Winglet
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Flügelspitzenvorrichtungen sollen die Effizienz von Starrflüglern durch Verringerung des Luftwiderstands verbessern. Obwohl es verschiedene Arten von Flügelspitzenvorrichtungen gibt, die auf unterschiedliche Weise funktionieren, besteht ihr beabsichtigter Effekt immer darin, den Luftwiderstand eines Flugzeugs durch teilweise Rückgewinnung der Wirbelspitzenenergie zu verringern. Flügelspitzenvorrichtungen können auch die Flugeigenschaften eines Flugzeugs verbessern und die Sicherheit für nachfolgende Flugzeuge erhöhen. Solche Vorrichtungen erhöhen die effektive Streckung eines Flügels, ohne die Spannweite wesentlich zu vergrößern. Eine Vergrößerung der Spannweite würde den Auftriebswiderstand verringern, aber den parasitären Widerstand erhöhen und eine Erhöhung der Festigkeit und des Gewichts des Flügels erfordern. Ab einem gewissen Punkt bringt eine weitere Vergrößerung der Spannweite keinen Nettonutzen mehr. Es kann auch betriebliche Erwägungen geben, die die zulässige Spannweite begrenzen (z. B. die verfügbare Breite an Flughafentoren). ⓘ
Flügelspitzenvorrichtungen erhöhen den an der Flügelspitze erzeugten Auftrieb (indem sie die Luftströmung über den oberen Flügel in der Nähe der Spitze glätten) und verringern den durch Flügelspitzenwirbel verursachten Auftriebswiderstand, wodurch sich das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand verbessert. Dies erhöht die Treibstoffeffizienz bei Motorflugzeugen und die Überlandgeschwindigkeit bei Segelflugzeugen, was in beiden Fällen die Reichweite erhöht. Studien der U.S. Air Force zeigen, dass eine bestimmte Verbesserung der Treibstoffeffizienz direkt mit der kausalen Erhöhung des Auftriebs-Widerstands-Verhältnisses des Flugzeugs korreliert. ⓘ
Winglets (wörtlich: englisch Flügelchen) bzw. Sharklets (Bezeichnung für Winglets bei Airbus), deutsch Flügelohren, sind meistens nach oben und seltener nach oben und unten verlängerte Außenflügel an den Enden der Tragflächen von Luftfahrzeugen. Sie sorgen für eine bessere Seitenstabilität, verringern den induzierten Luftwiderstand und verbessern so den Gleitwinkel sowie die Steigzahl bei niedriger Geschwindigkeit. ⓘ
Frühe Geschichte
Flügelendplatten
Das ursprüngliche Konzept geht auf das Jahr 1897 zurück, als der englische Ingenieur Frederick W. Lanchester Flügelendplatten als Methode zur Kontrolle von Wirbeln an den Flügelspitzen patentieren ließ. In den Vereinigten Staaten patentierte der in Schottland geborene Ingenieur William E. Somerville 1910 die ersten funktionsfähigen Winglets. Somerville baute die Vorrichtungen in seine frühen Doppeldecker- und Eindecker-Konstruktionen ein. Vincent Burnelli erhielt am 26. August 1930 das US-Patent Nr. 1.774.474 für sein "Airfoil Control Means". ⓘ
Einfache flache Endplatten führten nicht zu einer Verringerung des Luftwiderstands, da die Zunahme des Profilwiderstands größer war als die Abnahme des induzierten Widerstands. ⓘ
Hoerner Flügelspitzen
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Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war Dr. Sighard F. Hoerner ein Pionier auf diesem Gebiet. Er verfasste eine 1952 veröffentlichte technische Abhandlung, in der er abfallende Flügelspitzen forderte, deren spitz zulaufende hintere Enden den entstehenden Flügelspitzenwirbel von der oberen Flügelfläche wegleiteten. Ihm zu Ehren werden abgewinkelte Flügelspitzen oft "Hoerner-Tips" genannt. Segelflugzeuge und Leichtflugzeuge nutzen Hoerner-Spitzen schon seit vielen Jahren. ⓘ
