Strömungsabriss

Luftströmung, die sich bei einem hohen Anstellwinkel von einem Profil löst, wie es beim Strömungsabriss der Fall ist. ⓘ

In der Strömungsdynamik ist ein Strömungsabriss eine Verringerung des von einem Profil erzeugten Auftriebskoeffizienten bei zunehmendem Anstellwinkel. Dies geschieht, wenn der kritische Anstellwinkel des Profils überschritten wird. Der kritische Anstellwinkel beträgt in der Regel etwa 15°, kann aber je nach Fluid, Folie und Reynoldszahl erheblich variieren. ⓘ

Der Strömungsabriss bei Starrflüglern wird oft als plötzliche Verringerung des Auftriebs empfunden, wenn der Pilot den Anstellwinkel des Flügels vergrößert und den kritischen Anstellwinkel überschreitet (was auf eine Verlangsamung unter die Überziehgeschwindigkeit im Horizontalflug zurückzuführen sein kann). Ein Strömungsabriss bedeutet nicht, dass das Triebwerk bzw. die Triebwerke nicht mehr funktionieren oder dass sich das Flugzeug nicht mehr bewegt - der Effekt ist auch bei einem Segelflugzeug ohne Antrieb der gleiche. Vektorisierter Schub in Flugzeugen wird verwendet, um die Höhe oder den kontrollierten Flug mit überzogenen Flügeln aufrechtzuerhalten, indem der verlorene Flügelauftrieb durch Triebwerks- oder Propellerschub ersetzt wird, wodurch die Post-Stall-Technologie entsteht. ⓘ

Da der Strömungsabriss am häufigsten im Zusammenhang mit der Luftfahrt diskutiert wird, befasst sich dieser Artikel mit dem Strömungsabriss bei Flugzeugen, insbesondere bei Starrflügelflugzeugen. Die hier erörterten Prinzipien des Strömungsabrisses lassen sich aber auch auf Folien in anderen Flüssigkeiten übertragen. ⓘ

Der Auftriebsbeiwert fällt bei Über­schreitung eines bestimmten Anstell­winkels vom Maximalwert stark ab. ⓘ

Der Strömungsabriss (engl. stall) ist in der Strömungslehre die Ablösung der Strömung von der Oberfläche eines Gegenstandes. Er spielt eine Rolle bei Tragflächen, Propellern, Rotorblättern, Turbinen- / Leitschaufeln etc. Dabei kann es sich um die Ablösung einer laminaren oder einer turbulenten Strömung handeln. ⓘ

Formale Definition

Entstehung eines Strömungsabrisses ⓘ

Ein Strömungsabriss ist in der Aerodynamik und in der Luftfahrt ein Zustand, bei dem der Auftrieb abnimmt, wenn der Anstellwinkel über einen bestimmten Punkt hinaus zunimmt. Der Winkel, bei dem dies eintritt, wird als kritischer Anstellwinkel bezeichnet. Dieser Winkel hängt vom Profil des Flügels, seiner Planform, seinem Streckungsverhältnis und anderen Faktoren ab, liegt aber bei den meisten Unterschallprofilen zwischen 8 und 20 Grad relativ zum einfallenden Wind (relativer Wind). Der kritische Anstellwinkel ist der Anstellwinkel auf der Kurve des Auftriebskoeffizienten gegenüber dem Anstellwinkel (Cl~alpha), bei dem der maximale Auftriebskoeffizient auftritt. ⓘ

Der Strömungsabriss wird durch Strömungsablösung verursacht, die wiederum dadurch entsteht, dass die Luft gegen einen steigenden Druck strömt. Whitford beschreibt drei Arten des Strömungsabrisses: den Strömungsabriss an der Hinterkante, den Strömungsabriss an der Vorderkante und den Strömungsabriss an einem dünnen Tragflügel, die jeweils unterschiedliche Cl~alpha-Merkmale aufweisen. Beim Strömungsabriss an der Hinterkante beginnt die Ablösung bei kleinen Anstellwinkeln in der Nähe der Hinterkante des Flügels, während der Rest der Strömung über dem Flügel befestigt bleibt. Mit zunehmendem Anstellwinkel werden die abgetrennten Bereiche an der Oberseite des Flügels immer größer, da die Strömungsablösung nach vorne wandert, was die Fähigkeit des Flügels, Auftrieb zu erzeugen, beeinträchtigt. Dies wird durch die Verringerung der Auftriebsneigung auf einer Cl~alpha-Kurve deutlich, wenn sich der Auftrieb seinem Maximalwert nähert. Die abgelöste Strömung verursacht in der Regel Büffelschlag. Jenseits des kritischen Anstellwinkels ist die abgetrennte Strömung so dominant, dass weitere Erhöhungen des Anstellwinkels dazu führen, dass der Auftrieb von seinem Spitzenwert abfällt. ⓘ

Kolbengetriebene Flugzeuge und frühe Strahltransportflugzeuge hatten ein sehr gutes Überziehverhalten mit Vorwarnungen vor dem Überziehen und, wenn sie ignoriert wurden, einen geraden Nasensturz für eine natürliche Erholung. Die Entwicklung der Tragflächen, die mit der Einführung der Turboprop-Triebwerke einherging, führte zu einem inakzeptablen Überziehverhalten. Spitzenentwicklungen bei Hochauftriebsflügeln und die Einführung von hinten montierten Triebwerken und hoch angesetzten Leitwerken bei der nächsten Generation von Strahltransportflugzeugen führten ebenfalls zu einem inakzeptablen Überziehverhalten. Die Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Erreichens der Überziehgeschwindigkeit, eines potenziell gefährlichen Ereignisses, wurde 1965 auf etwa einen von 100.000 Flügen geschätzt, was häufig genug war, um die Kosten für die Entwicklung von Warnvorrichtungen wie Stick Shakers und Vorrichtungen zur automatischen Bereitstellung eines angemessenen Nose-Down-Pitch, wie Stick Pushers, zu rechtfertigen. ⓘ

Wenn der mittlere Anstellwinkel der Tragflächen über den Strömungsabriss hinausgeht, kann es zu einem Trudeln kommen, d. h. zu einer Autorotation eines überzogenen Flügels. Ein Trudeln ist die Folge von Abweichungen der Roll-, Gier- und Nickbewegungen vom Gleichgewichtsflug. Bei einem nicht überzogenen Flügel wird das Rollmoment natürlich gedämpft, aber bei überzogenen Flügeln wird das Dämpfungsmoment durch ein Antriebsmoment ersetzt. ⓘ

Veränderung des Auftriebs mit dem Anstellwinkel

Ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Anstellwinkel und Auftrieb an einem gewölbten Profil. Die genaue Beziehung wird in der Regel in einem Windkanal gemessen und hängt vom Profilquerschnitt ab. Bei einem Flugzeugflügel hängt die Beziehung von der Planform und dem Seitenverhältnis ab. ⓘ

