlust eine wesentlich weitere Strecke als die dem Gleitwinkel entsprechende zurücklegen. ⓘ
Die von 1947 bis 2019 als größtes gebautes „Flugzeug“ geltende Hughes H-4 führte nur einen Testflug in 20 m Höhe aus. Die Flugfähigkeit des Typs außerhalb des Bodeneffekts wurde nicht erwiesen. ⓘ
Faustregel: Der Bodeneffekt tritt auf, wenn die Flughöhe gleich oder kleiner als die halbe Flügelspannweite des Tragflügels ist. ⓘ
Bodeneffektfahrzeuge nach dem Stauflügelprinzip
Eine spezielle Bauart eines Bodeneffektfahrzeuges nach dem Stauflügelprinzip ist ein Tandem Airfoil Flairboat. Das Tandemflügelprinzip führt dazu, dass eine Eigenstabilität während des Bodeneffektfluges erreicht wird, die einen sicheren Flairzustand innerhalb des Bodeneffektes garantiert. Ein Verlassen des Bodeneffektes, wie es bei den freiflugfähigen Bodeneffektfahrzeugen erreicht wird, ist hierbei nicht beabsichtigt. ⓘ
Die Tatsache, dass ein Tandem Airfoil Flairboat den Bodeneffekt nicht verlassen kann, führte bereits in dem Jahr 1974 zu der verkehrstechnischen und zulassungstechnischen Einordnung als Bodeneffektfahrzeug Typ A. ⓘ
Infolge der Klassifizierung als Bodeneffektfahrzeug Typ A wird ein Tandem Airfoil Flairboat wie ein Wasserfahrzeug eingestuft, so dass ein Motorbootführerschein für die Bedienung völlig ausreichend ist. ⓘ
Landfahrzeuge
Der negative Bodeneffekt wird im Motorsport genutzt. Für Straßenrennen konstruierte Fahrzeuge, wie beispielsweise die Formel 1, haben nicht nur wegen des günstigeren Schwerpunkts wenig Bodenfreiheit. 1977 führte das Team Lotus ein, den Boden nicht mehr möglichst eben auszuführen, sondern gestalteten ihn nach aerodynamischen Kriterien um den negativen Bodeneffekt auszunutzen und erhöhten so den Anpressdruck. Die gesamten Seitenkörper des Lotus 78 wurden als umgekehrte Flügel geformt und durch beweglich montierte Schürzen, die über die Fahrbahn schleiften, außen weitgehend abgedichtet. Die mögliche Querbeschleunigung stieg enorm, wohingegen sich der Strömungswiderstand weniger erhöhte als mit entsprechenden Heck- und Frontflügeln. Das Überfahren der Randsteine war höchst gefährlich, weil die zusätzliche Bodenhaftung verloren ging, sobald weitere Luft diesen Effekt zunichtemachte. Seit der Saison 1983 verlangen die Regeln der Formel 1 eine durchgängige Bodenfreiheit von mehreren Zentimetern zur Begrenzung des Bodeneffekts. Man realisiert dies mit einem Diffusor. ⓘ
Bei Fahrzeugen, die den negativen Bodeneffekt ausnutzen, lässt sich ein Phänomen namens Porpoising beobachten. Hierbei handelt es sich um eine Art Hüpfen des Fahrzeugs bei hoher Geschwindigkeit. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird das Fahrzeug immer stärker an die Strecke gesaugt, bis die Strömung schließlich abreißt. Das Fahrzeug verliert dann kurzzeitig an Abtrieb und gewinnt dabei wieder an Höhe. Der Vorgang wiederholt sich anschließend. ⓘ