Die früheste bekannte Anwendung einer nach unten abgewinkelten Hoerner-Flügelspitze an einem Düsenflugzeug fand während des Zweiten Weltkriegs statt. Es handelte sich dabei um die so genannten "Lippisch-Ohren", die angeblich dem Konstrukteur der Messerschmitt Me 163, Alexander Lippisch, zugeschrieben werden und erstmals zur Erprobung an den dritten und vierten Prototypen M3 und M4 des leichten Düsenjägers Heinkel He 162A Spatz angebracht wurden. Mit diesem Zusatz sollte der holländischen Rollcharakteristik der ursprünglichen He 162 entgegengewirkt werden, die mit dem ausgeprägten Flächenwinkel der Tragflächen zusammenhing. Dies wurde zum Standardmerkmal der etwa 320 fertiggestellten He 162A-Jagdflugzeuge, wobei Hunderte weiterer He 162A-Flugzeuge bis zum V-E Day unvollendet blieben. ⓘ
Tragfläche
Der Begriff "Winglet" wurde früher für eine zusätzliche Auftriebsfläche an einem Flugzeug verwendet, z. B. für einen kurzen Abschnitt zwischen den Rädern eines festen Fahrwerks. Richard Whitcombs Forschungen in den 1970er Jahren bei der NASA verwendeten erstmals den Begriff Winglet in seiner heutigen Bedeutung, die sich auf die nahezu senkrechte Verlängerung der Flügelspitzen bezieht. Der Aufwärtswinkel (oder Cant) des Winglets, sein Einwärts- oder Auswärtswinkel (oder Toe) sowie seine Größe und Form sind für die korrekte Leistung entscheidend und bei jeder Anwendung einzigartig. Der Wirbel an der Flügelspitze, der sich von der Unterseite des Flügels aus dreht, trifft auf die gewölbte Oberfläche des Winglets und erzeugt eine nach innen und leicht nach vorne gerichtete Kraft, ähnlich wie bei einem Segelboot, das eng am Wind segelt. Das Winglet wandelt einen Teil der sonst im Flügelspitzenwirbel vergeudeten Energie in einen scheinbaren Schub um. Dieser geringe Beitrag kann sich über die gesamte Lebensdauer des Flugzeugs auszahlen, sofern der Nutzen die Kosten für die Installation und Wartung der Winglets aufwiegt. ⓘ
Ein weiterer potenzieller Vorteil der Winglets besteht darin, dass sie die Intensität der Wirbelschleppen verringern. Diese ziehen hinter dem Flugzeug her und stellen eine Gefahr für andere Flugzeuge dar. Die Mindestabstände zwischen den Flugzeugen auf den Flughäfen werden weitgehend durch diese Faktoren bestimmt. Flugzeuge werden nach ihrem Gewicht klassifiziert (z. B. "leicht", "schwer" usw.), weil die Wirbelstärke mit dem Auftriebskoeffizienten des Flugzeugs zunimmt und daher die damit verbundenen Turbulenzen bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Gewicht am größten sind, was einen hohen Anstellwinkel zur Folge hat. ⓘ
Winglets und Flügelspitzenzäune erhöhen auch die Effizienz, indem sie die Wirbelinterferenz mit der laminaren Luftströmung in der Nähe der Flügelspitzen verringern, indem sie den Zusammenfluss von Niederdruckluft (über dem Flügel) und Hochdruckluft (unter dem Flügel) von der Oberfläche des Flügels wegbewegen". Wirbel an den Flügelspitzen erzeugen Turbulenzen, die an der Vorderkante der Flügelspitze entstehen und sich nach hinten und innen ausbreiten. Diese Turbulenzen "delaminieren" die Luftströmung über einen kleinen dreieckigen Abschnitt des Außenflügels, wodurch der Auftrieb in diesem Bereich zerstört wird. Der Zaun/das Winglet treibt den Bereich, in dem sich der Wirbel bildet, von der Flügeloberfläche weg nach oben, da sich das Zentrum des entstehenden Wirbels nun an der Spitze des Winglets befindet. ⓘ