Das Diagramm zeigt, dass der größte Auftrieb erzeugt wird, wenn der kritische Anstellwinkel erreicht ist (der in der Luftfahrt des frühen 20. Jahrhunderts als "Burble Point" bezeichnet wurde). Dieser Winkel beträgt in diesem Fall 17,5 Grad, ist jedoch von Profil zu Profil unterschiedlich. Insbesondere bei aerodynamisch dicken Schaufeln (Verhältnis von Dicke zu Sehne von etwa 10 %) ist der kritische Winkel höher als bei einer dünnen Schaufel mit gleicher Wölbung. Symmetrische Schaufeln haben niedrigere kritische Winkel (arbeiten aber auch im Rückenflug effizient). Das Diagramm zeigt, dass der vom Profil erzeugte Auftrieb abnimmt, wenn der Anstellwinkel den kritischen Winkel überschreitet. ⓘ

Die Informationen in einem solchen Diagramm werden anhand eines Modells des Profils in einem Windkanal ermittelt. Da in der Regel Flugzeugmodelle und keine Maschinen in Originalgröße verwendet werden, muss besonders darauf geachtet werden, dass die Daten im gleichen Reynolds-Zahlenbereich (oder Maßstabsgeschwindigkeit) wie im freien Flug erfasst werden. Die Ablösung der Strömung von der Flügeloberseite bei hohen Anstellwinkeln ist bei niedrigen Reynoldszahlen ganz anders als bei den hohen Reynoldszahlen eines echten Flugzeugs. Insbesondere bei hohen Reynoldszahlen neigt die Strömung dazu, länger am Profil zu bleiben, weil die Trägheitskräfte gegenüber den viskosen Kräften dominieren, die für die Strömungsablösung verantwortlich sind und letztlich zum aerodynamischen Strömungsabriss führen. Aus diesem Grund neigen Windkanalergebnisse, die bei niedrigeren Geschwindigkeiten und kleineren Maßstäben als in der Realität durchgeführt werden, oft dazu, den aerodynamischen Strömungsabrisswinkel zu überschätzen. Hochdruckwindkanäle sind eine Lösung für dieses Problem. ⓘ

Im Allgemeinen ist ein stabiler Betrieb eines Flugzeugs bei einem Anstellwinkel oberhalb des kritischen Winkels nicht möglich, da nach Überschreiten des kritischen Winkels der Auftriebsverlust am Flügel dazu führt, dass die Nase des Flugzeugs abfällt und der Anstellwinkel wieder sinkt. Dieses von den Steuereingaben unabhängige Absinken der Nase zeigt an, dass der Pilot das Flugzeug tatsächlich überzogen hat. ⓘ

Dieses Diagramm zeigt den Überziehwinkel, doch in der Praxis wird der Überziehvorgang in den meisten Betriebshandbüchern für Piloten (POH) oder allgemeinen Flughandbüchern in Form der Fluggeschwindigkeit beschrieben. Das liegt daran, dass alle Flugzeuge mit einem Fahrtmesser ausgestattet sind, aber weniger Flugzeuge einen Anstellwinkelmesser haben. Die Überziehgeschwindigkeit eines Flugzeugs wird vom Hersteller für eine Reihe von Gewichten und Klappenstellungen veröffentlicht (und ist für die Zulassung bei Flugtests erforderlich), aber der Überziehwinkel wird nicht veröffentlicht. ⓘ

Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, muss der Anstellwinkel zunehmen, um den Auftrieb konstant zu halten, bis der kritische Winkel erreicht ist. Die Fluggeschwindigkeit, bei der dieser Winkel erreicht wird, ist die Überziehgeschwindigkeit (1g, unbeschleunigt) des Flugzeugs in dieser bestimmten Konfiguration. Durch das Ausfahren von Klappen/Vorflügeln wird die Überziehgeschwindigkeit verringert, so dass das Flugzeug mit einer niedrigeren Geschwindigkeit starten und landen kann. ⓘ

Aerodynamische Beschreibung

Starrflügelflugzeug

Ein Starrflügelflugzeug kann in jeder Nicklage, jedem Querneigungswinkel oder bei jeder Fluggeschwindigkeit in den Strömungsabriss gebracht werden, aber der absichtliche Strömungsabriss wird üblicherweise durch Reduzierung der Geschwindigkeit auf die unbeschleunigte Überziehgeschwindigkeit in einer sicheren Höhe erreicht. Die unbeschleunigte (1g) Überziehgeschwindigkeit variiert bei verschiedenen Starrflüglern und wird durch Farbcodes auf dem Fahrtmesser dargestellt. Wenn das Flugzeug mit dieser Geschwindigkeit fliegt, muss der Anstellwinkel vergrößert werden, um einen Höhenverlust oder eine Zunahme der Fluggeschwindigkeit zu verhindern (was dem oben beschriebenen Überziehwinkel entspricht). Der Pilot wird bemerken, dass die Flugsteuerung nicht mehr so gut reagiert, und er kann auch ein gewisses Aufschaukeln bemerken, das von der turbulenten Luft herrührt, die von den Tragflächen abgetrennt wird und auf das Heck des Flugzeugs trifft. ⓘ

Bei den meisten Leichtflugzeugen beginnt das Flugzeug bei Erreichen des Strömungsabrisses zu sinken (weil der Flügel nicht mehr genügend Auftrieb erzeugt, um das Gewicht des Flugzeugs zu tragen) und die Nase neigt sich nach unten. Um den Strömungsabriss zu überwinden, muss die Flugzeugnase abgesenkt werden, um den Anstellwinkel zu verringern und die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, bis die Luftströmung über den Flügel wieder gleichmäßig ist. Sobald die Erholung abgeschlossen ist, kann der normale Flug wieder aufgenommen werden. Das Manöver ist normalerweise recht sicher und führt bei richtiger Durchführung nur zu einem geringen Höhenverlust (20-30 m/50-100 ft). Es wird gelehrt und geübt, damit die Piloten den Strömungsabriss des Flugzeugs erkennen, vermeiden und wiederherstellen können. Für die Zulassung in den Vereinigten Staaten muss ein Pilot nachweisen, dass er das Flugzeug während und nach dem Strömungsabriss beherrscht, und es ist ein Routinemanöver für Piloten, die sich mit der Handhabung eines ihnen unbekannten Flugzeugtyps vertraut machen wollen. Der einzige gefährliche Aspekt eines Strömungsabrisses ist die fehlende Höhe zum Ausleiten. ⓘ