Flugzeuge wie der Airbus A340 und die Boeing 747-400 verwenden Winglets, während andere Konstruktionen wie spätere Versionen der Boeing 777 und der Boeing 747-8 über gerippte Flügelspitzen verfügen. Die Verbesserung des Treibstoffverbrauchs durch Winglets nimmt mit der Einsatzlänge zu. Blended Winglets ermöglichen einen steileren Anstellwinkel, der die Startstrecke verkürzt. ⓘ
Frühe Entwicklung
Richard T. Whitcomb, ein Ingenieur am Langley Research Center der NASA, entwickelte das Konzept von Hoerner als Reaktion auf den starken Anstieg der Treibstoffkosten nach der Ölkrise von 1973 weiter. Mit einer sorgfältigen aeronautischen Konstruktion zeigte er, dass bei einem gegebenen Biegemoment ein nahezu senkrechtes Winglet im Vergleich zu einer horizontalen Spannweitenverlängerung eine größere Widerstandsreduzierung bietet. Whitcombs Entwürfe wurden 1979-80 von einem gemeinsamen Team der NASA und der Air Force mit einem KC-135 Stratotanker des Dryden Flight Research Center im Flug erprobt. Auch eine Lockheed L-1011 und eine McDonnell Douglas DC-10 wurden für die Tests verwendet, und die letztgenannte Konstruktion wurde von McDonnell Douglas direkt in das 1990 eingeführte Derivat MD-11 übernommen. ⓘ
Im Mai 1983 gewann ein Schüler der Bowie High School in Maryland auf der 34. Internationalen Wissenschafts- und Technikmesse in Albuquerque, New Mexico, einen großen Preis für seine Forschungsergebnisse zu Vorrichtungen an den Flügelspitzen zur Verringerung des Luftwiderstands. Noch im selben Monat meldete er ein US-Patent für "Flügelspitzenprofile" an, das 1986 veröffentlicht wurde. ⓘ
Anwendungen
NASA
Die bekannteste Anwendung von Flügelspitzenvorrichtungen durch die NASA ist das Boeing 747 Shuttle Carrier Aircraft. Die an den horizontalen Stabilisatoren der 747 angebrachten Vorrichtungen erhöhen die Wirksamkeit des Höhenleitwerks unter dem Gewicht des Space Shuttle-Orbiters, obwohl sie eher der Richtungsstabilität als der Verringerung des Luftwiderstands dienten. ⓘ
Geschäftsflugzeuge
Learjet stellte den Prototyp Learjet 28 auf dem Kongress der National Business Aviation Association 1977 aus. Es waren die ersten Winglets, die jemals in einem Serienflugzeug eingesetzt wurden, sei es im zivilen oder im militärischen Bereich. Learjet entwickelte das Winglet-Design ohne Unterstützung der NASA. Obwohl das Modell 28 als Prototyp für ein Versuchsflugzeug gedacht war, war die Leistung so gut, dass Learjet eine Produktionsverpflichtung einging. Flugtests zeigten, dass die Winglets die Reichweite um etwa 6,5 Prozent erhöhten und die Richtungsstabilität verbesserten. Learjet setzte die Anwendung von Winglets in Serienflugzeugen mit neueren Modellen wie dem Learjet 55, 31, 60, 45 und Learjet 40 fort. ⓘ
Gulfstream Aerospace erforschte Winglets in den späten 1970er Jahren und baute Winglets in die Gulfstream III, Gulfstream IV und Gulfstream V ein. Die Reichweite der Gulfstream V von 12.000 km (6.500 nmi) ermöglicht Nonstop-Routen wie New York-Tokio, sie hält über 70 Welt- und nationale Flugrekorde. Das kombinierte Winglets-Vertikalleitwerk von Rutan wurde bei seinem Geschäftsreiseflugzeug Beechcraft Starship eingesetzt, das 1986 erstmals flog. ⓘ