Anfängliches Trudeln und Ausleiten ⓘ

Eine besondere Form des asymmetrischen Strömungsabrisses, bei dem sich das Flugzeug auch um seine Gierachse dreht, wird als Trudeln bezeichnet. Ein Trudeln kann auftreten, wenn ein Flugzeug überzogen ist und ein asymmetrisches Giermoment auf es einwirkt. Dieses Giermoment kann aerodynamisch bedingt sein (Schiebewinkel, Seitenruder, ungünstiges Gieren der Querruder), schubbedingt (p-Faktor, Ausfall eines Triebwerks bei einem mehrmotorigen Flugzeug ohne Mittellinienschub) oder aus weniger wahrscheinlichen Quellen wie starken Turbulenzen stammen. Der Nettoeffekt ist, dass ein Flügel vor dem anderen abgewürgt wird und das Flugzeug schnell sinkt, während es sich dreht, und einige Flugzeuge können sich von diesem Zustand ohne korrekte Steuereingaben des Piloten (die das Gieren stoppen müssen) und ohne Belastung nicht erholen. Eine neue Lösung für das Problem des schwierigen (oder unmöglichen) Überziehens stellt das ballistische Fallschirmrettungssystem dar. ⓘ

Die häufigsten Szenarien für einen Strömungsabriss treten beim Start (Abflugabriss) und bei der Landung (Base to Final Turn) auf, weil die Fluggeschwindigkeit bei diesen Manövern nicht ausreicht. Ein Strömungsabriss tritt auch während eines Durchstartmanövers auf, wenn der Pilot nicht richtig auf die Out-of-trim-Situation reagiert, die sich aus dem Übergang von einer niedrigen Leistungseinstellung zu einer hohen Leistungseinstellung bei niedriger Geschwindigkeit ergibt. Die Überziehgeschwindigkeit erhöht sich, wenn die Flügeloberflächen mit Eis oder Reif verunreinigt sind, was zu einer raueren Oberfläche führt, und die Zelle durch die Eisansammlung schwerer wird. ⓘ

Der Strömungsabriss tritt nicht nur bei niedriger Fluggeschwindigkeit auf, sondern bei jeder Geschwindigkeit, wenn die Tragflächen ihren kritischen Anstellwinkel überschreiten. Der Versuch, den Anstellwinkel bei 1 g durch Zurückziehen der Steuersäule zu vergrößern, führt normalerweise zum Steigen des Flugzeugs. Bei Flugzeugen treten jedoch häufig höhere g-Kräfte auf, z. B. bei steilen Kurven oder beim Ausleiten eines Sturzfluges. In diesen Fällen arbeiten die Tragflächen bereits mit einem höheren Anstellwinkel, um die nötige Kraft (abgeleitet aus dem Auftrieb) zu erzeugen und in die gewünschte Richtung zu beschleunigen. Eine weitere Erhöhung der g-Belastung durch Zurückziehen der Steuerelemente kann dazu führen, dass der Überziehwinkel überschritten wird, obwohl das Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit fliegt. Diese "High-Speed-Stalls" erzeugen die gleichen Buffeting-Eigenschaften wie 1g-Stalls und können auch ein Trudeln auslösen, wenn zusätzlich ein Gieren auftritt. ⓘ

Merkmale

Verschiedene Flugzeugtypen haben unterschiedliche Überzieheigenschaften, die jedoch nur so gut sein müssen, dass sie die jeweilige Lufttüchtigkeitsbehörde zufrieden stellen. Das schwere Frachtflugzeug Short Belfast beispielsweise hatte einen geringen Nasensturz, der für die Royal Air Force akzeptabel war. Als das Flugzeug an einen zivilen Betreiber verkauft wurde, musste es mit einem Steuerknüppel ausgestattet werden, um die zivilen Anforderungen zu erfüllen. Einige Flugzeuge können natürlich ein sehr gutes Verhalten aufweisen, das weit über die Anforderungen hinausgeht. So wurde zum Beispiel für die erste Generation der Jet-Transportflugzeuge beschrieben, dass sie beim Strömungsabriss die Nase einwandfrei abfallen lassen. Der Verlust von Auftrieb an einem Flügel ist akzeptabel, solange die Rollbewegung, auch während des Überziehens, nicht mehr als 20 Grad beträgt; im Kurvenflug darf die Rollbewegung 90 Grad Neigung nicht überschreiten. Wenn die Warnung vor dem Überziehen, gefolgt von einem Abfallen der Nase und einem begrenzten Abfallen des Flügels, nicht vorhanden ist oder von einer Luftfahrtbehörde als unannehmbar geringfügig eingestuft wird, muss das Überziehverhalten durch Modifikationen an der Zelle oder durch Vorrichtungen wie einen Knüppelschüttler und einen Drücker ausreichend verbessert werden. Diese werden in "Warn- und Sicherheitseinrichtungen" beschrieben. ⓘ

Überziehgeschwindigkeiten

Flugbereich eines schnellen Flugzeugs. Der linke Rand ist die Kurve der Überziehgeschwindigkeit. ⓘ

Der Fahrtmesser wird oft zur indirekten Vorhersage von Überziehvorgängen verwendet. ⓘ

Der Strömungsabriss hängt nur vom Anstellwinkel ab, nicht von der Fluggeschwindigkeit. Je langsamer ein Flugzeug jedoch fliegt, desto größer ist der Anstellwinkel, den es braucht, um einen Auftrieb zu erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht. Wenn die Geschwindigkeit weiter abnimmt, ist dieser Winkel irgendwann gleich dem kritischen Anstellwinkel (Überziehwinkel). Diese Geschwindigkeit wird als "Überziehgeschwindigkeit" bezeichnet. Ein Flugzeug, das mit seiner Überziehgeschwindigkeit fliegt, kann nicht steigen, und ein Flugzeug, das unter seiner Überziehgeschwindigkeit fliegt, kann den Sinkflug nicht beenden. Jeder Versuch, dies durch eine Erhöhung des Anstellwinkels zu erreichen, ohne vorher die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, führt zum Überziehen. ⓘ

Die tatsächliche Überziehgeschwindigkeit hängt vom Gewicht, der Höhe, der Konfiguration sowie der vertikalen und lateralen Beschleunigung des Flugzeugs ab. Der Propeller-Slipstream reduziert die Überziehgeschwindigkeit, indem er die Strömung über den Flügeln anregt. (Er bewirkt auch einen erhöhten Auftrieb, indem er die Fluggeschwindigkeit über einem Teil der Tragflächen erhöht). ⓘ

Es gibt verschiedene Definitionen für die Geschwindigkeit, darunter:

• V_S: Überziehgeschwindigkeit: die Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug die Eigenschaften aufweist, die als Definition des Überziehens gelten.
• V_S0: Die Überziehgeschwindigkeit oder minimale Geschwindigkeit im stationären Flug in der Landekonfiguration. Die Überziehgeschwindigkeit bei Nullschub und ausgefahrener Landeklappenstellung.
• V_S1: Die Überziehgeschwindigkeit oder minimale Geschwindigkeit im stationären Flug in einer bestimmten Konfiguration. Die schubfreie Überziehgeschwindigkeit bei einer bestimmten Klappenstellung. ⓘ

Ein Fahrtmesser für Flugversuche kann folgende Markierungen haben: Der untere Teil des weißen Bogens zeigt V_S0 bei maximalem Gewicht an, während der untere Teil des grünen Bogens V_S1 bei maximalem Gewicht anzeigt. Während die V_S-Geschwindigkeit eines Flugzeugs konstruktionsbedingt berechnet wird, müssen die V_S0- und V_S1-Geschwindigkeiten empirisch durch Flugversuche nachgewiesen werden. ⓘ