Winglets werden auch bei anderen Geschäftsflugzeugen eingesetzt, um die Startstrecke zu verkürzen, damit sie von kleineren Flughäfen aus starten können, und um größere Reiseflughöhen zu erreichen. Neben Winglets für neue Konstruktionen haben Anbieter auf dem Ersatzteilmarkt auch Nachrüstungen entwickelt. Winglet Technology, LLC aus Wichita, Kansas, sollte seine elliptischen Winglets zur Erhöhung der Nutzlast-Reichweite bei heißen und hohen Abflügen für die Nachrüstung der Citation X getestet haben. ⓘ
Experimentelles
Konventionelle Winglets wurden an der Rutan Voyager von Rutan angebracht, dem ersten Flugzeug, das 1986 die Welt umrundete, ohne aufzutanken. Die Flügelspitzen des Flugzeugs wurden jedoch beschädigt, als sie beim Start über die Startbahn schleiften und dabei etwa 30 cm von jeder Flügelspitze abrissen, so dass der Flug ohne Winglets durchgeführt wurde. ⓘ
Flügelspitzenanschlag
Ein Winglets-Fence bezieht sich auf die Winglets einschließlich der Flächen, die sich sowohl über als auch unter der Flügelspitze erstrecken, wie in Whitcombs frühen Forschungen beschrieben. Beide Flächen sind kürzer als oder gleichwertig mit einem Winglet, das ähnliche aerodynamische Vorteile aufweist. Der Airbus A310-300 war 1985 das erste Verkehrsflugzeug mit Flügelspitzenzäunen. Weitere Airbus-Modelle wie der A300-600, der A320ceo und der A380 folgten. Andere Airbus-Modelle wie die A320 Enhanced, die A320neo, die A350 und die A330neo haben Blended Winglets anstelle von Wingtip Fences. Die Antonov An-148 verwendet Flügelspitzenzäune. ⓘ
Abgekantete Winglets
Boeing kündigte 1985 eine neue Version der 747, die 747-400, mit größerer Reichweite und Kapazität an, bei der eine Kombination aus Winglets und größerer Spannweite verwendet wurde, um die zusätzliche Last zu tragen. Die Winglets erhöhten die Reichweite der 747-400 um 3,5 % gegenüber der 747-300, die ansonsten aerodynamisch identisch ist, aber keine Winglets hat. Winglets werden bevorzugt bei Boeing-Derivaten eingesetzt, die auf bestehenden Plattformen basieren, da sie eine maximale Wiederverwendung bestehender Komponenten ermöglichen. Neuere Entwürfe bevorzugen eine größere Spannweite, andere Flügelspitzenvorrichtungen oder eine Kombination aus beidem, wann immer dies möglich ist. ⓘ
Die Iljuschin Il-96 war das erste russische und moderne Flugzeug, das 1988 mit Winglets ausgestattet wurde. Der Bombardier CRJ-100/200 war das erste Regionalflugzeug, das 1992 mit Winglets ausgestattet wurde. Die A340/A330 folgten 1993/1994 mit schrägen Winglets. Die Tupolev Tu-204 war das erste Schmalrumpfflugzeug, das 1994 mit Winglets ausgestattet wurde. Der Airbus A220 (geb. CSeries) aus dem Jahr 2016 verfügt über Canted Winglets. ⓘ
Blended Winglets
Ein Blended Winglet ist mit einer sanften Kurve anstelle eines scharfen Winkels an der Tragfläche angebracht und soll den Interferenzwiderstand am Übergang zwischen Flügel und Winglets verringern. Ein scharfer Innenwinkel in diesem Bereich kann mit der Grenzschichtströmung interagieren und einen widerstandsverursachenden Wirbel hervorrufen, wodurch ein Teil des Nutzens des Winglets zunichte gemacht wird. Das in Seattle ansässige Unternehmen Aviation Partners entwickelt Blended Winglets als Nachrüstungen für die Gulfstream II, die Hawker 800 und die Falcon 2000. ⓘ
Boeing 747-400 mit schrägem Winglet
Airbus A320 Sharklet
Boeing 767-400ER mit abgeschrägten Flügelspitzen
Airbus A310-300 Flügelspitzenzaun ⓘ
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Am 18. Februar 2000 wurden Blended Winglets als Option für die Boeing 737-800 angekündigt; der erste Satz wurde am 14. Februar 2001 installiert und am 8. Mai 2001 bei Hapag-Lloyd Flug in Dienst gestellt. Die 2,4 m (8 ft) langen Verlängerungen von Aviation Partners/Boeing senken den Treibstoffverbrauch bei Langstreckenflügen um 4 % und erhöhen die Reichweite um 130 oder 200 nmi (240 oder 370 km) für die 737-800 oder den abgeleiteten Boeing Business Jet als Standard. Sie werden auch für die 737 Classic angeboten, und viele Betreiber haben ihre Flotten wegen der Treibstoffeinsparungen damit nachgerüstet. Aviation Partners Boeing bietet auch Blended Winglets für die 757 und die 767-300ER an. Im Jahr 2006 testete Airbus zwei Blended Winglets, die von Winglet Technology und Airbus für die Airbus A320-Familie entwickelt wurden. Im Jahr 2009 brachte Airbus sein Blended Winglet Sharklet" auf den Markt, das die Nutzlast-Reichweite der A320-Familie erhöhen und den Treibstoffverbrauch auf längeren Strecken um bis zu 4 % senken soll. Dies entspricht einer jährlichen CO2-Reduktion von 700 Tonnen pro Flugzeug. Die mit Sharklets ausgestatteten A320 wurden ab 2012 ausgeliefert. Sie werden bei der A320neo, der A330neo und der A350 eingesetzt. Sie werden auch als Nachrüstungsoption angeboten. ⓘ
Abgerundete Flügelspitze
Raked Wingtips, bei denen die Flügelspitze stärker gepfeilt ist als der Rest des Flügels, werden bei einigen Boeing-Verkehrsflugzeugen eingesetzt, um die Treibstoffeffizienz sowie die Start- und Steigleistung zu verbessern. Wie Winglets erhöhen sie die effektive Flügelstreckung und vermindern die Wirbel an den Flügelspitzen, wodurch der durch den Auftrieb verursachte Widerstand verringert wird. Bei Tests von Boeing und der NASA wurde festgestellt, dass sie den Luftwiderstand um bis zu 5,5 % verringern, gegenüber 3,5 bis 4,5 % bei herkömmlichen Winglets. Eine Vergrößerung der Spannweite wäre zwar effektiver als ein Winglet gleicher Länge, aber das Biegemoment ist größer. Ein 91 cm (3 Fuß) langes Winglet bietet den Leistungsgewinn einer 61 cm (2 Fuß) langen Spannweite, hat aber die Biegekraft einer 30 cm (1 Fuß) langen Spannweite. ⓘ
Raked Wingtips bieten mehrere Vorteile zur Gewichtsreduzierung im Vergleich zu einer einfachen Verlängerung der konventionellen Hauptspannweite. Bei hohen Belastungsfaktoren werden die kleineren Sehnen der Flügelspitze weniger belastet und führen zu einer geringeren induzierten Belastung des äußeren Hauptflügels. Außerdem führt die Pfeilung der Vorderkante dazu, dass der Druckmittelpunkt weiter hinten liegt als bei einfachen Spannweitenverlängerungen herkömmlicher Hauptflügel. Bei hohen Belastungsfaktoren führt diese relativ achterliche Lage des Druckmittelpunkts dazu, dass die Flügelspitze an der Flügelvorderkante stärker nach unten verdreht wird, was das Biegemoment auf den Innenflügel reduziert. Die relative Rückwärtsbewegung des Druckmittelpunkts verstärkt jedoch das Flattern. ⓘ
Die Kurzstrecken-Boeing 787-3 hätte eine Spannweite von 51,7 m (170 ft) gehabt, um in den ICAO Aerodrome Reference Code D zu passen. Die Spannweite wurde durch die Verwendung von Blended Winglets anstelle von Raked Wingtips verringert. ⓘ
Raked Wingtips sind bei der Boeing 767-400ER (Erstflug am 9. Oktober 1999), der Boeing 777-200LR/300ER/Freighter (24. Februar 2003), der aus der 737 abgeleiteten Boeing P-8 Poseidon (25. April 2009), der Boeing 787 (15. Dezember 2009), der Boeing 747-8 (8. Februar 2010) und der Boeing 777X installiert. Der Flügel des Embraer E-Jet E2 hat eine abgeschrägte Flügelspitze. ⓘ
Split-Tip