Im beschleunigten und kurvenreichen Flug

Illustration eines Überziehens im Kurvenflug, das während einer koordinierten Kurve mit progressiv zunehmendem Neigungswinkel auftritt. ⓘ

Die normale Überziehgeschwindigkeit, die durch die obigen VS-Werte angegeben wird, bezieht sich immer auf den geraden und ebenen Flug, bei dem der Belastungsfaktor gleich 1 g ist. Wenn sich das Flugzeug jedoch dreht oder aus einem Sturzflug hochzieht, ist zusätzlicher Auftrieb erforderlich, um die vertikale oder seitliche Beschleunigung zu erreichen, so dass die Überziehgeschwindigkeit höher ist. Ein beschleunigter Strömungsabriss ist ein Strömungsabriss, der unter solchen Bedingungen auftritt. ⓘ

Bei einer Kurve in Schräglage ist der erforderliche Auftrieb gleich dem Gewicht des Flugzeugs plus dem zusätzlichen Auftrieb, der für die zur Durchführung der Kurve erforderliche Zentripetalkraft erforderlich ist:

$L=nW$ ⓘ

wobei:

$L$ = Auftrieb

$n$ = Lastfaktor (größer als 1 in einer Kurve)

$W$ = Gewicht des Flugzeugs ⓘ

Um den zusätzlichen Auftrieb zu erreichen, muss der Auftriebskoeffizient und damit der Anstellwinkel höher sein als im Geradeausflug bei gleicher Geschwindigkeit. Da der Strömungsabriss immer bei demselben kritischen Anstellwinkel eintritt, wird der kritische Winkel bei einer höheren Fluggeschwindigkeit erreicht, wenn der Lastfaktor erhöht wird (z. B. durch eine engere Kurve):

$V_{\text{st}}=V_{\text{s}}{\sqrt {n}}$ ⓘ

wobei:

$V_{\text{st}}$ = Überziehgeschwindigkeit

$V_{\text{s}}$ = Überziehgeschwindigkeit des Flugzeugs im geraden, ebenen Flug

$n$ = Belastungsfaktor ⓘ

Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele für den Zusammenhang zwischen dem Schräglagenwinkel und der Quadratwurzel des Lastfaktors. Sie ergibt sich aus der trigonometrischen Beziehung (Sekante) zwischen $L$ und $W$. ⓘ

Bankwinkel	${\sqrt {n}}$
30°	1.07
45°	1.19
60°	1.41

ⓘ

Bei einer Kurve mit einem Querneigungswinkel von 45° ist Vst beispielsweise 19 % höher als Vs. ⓘ

Nach der Terminologie der Federal Aviation Administration (FAA) handelt es sich bei dem obigen Beispiel um einen so genannten Turning Flight Stall, während der Begriff Accelerated nur für einen beschleunigten Turning Flight Stall verwendet wird, d. h. einen Turning Flight Stall, bei dem die Fluggeschwindigkeit mit einer bestimmten Rate abnimmt. ⓘ

Der beschleunigte Strömungsabriss stellt auch ein Risiko bei leistungsstarken Propellerflugzeugen dar, die als Reaktion auf das Motordrehmoment zum Rollen neigen. Wenn ein solches Flugzeug im Geradeausflug nahe seiner Überziehgeschwindigkeit fliegt, kann das plötzliche Aufbringen der vollen Leistung das Flugzeug zum Rollen bringen und die gleichen aerodynamischen Bedingungen schaffen, die einen beschleunigten Strömungsabriss im Kurvenflug auslösen. Ein Flugzeug, das diese Rolltendenz aufweist, ist die Mitsubishi MU-2; die Piloten dieses Flugzeugs sind darauf trainiert, plötzliche und drastische Leistungserhöhungen in geringer Höhe und bei niedriger Fluggeschwindigkeit zu vermeiden, da ein beschleunigter Strömungsabriss unter diesen Bedingungen nur sehr schwer sicher zu beheben ist. ⓘ

Ein bemerkenswertes Beispiel für einen Flugunfall mit einem Strömungsabriss in niedriger Höhe ist der Absturz der B-52 auf der Fairchild Air Force Base im Jahr 1994. ⓘ

Arten

Dynamischer Strömungsabriss

Der dynamische Strömungsabriss ist ein nichtlinearer, instationärer aerodynamischer Effekt, der auftritt, wenn sich der Anstellwinkel eines Tragflügels schnell ändert. Die rasche Änderung kann dazu führen, dass sich ein starker Wirbel von der Vorderkante der Tragfläche löst und sich rückwärts über die Tragfläche bewegt. Der Wirbel, der Luftströmungen mit hoher Geschwindigkeit enthält, erhöht kurzzeitig den vom Flügel erzeugten Auftrieb. Sobald er jedoch hinter die Hinterkante gelangt, nimmt der Auftrieb drastisch ab, und der Flügel befindet sich im normalen Strömungsabriss. ⓘ

Der dynamische Strömungsabriss ist ein Effekt, der vor allem bei Hubschraubern und Schlagflügeln auftritt, aber auch bei Windturbinen und bei böigen Luftströmungen. Während des Vorwärtsflugs kann es in einigen Bereichen eines Hubschrauberblatts zu einer (im Vergleich zur Bewegungsrichtung des Blatts) umgekehrten Strömung kommen, die schnell wechselnde Anstellwinkel einschließt. Oszillierende (schlagende) Flügel, z. B. von Insekten wie der Hummel, können zur Auftriebserzeugung fast ausschließlich auf den dynamischen Strömungsabriss angewiesen sein, sofern die Oszillationen im Vergleich zur Fluggeschwindigkeit schnell sind und sich der Anstellwinkel des Flügels im Vergleich zur Strömungsrichtung schnell ändert. ⓘ

Bei Profilen mit hohem Anstellwinkel und dreidimensionaler Strömung kann es zum Strömungsabriss kommen. Wenn der Anstellwinkel eines Profils schnell ansteigt, bleibt die Strömung bis zu einem wesentlich höheren Anstellwinkel am Profil haften, als dies im stationären Zustand möglich ist. Dadurch wird der Strömungsabriss kurzzeitig verzögert und ein Auftriebskoeffizient erreicht, der deutlich über dem stationären Maximum liegt. Dieser Effekt wurde erstmals bei Propellern beobachtet. ⓘ

Strömungsabriss

Schematische Darstellung eines Sackfluges ⓘ

Eine Schweizer SGS 1-36, die 1983 von der NASA über der Mojave-Wüste zur Erforschung des Sackfluges eingesetzt wurde. ⓘ

Der Sackflug (oder Superstall) ist eine gefährliche Form des Überziehens, die bei bestimmten Flugzeugkonstruktionen auftritt, insbesondere bei Düsenflugzeugen mit T-Leitwerkskonfiguration und hinten angebrachten Triebwerken. Bei diesen Konstruktionen wird das Höhenleitwerk von der turbulenten Nachlaufströmung des abgewürgten Hauptflügels, den Gondel-Pylon-Wirbeln und der Nachlaufströmung des Rumpfes "überdeckt", wodurch die Höhenruder unwirksam werden und sich das Flugzeug nicht mehr aus dem Strömungsabriss erholen kann. Taylor stellt fest, dass T-Leitwerk-Propellerflugzeuge im Gegensatz zu Düsenflugzeugen in der Regel kein System zur Überziehungskontrolle benötigen, da die Luftströmung über der Flügelwurzel durch den Propellerstrahl verstärkt wird. Auch haben sie keine hinten angebrachten Gondeln, die das Problem erheblich verstärken können. Die A400M war bei einigen Flugversuchen mit einem Senkrechtstarter für den Fall eines Sackflugs ausgestattet. ⓘ

Trubshaw definiert den Sackflug im weitesten Sinne als ein Eindringen in einen solchen Anstellwinkel ${\textstyle \alpha }$ dass die Wirksamkeit der Pitch-Steuerung durch die Flügel- und Gondelwirbel reduziert wird. Er gibt auch eine Definition, die den Sackflug mit einem Locked-in-Zustand verbindet, bei dem eine Erholung unmöglich ist. Dies ist ein einzelner Wert von ${\textstyle \alpha }$für eine bestimmte Flugzeugkonfiguration, bei der es kein Nickmoment gibt, d. h. einen Trimmpunkt. ⓘ

Typische Werte sowohl für den Bereich des Sackfluges, wie oben definiert, als auch für den Locked-in-Trimmpunkt werden von Schaufele für die Douglas DC-9 Serie 10 angegeben. Diese Werte stammen aus Windkanaltests für eine frühe Konstruktion. Die endgültige Konstruktion hatte keinen Locked-in-Trimmpunkt, so dass eine Erholung aus dem Sackflugbereich möglich war, wie es für die Erfüllung der Zulassungsvorschriften erforderlich ist. Der normale Strömungsabriss begann beim "g break" (plötzliche Abnahme des vertikalen Lastfaktors) bei ${\textstyle \alpha =18^{\circ }}$Der Sackflug begann bei etwa 30°, und der nicht wiederherstellbare Locked-in-Trimmpunkt lag bei 47°. ⓘ

Der sehr hohe ${\textstyle \alpha }$ für den Sackflug tritt weit nach dem normalen Sackflug auf, kann aber sehr schnell erreicht werden, da das Flugzeug über den normalen Sackflug hinaus instabil ist und sofortige Maßnahmen zu seiner Beendigung erfordert. Der Verlust des Auftriebs führt zu hohen Sinkwerten, die zusammen mit der geringen Vorwärtsgeschwindigkeit beim normalen Strömungsabriss zu einem hohen ${\textstyle \alpha }$ mit geringer oder keiner Rotation des Flugzeugs. BAC 1-11 G-ASHG stürzte während der Flugversuche im Sackflug, bevor das Muster modifiziert wurde, um einen eingeschlossenen Sackflugzustand zu verhindern, mit über 10.000 Fuß pro Minute (50 m/s) ab und schlug in flacher Lage auf dem Boden auf, wobei es sich nach dem ersten Aufprall nur 70 Fuß (20 m) vorwärts bewegte. Skizzen, die zeigen, wie die Flügelnachlaufströmung das Heck überdeckt, können irreführend sein, wenn sie implizieren, dass der Sackflug einen großen Rumpfwinkel erfordert. Taylor und Ray zeigen, dass die Fluglage im Sackflug relativ flach ist, sogar noch flacher als im normalen Sackflug, mit sehr großen negativen Flugbahnwinkeln. ⓘ

Ähnliche Effekte wie der Sackflug waren bei einigen Flugzeugkonstruktionen bereits bekannt, bevor der Begriff geprägt wurde. Ein Prototyp der Gloster Javelin (Seriennummer WD808) stürzte am 11. Juni 1953 wegen eines Sackflugs ab. Waterton gibt jedoch an, dass sich das Trimmleitwerk als der falsche Weg zur Bergung erwies. Es wurden Tests zum Handling bei niedriger Geschwindigkeit durchgeführt, um einen neuen Flügel zu testen. Die Handley Page Victor XL159 ging am 23. März 1962 durch einen "stabilen Strömungsabriss" verloren. Die Maschine hatte die feste Überziehkante verlassen, der Test war ein Sackflug, Landekonfiguration, C of G achtern. Der Bremsfallschirm war nicht ausgefahren worden, da er die Flucht der hinteren Besatzung behindert haben könnte. ⓘ

Die Bezeichnung "Sackflug" wurde erstmals nach dem Absturz des Prototyps BAC 1-11 G-ASHG am 22. Oktober 1963, bei dem die Besatzung ums Leben kam, allgemein verwendet. Dies führte zu Änderungen am Flugzeug, einschließlich des Einbaus eines Stick Shakers (siehe unten), der den Piloten deutlich vor einem drohenden Strömungsabriss warnt. Knüppelschüttler gehören heute zur Standardausrüstung von Verkehrsflugzeugen. Dennoch kommt es immer wieder zu Unfällen; am 3. Juni 1966 ging eine Hawker Siddeley Trident (G-ARPY) wegen Strömungsabrisses verloren; es wird vermutet, dass der Strömungsabriss die Ursache für den Absturz einer anderen Trident (British European Airways Flug 548 G-ARPI) am 18. Juni 1972 war, bei dem die Besatzung den Strömungsabriss nicht bemerkt und das Überziehsystem deaktiviert hatte. Am 3. April 1980 stürzte ein Prototyp des Canadair Challenger-Geschäftsreiseflugzeugs ab, nachdem es aus einer Höhe von 17.000 Fuß in einen Sackflug geraten war und beide Triebwerke in Flammen aufgegangen waren. Das Flugzeug erholte sich aus dem Sackflug, nachdem der Anti-Spin-Fallschirm ausgelöst worden war, stürzte jedoch ab, nachdem es nicht gelungen war, den Fallschirm abzuwerfen oder die Triebwerke wieder zu zünden. Einer der Testpiloten konnte sich nicht mehr rechtzeitig aus dem Flugzeug retten und kam ums Leben. Am 26. Juli 1993 verunglückte eine Canadair CRJ-100 bei Flugversuchen aufgrund eines Sackflugs. Es wurde berichtet, dass eine Boeing 727 bei einer Flugerprobung in den Sackflug geriet, der Pilot das Flugzeug jedoch in immer größere Schräglagen bringen konnte, bis die Nase schließlich durchfiel und die normale Steuerung wiederhergestellt war. Ein 727-Unfall am 1. Dezember 1974 wurde ebenfalls auf einen Sackflug zurückgeführt. Der Absturz von West Caribbean Airways Flug 708 im Jahr 2005 wurde ebenfalls auf einen Sackflug zurückgeführt. ⓘ