Die McDonnell Douglas MD-11 war 1990 das erste Flugzeug mit Split-Tip-Winglets. ⓘ
Für die 737 Next Generation hat Aviation Partners Boeing ein ähnliches Design wie bei der 737 MAX eingeführt, das als Split Scimitar Winglet bekannt ist, mit United Airlines als Erstkunden. ⓘ
Die Boeing 737 MAX verwendet eine neue Art von Flügelspitzenvorrichtung. Sie ähnelt einer dreifachen Mischung aus Winglet, Wingtip-Fence und Raked Wingtip und soll nach Angaben von Boeing den Treibstoffverbrauch der 737 MAX um weitere 1,5 % gegenüber den bereits erwarteten 10-12 % verbessern. ⓘ
Segelflugzeuge
1987 wandte sich der Maschinenbauingenieur Peter Masak an den Aerodynamiker Mark D. Maughmer, einen außerordentlichen Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Pennsylvania State University, mit der Bitte, Winglets zu entwerfen, um die Leistung seines Rennsegelflugzeugs mit 15 m Spannweite zu verbessern. Andere hatten bereits versucht, Whitcombs Winglets auf Segelflugzeuge anzuwenden, und sie verbesserten zwar die Steigleistung, konnten aber den parasitären Luftwiderstand bei hoher Reisegeschwindigkeit nicht ausgleichen. Masak war überzeugt, dass es möglich war, diese Hürde zu überwinden. Durch Versuch und Irrtum entwickelten sie schließlich erfolgreiche Winglet-Konstruktionen für Segelflugwettbewerbe, wobei sie ein neues, von Maughmer speziell für die Winglet-Anwendung entworfenes PSU-90-125-Profil verwendeten. Bei den Segelflug-Weltmeisterschaften 1991 in Uvalde, Texas, ging die Trophäe für die höchste Geschwindigkeit an ein mit Winglets ausgerüstetes Segelflugzeug der 15-Meter-Klasse mit begrenzter Spannweite, das damit die höchste Geschwindigkeit in der offenen Klasse mit unbegrenzter Spannweite übertraf - ein außergewöhnliches Ergebnis. Masak gewann 1993 die U.S. 15 Meter Nationals mit Winglets an seinem Prototyp Masak Scimitar. ⓘ
Ursprünglich wurden die Masak-Winglets bei Produktionssegelflugzeugen nachgerüstet, aber innerhalb von 10 Jahren nach ihrer Einführung waren die meisten Hochleistungssegelflugzeuge bereits ab Werk mit Winglets oder anderen Flügelspitzenvorrichtungen ausgestattet. Es dauerte über ein Jahrzehnt, bis Winglets erstmals in einem Serienflugzeug zum Einsatz kamen, der ursprünglichen Anwendung, die im Mittelpunkt der NASA-Entwicklung stand. Sobald jedoch die Vorteile von Winglets im Wettbewerb bewiesen waren, wurden sie auch schnell bei Segelflugzeugen eingesetzt. Der Punkteunterschied zwischen dem Sieger und dem Zweitplatzierten bei Segelflugwettbewerben beträgt oft weniger als ein Prozent, so dass selbst eine kleine Verbesserung der Effizienz einen erheblichen Wettbewerbsvorteil darstellt. Viele Piloten, die nicht an Wettbewerben teilgenommen haben, haben Winglets eingebaut, um das Handling zu verbessern, z. B. durch eine höhere Rollrate und eine geringere Tendenz zum Strömungsabriss an den Flügelspitzen. Die Vorteile sind beachtlich, da die Winglets bei Segelflugzeugen abnehmbar sein müssen, damit das Flugzeug in einem Anhänger verstaut werden kann, so dass sie normalerweise nur auf Wunsch des Piloten eingebaut werden. ⓘ
Die Glaser-Dirks DG-303, ein frühes Segelflugzeug-Derivat, bei dem Winglets zur Standardausrüstung gehören. ⓘ
Nicht-planare Flügelspitze
Aviation Partners hat 2010 ein Spiroid-Winglet mit geschlossener Oberfläche an einer Falcon 50 entwickelt und im Flug getestet. ⓘ