Sackflug kann bei scheinbar normaler Nicklage auftreten, wenn das Flugzeug schnell genug sinkt. Die Luftströmung kommt von unten, so dass der Anstellwinkel vergrößert wird. Frühe Spekulationen über die Gründe für den Absturz von Air France Flug 447 machten einen nicht behebbaren Sackflug verantwortlich, da das Flugzeug in einer fast flachen Fluglage (15°) mit einem Anstellwinkel von 35° oder mehr sank. Die Piloten hielten das Flugzeug jedoch in einem überzogenen Gleitflug und hielten die Nase hoch, da sie nicht wussten, was eigentlich mit dem Flugzeug geschah. ⓘ

Auch bei Flugzeugen mit Canard-Konfiguration besteht die Gefahr eines Sackflugs. Zwei Velocity-Flugzeuge stürzten aufgrund von Sackflügen ab. Tests ergaben, dass das Hinzufügen von Vorderkantenmanschetten an den Außenflügeln den Sackflug verhinderte. Die Piper Advanced Technologies PAT-1, N15PT, ein weiteres Flugzeug mit Canard-Konfiguration, stürzte ebenfalls bei einem Unfall ab, der auf einen Sackflug zurückzuführen war. Windkanaltests der Konstruktion im NASA Langley Research Center zeigten, dass sie für einen Sackflug anfällig war. ⓘ

In den frühen 1980er Jahren wurde ein Schweizer SGS 1-36 Segelflugzeug für das kontrollierte Sackflugprogramm der NASA modifiziert. ⓘ

Strömungsabriss an der Spitze

Flügelpfeilung und -verjüngung führen zum Strömungsabriss an der Flügelspitze vor der Wurzel. Die Position eines gepfeilten Flügels entlang des Rumpfes muss so gewählt werden, dass der Auftrieb von der Flügelwurzel, die weit vor dem Schwerpunkt des Flugzeugs liegt, durch die Flügelspitze, die weit hinter dem Schwerpunkt liegt, ausgeglichen wird. Gepfeilte Flügel müssen Merkmale aufweisen, die ein Aufbäumen durch vorzeitigen Strömungsabriss an der Spitze verhindern. ⓘ

Bei einem gepfeilten Flügel ist der Auftriebskoeffizient an den Außenflügeln höher als an den Innenflügeln, so dass diese ihre maximale Auftriebskapazität zuerst erreichen und zuerst abreißen. Dies wird durch den Abwind verursacht, der bei gepfeilten Flügeln auftritt. Um den Strömungsabriss an der Flügelspitze zu verzögern, wird der äußere Flügel ausgewaschen, um seinen Anstellwinkel zu verringern. Die Wurzel kann auch mit einer geeigneten Vorderkante und einem geeigneten Profilquerschnitt modifiziert werden, um sicherzustellen, dass sie vor der Spitze abreißt. Wenn der Überziehwinkel überschritten wird, kann es jedoch vorkommen, dass die Flügelspitzen noch vor dem Innenflügel in den Sackflug übergehen, obwohl die anfängliche Ablösung innen erfolgt ist. Dies führt zu einem Ansteigen nach dem Strömungsabriss und zum Eintritt in einen Superstall bei Flugzeugen mit Superstall-Eigenschaften. Die Grenzschichtströmung in Spannweitenrichtung ist auch bei gepfeilten Flügeln vorhanden und führt zum Strömungsabriss an der Spitze. Die Menge an Grenzschichtluft, die nach außen strömt, kann durch die Erzeugung von Wirbeln mit einer Vorrichtung an der Vorderkante wie einem Zaun, einer Kerbe, einem Sägezahn oder einer Reihe von Wirbelgeneratoren hinter der Vorderkante reduziert werden. ⓘ

Warn- und Sicherheitseinrichtungen

Starrflügelflugzeuge können mit Vorrichtungen ausgestattet werden, die einen Strömungsabriss verhindern oder hinauszögern, ihn abmildern (oder in manchen Fällen auch verstärken) oder die Bergung erleichtern.

• Der Flügel kann aerodynamisch verwunden werden, indem die Vorderkante in der Nähe der Flügelspitze nach unten verdreht wird. Dies wird als Auswaschung bezeichnet und bewirkt, dass die Flügelwurzel vor der Flügelspitze in den Sackflug übergeht. Dadurch wird der Strömungsabriss sanft und progressiv. Da der Strömungsabriss an den Flügelspitzen, wo sich die Querruder befinden, verzögert wird, bleibt die Rollkontrolle erhalten, wenn der Strömungsabriss beginnt.
• Ein Strömungsabrissstreifen ist eine kleine, scharfkantige Vorrichtung, die, wenn sie an der Vorderkante des Flügels angebracht ist, den Strömungsabriss dort und nicht an einer anderen Stelle des Flügels einleitet. Wenn sie in der Nähe der Flügelwurzel angebracht ist, wird der Strömungsabriss sanft und progressiv, wenn sie in der Nähe der Flügelspitze angebracht ist, wird das Flugzeug dazu gebracht, beim Strömungsabriss einen Flügel abzusenken.
• Ein Strömungsabrisszaun ist eine flache Platte in Richtung der Flügelsehne, um zu verhindern, dass die abgetrennte Strömung entlang des Flügels nach außen dringt.
• Wirbelgeneratoren, winzige Metall- oder Kunststoffstreifen, die auf der Oberseite des Flügels in der Nähe der Vorderkante angebracht sind und über die Grenzschicht hinaus in die freie Strömung ragen. Wie der Name schon sagt, regen sie die Grenzschicht an, indem sie die freie Strömung mit der Grenzschichtströmung vermischen und so Wirbel erzeugen, wodurch sich der Impuls in der Grenzschicht erhöht. Durch die Erhöhung des Impulses in der Grenzschicht kann die Strömungsablösung und der daraus resultierende Strömungsabriss verzögert werden.
• Eine Anti-Stall-Strebe ist eine Vorderkantenverlängerung, die einen Wirbel auf der Flügeloberseite erzeugt, um den Strömungsabriss zu verzögern.
• Ein Steuerknüppeldrücker ist eine mechanische Vorrichtung, die verhindert, dass der Pilot das Flugzeug überzieht. Er drückt das Höhenruder nach vorne, wenn sich der Strömungsabriss nähert, und bewirkt eine Verringerung des Anstellwinkels. Allgemein wird ein Stick Pusher auch als Überziehhilfe oder Überziehhilfe-System bezeichnet.
• Ein Knüppelschüttler ist eine mechanische Vorrichtung, die den Piloten durch Schütteln der Steuerelemente vor einem drohenden Strömungsabriss warnt.
• Eine Überziehwarnung ist ein elektronisches oder mechanisches Gerät, das bei Annäherung an die Überziehgeschwindigkeit ein akustisches Warnsignal abgibt. Die meisten Flugzeuge verfügen über eine solche Vorrichtung, die den Piloten vor einem drohenden Strömungsabriss warnt. Die einfachste dieser Vorrichtungen ist ein Überziehwarnhorn, das entweder aus einem Drucksensor oder einer beweglichen Metallzunge besteht, die einen Schalter betätigt und daraufhin ein akustisches Warnsignal erzeugt.
• Ein Anstellwinkelanzeiger für Leichtflugzeuge, der "AlphaSystemsAOA" und ein fast identischer "Lift Reserve Indicator", sind beides Druckdifferenzinstrumente, die den Spielraum über dem Strömungsabriss und/oder den Anstellwinkel auf einer sofortigen, kontinuierlichen Anzeige anzeigen. Das CYA-100 von General Technics zeigt den tatsächlichen Anstellwinkel über eine magnetisch gekoppelte Schaufel an. Ein AOA-Indikator bietet eine visuelle Anzeige des verfügbaren Auftriebs im gesamten Langsamflugbereich, unabhängig von den vielen Variablen, die auf ein Flugzeug einwirken. Diese Anzeige reagiert sofort auf Änderungen der Geschwindigkeit, des Anstellwinkels und der Windverhältnisse und kompensiert automatisch das Gewicht, die Höhe und die Temperatur des Flugzeugs.
• Ein Anstellwinkelbegrenzer oder "Alpha-Limiter" ist ein Flugcomputer, der automatisch verhindert, dass das Flugzeug durch Piloteneingaben über den Überziehwinkel steigt. Einige Alphabegrenzer können vom Piloten deaktiviert werden. ⓘ

Überziehwarnsysteme beinhalten oft Eingaben von einer Vielzahl von Sensoren und Systemen, einschließlich eines speziellen Anstellwinkelsensors. ⓘ

Eine Blockierung, Beschädigung oder Fehlfunktion von Überziehungs- und Anstellwinkelsensoren kann zu einer Unzuverlässigkeit der Überziehwarnung führen und Fehlfunktionen des Knüppeldrückers, der Überdrehzahlwarnung, des Autopiloten und der Gierdämpfer verursachen. ⓘ

Wenn ein vorderes Leitwerk anstelle eines hinteren Leitwerks zur Nicksteuerung verwendet wird, ist das Leitwerk so konstruiert, dass es die Luftströmung in einem etwas größeren Anstellwinkel trifft als der Flügel. Wenn sich der Anstellwinkel des Flugzeugs abnormal erhöht, wird daher in der Regel zuerst der Strömungsabriss am Leitwerk eintreten, wodurch die Nase abfällt und der Flügel seinen kritischen Anstellwinkel nicht erreichen kann. Dadurch wird das Risiko eines Überziehens des Hauptflügels stark reduziert. Bei einem Strömungsabriss des Hauptflügels wird das Ausleiten jedoch schwierig, da der Strömungsabriss der Canard tiefer ist und der Anstellwinkel schnell ansteigt. ⓘ

Bei Verwendung eines Heckflügels ist der Flügel so konstruiert, dass er vor dem Heck abreißt. In diesem Fall kann der Flügel mit einem höheren Auftriebskoeffizienten (näher am Strömungsabriss) geflogen werden, um mehr Gesamtauftrieb zu erzeugen. ⓘ

Die meisten militärischen Kampfflugzeuge verfügen über einen Anstellwinkelanzeiger unter den Instrumenten des Piloten, der ihm genau anzeigt, wie nahe das Flugzeug am Überziehpunkt ist. Moderne Verkehrsflugzeuge können den Anstellwinkel ebenfalls messen, auch wenn diese Information nicht direkt auf dem Pilotendisplay angezeigt wird, sondern stattdessen eine Überziehwarnanzeige steuert oder dem Flugcomputer (bei Fly-by-Wire-Systemen) Leistungsinformationen liefert. ⓘ

Flug nach dem Strömungsabriss

Beim Strömungsabriss eines Flügels verringert sich die Wirksamkeit der Querruder, was die Steuerung des Flugzeugs erschwert und das Risiko eines Trudelns erhöht. Nach dem Strömungsabriss erfordert ein stabiler Flug über den Überziehwinkel hinaus (wo der Auftriebskoeffizient am größten ist) Triebwerksschub, um den Auftrieb zu ersetzen, sowie alternative Steuerelemente, um den Verlust der Wirksamkeit der Querruder zu ersetzen. Bei Hochleistungsflugzeugen ist der Verlust des Auftriebs (und die Zunahme des Widerstands) jenseits des Überziehwinkels weniger problematisch als die Aufrechterhaltung der Kontrolle. Einige Flugzeuge können nach dem Strömungsabriss ins Trudeln geraten (z. B. die F-4) oder in einen Flat-Spin geraten (z. B. die F-14). Die Kontrolle über den Strömungsabriss hinaus kann durch Reaktionskontrollsysteme (z. B. NF-104A), vektoriellen Schub sowie einen Rollstabilisator (oder Taileron) gewährleistet werden. Die verbesserte Manövrierfähigkeit durch Flüge bei sehr hohen Anstellwinkeln kann für militärische Kampfflugzeuge wie die F-22 Raptor einen taktischen Vorteil darstellen. Kurzzeitige Strömungsabrisse bei 90-120° (z. B. Pugachevs Kobra) werden manchmal auf Flugshows vorgeführt. Der höchste Anstellwinkel im Dauerflug, der bisher demonstriert wurde, war 70° bei der X-31 im Dryden Flight Research Center. Der Dauerflug nach dem Stillstand ist eine Form der Übermanövrierfähigkeit. ⓘ

Spoiler

Außer bei der Flugausbildung, bei Flugzeugtests und im Kunstflug ist ein Strömungsabriss normalerweise ein unerwünschtes Ereignis. Spoiler (manchmal auch als Auftriebsdämpfer bezeichnet) sind jedoch Vorrichtungen, die absichtlich eingesetzt werden, um eine sorgfältig kontrollierte Strömungsablösung über einem Teil der Tragfläche eines Flugzeugs zu erzeugen, um den erzeugten Auftrieb zu verringern, den Luftwiderstand zu erhöhen und es dem Flugzeug zu ermöglichen, schneller abzusinken, ohne an Geschwindigkeit zu gewinnen. Spoiler werden auch asymmetrisch eingesetzt (nur ein Flügel), um die Rollkontrolle zu verbessern. Spoiler können auch bei abgebrochenen Starts und nach dem Aufsetzen des Hauptrads bei der Landung eingesetzt werden, um das Gewicht des Flugzeugs auf den Rädern zu erhöhen und so die Bremswirkung zu verbessern. ⓘ

Im Gegensatz zu Motorflugzeugen, die den Sinkflug durch Erhöhung oder Verringerung des Schubs steuern können, müssen Segelflugzeuge den Luftwiderstand erhöhen, um die Sinkgeschwindigkeit zu steigern. Bei Hochleistungssegelflugzeugen werden Spoiler in großem Umfang eingesetzt, um den Landeanflug zu steuern. ⓘ

Spoiler können auch als "Auftriebsreduzierer" betrachtet werden, da sie den Auftrieb des Flügels, in dem sich der Spoiler befindet, verringern. Ein unkontrolliertes Rollen nach links kann beispielsweise durch Anheben des rechten Flügels (oder nur einiger Spoiler in großen Verkehrsflugzeugen) rückgängig gemacht werden. Dies hat den Vorteil, dass der Auftrieb des abfallenden Flügels nicht erhöht werden muss (was diesen Flügel näher an den Strömungsabriss bringen könnte). ⓘ

Geschichte

Der deutsche Flieger Otto Lilienthal starb 1896 beim Fliegen an den Folgen eines Strömungsabrisses. Wilbur Wright erlebte den Strömungsabriss zum ersten Mal 1901, als er sein zweites Segelflugzeug flog. Das Wissen um Lilienthals Unfall und Wilburs Erfahrung veranlasste die Gebrüder Wright, ihr Flugzeug in der "Canard"-Konfiguration zu bauen. Dadurch war es angeblich einfacher und sanfter, sich aus dem Strömungsabriss zu befreien. Die Konstruktion soll den Brüdern mehr als einmal das Leben gerettet haben. Allerdings können Canard-Konfigurationen ohne sorgfältiges Design dazu führen, dass ein Strömungsabriss nicht mehr aufgefangen werden kann. ⓘ

Der Flugzeugingenieur Juan de la Cierva arbeitete an seinem "Autogiro"-Projekt, um ein Drehflügler-Flugzeug zu entwickeln, von dem er hoffte, dass es keinen Strömungsabriss erleiden würde und daher sicherer als Flugzeuge sein würde. Bei der Entwicklung des "Autogyro" löste er viele technische Probleme, die den Hubschrauber erst möglich machten. ⓘ

Ursachen

Zwei Ursachen können den Strömungsabriss herbeiführen:

• Überziehen durch einen Anstellwinkel, der über einem für das jeweilige Profil charakteristischen Wert liegt.
• Erhöhung der Geschwindigkeit an einem Unterschallprofil in den schallnahen Bereich. Dies wird als High Speed Stall oder High Speed Buffet bezeichnet. ⓘ

High Speed Stall

Beim High Speed Stall kommt es durch die für den schallnahen Geschwindigkeitsbereich typische Ausbildung einer Stoßwelle zum Strömungsabriss hinter der Stoßwelle. Sofern nicht extrem viel Energie zugeführt wird (zum Beispiel durch einen Sturzflug), beendet sich dieser Zustand von selbst, da die Stoßwelle enormen Widerstand erzeugt und sich dadurch die Geschwindigkeit wieder reduziert. ⓘ

Compressor Stall

Ein Compressor Stall ist ein Strömungsabriss an einer einzelnen Verdichterschaufel innerhalb eines Strahltriebwerks. Die grundlegende Ursache hierfür ist eine Instabilität des Luftflusses innerhalb des Verdichters oder eine Veränderung der Luftgeschwindigkeit innerhalb des Verdichters ohne eine kompensierende Drehzahländerung (was letztlich zu einer Veränderung des Anströmwinkels der Verdichterschaufeln führt). ⓘ

Erfolgt der Strömungsabriss an mehreren Schaufeln, kommt es zu einem Verdichterpumpen, engl. Surge genannt. Dabei strömt Luft aus nachgeordneten Verdichterstufen zurück, bis wieder genügend Druck vorhanden ist. Dieses wiederholt sich periodisch mit einer Frequenz von 5 bis 30 Hertz, solange der Gegendruck der Verdichterstufe auf dem Wert bleibt, der diesen Vorgang auslöste. ⓘ

Die Schäden, die ein Compressor Stall oder Compressor Surge bewirkt, können einen Triebwerkswechsel erforderlich machen. ⓘ

Einseitiger Strömungsabriss

Im Kurvenflug strömt die Luft an der inneren Tragfläche langsamer vorbei als an der äußeren. Bei Langsamflug kann es zu einem einseitigen Strömungsabriss kommen. Dann produziert die innere Tragfläche deutlich weniger Auftrieb als die äußere; das Flugzeug kippt ohne Zutun des Piloten 'nach innen' und kann ins Trudeln geraten. Je nach Neigung der Flugzeuglängsachse wird zwischen Steil- (bzw. normalem) Trudeln und Flachtrudeln unterschieden. Trudeln ist auch im rückenflug möglich und wird in der Methodik der Segelkunstflugausbildung behandelt. Je langsamer man fliegt und je enger der Kurvenradius, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines einseitigen Strömungsabrisses.

Strömungsabriss bei steiler Schräglage ⓘ

Nichts mit dem Trudeln zu tun hat der sogenannte Spiralsturz. Während beim Trudeln die Strömung einseitig abgerissen ist, liegt sie beim Spiralsturz an beiden Flächen an. ⓘ

Gefahren

Ein Durchsacken in Bodennähe kann zu einer Bruchlandung oder zu einem Absturz führen. Viele Flugzeuge verfügen über eine Überziehwarnanlage, die dem Piloten einen drohenden Abriss signalisiert. Bei einem Strömungsabriss in großen Höhen bleibt ausreichend Zeit, um den Flugzustand wieder zu stabilisieren, sobald der Stall einmal sicher erkannt wurde. Auf dem verunglückten Air-France-Flug 447 kam es in Unwetter zu einem Strömungsabriss, den die Crew nicht als solchen erkannte, was zum Kontrollverlust führte. ⓘ

Bei Drehflüglern (Hubschraubern) kann der Strömungsabriss zu einem plötzlichen Auftriebsverlust am Haupt- oder Heckrotor führen. Der Strömungsabriss entsteht, wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter zu groß gewählt ist. Dies kann geschehen, wenn die Maschine durch eine zu schwere Last am Transporthaken oder falsche Flugtaktik im Gebirge überlastet wird. ⓘ

Beabsichtigter Strömungsabriss

Der geringe Auftrieb bei abgerissener Strömung wird in manchen Fällen gezielt eingesetzt:

• Bei Hängegleitern und Vögeln erlaubt ein Strömungsabriss kurz vor der Bodenberührung eine stehende Landung.
• gerissene sowie gestoßene Rollen sowie (im Modellflug) 3D-Kunstflugfiguren werden unter Strömungsabriss geflogen.
• Bevor sich bei Windkraftanlagen die drehzahlvariable Pitchregelung mit verstellbaren Rotorblättern durchsetzte, wiesen die starr montierten Rotorblätter ausgeprägt gewölbte und dünne Profile im Außenbereich auf, die ab einer gewissen Windgeschwindigkeit die Strömung abreißen ließen und damit die Drehzahl begrenzten („stall-geregelte Windkraftanlage“). ⓘ

Siehe auch

• Buffeting
• Grenzschichtablösung ⓘ

Quellen und Literatur

• "Slow Flight, Stalls, and Spins", in: U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Flight Standards Service: "Airplane Flying Handbook", 2004, S. 4–1 ff.
• Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Strömungsabriss und dem Anstellwinkel auf der-rick.biz ⓘ