Nicht planare Flügelspitzen sind normalerweise in einer polyedrischen Flügelkonfiguration nach oben gewinkelt, wodurch sich die lokale V-Form in der Nähe der Flügelspitze vergrößert, wobei polyedrische Flügeldesigns seit Jahrzehnten bei Freiflugmodellen beliebt sind. Nicht planare Flügelspitzen bieten die Vorteile der Winglets in Bezug auf die Nachlaufregelung, wobei der parasitäre Luftwiderstand bei sorgfältiger Auslegung geringer ausfällt. Die nichtplanare Flügelspitze ist oft wie eine Rake-Spitze nach hinten gepfeilt und kann auch mit einem Winglet kombiniert werden. Ein Winglet ist ebenfalls ein Spezialfall einer nicht ebenen Flügelspitze. ⓘ
Nach dem Zweiten Weltkrieg, vor der Einführung von Winglets, verwendeten Flugzeugkonstrukteure hauptsächlich ebene Flügel mit einfacher V-Form. Mit der breiten Akzeptanz von Winglets bei neuen Segelflugzeugkonstruktionen in den 1990er Jahren versuchten die Konstrukteure, die aerodynamische Leistung ihrer Flügelspitzen weiter zu optimieren. Ursprünglich wurden Segelflugzeug-Winglets direkt an ebenen Flügeln angebracht, mit nur einem kleinen, fast rechtwinkligen Übergangsbereich. Sobald die Leistung des Winglets selbst optimiert war, richtete sich die Aufmerksamkeit auf den Übergang zwischen Flügel und Winglets. Eine gängige Anwendung war die Verjüngung des Übergangsbereichs von der Flügelspitze zur Winglet-Sehne und das Zurückschneiden des Übergangsbereichs, um das Winglet in die optimale Position zu bringen. Wenn der verjüngte Teil nach oben gekippt wurde, konnte auch die Höhe des Winglets reduziert werden. Schließlich setzten die Konstrukteure mehrere nicht ebene Abschnitte ein, die sich jeweils in einem größeren Winkel nach oben neigten, und verzichteten ganz auf die Winglets. ⓘ
Der Schempp-Hirth Discus-2 und der Schempp-Hirth Duo Discus verwenden nicht planare Flügelspitzen. ⓘ
Aktive Flügelspitzenvorrichtung
Die Tamarack Aerospace Group, ein 2010 von Nicholas Guida, einem Strukturingenieur für Luft- und Raumfahrt, gegründetes Unternehmen, hat ein Active Technology Load Alleviation System (ATLAS) patentiert, eine modifizierte Version einer Flügelspitzenvorrichtung. Das System nutzt die Tamarack Active Camber Surfaces (TACS), um die Wirkung der Flügelspitzenvorrichtung aerodynamisch auszuschalten", wenn das Flugzeug hohen Schwerkraftbelastungen ausgesetzt ist, wie z. B. großen Böen oder starken Aufwinden. TACS sind bewegliche Flächen, ähnlich wie Klappen oder Querruder, an der Hinterkante der Flügelverlängerung. Das System wird durch das elektrische System des Flugzeugs und ein Hochgeschwindigkeitsservo gesteuert, das aktiviert wird, wenn das Flugzeug ein bevorstehendes Belastungsereignis wahrnimmt, wodurch im Wesentlichen eine bewegliche Flügelspitze simuliert wird. Die Flügelspitze selbst ist jedoch feststehend und die TACS sind das einzige bewegliche Teil des Flügelspitzen-Systems. Tamarack hat ATLAS erstmals für die Cessna Citation-Familie eingeführt, und es wurde von der Federal Aviation Administration und der European Union Aviation Safety Agency für den Einsatz zugelassen. ⓘ
Betätigungsvorrichtung für die Flügelspitzen
Es gibt Forschungen über Vorrichtungen zur Betätigung der Flügelspitzen, einschließlich einer eingereichten Patentanmeldung, obwohl derzeit kein Flugzeug diese Funktion wie beschrieben nutzt. Die Flügelspitzen der XB-70 Valkyrie konnten sich während des Fluges nach unten neigen, um einen Mach-3-Flug mit Waveriding zu ermöglichen. ⓘ
Einsatz an rotierenden Flügeln
Flügelspitzenvorrichtungen werden auch an rotierenden Propeller-, Hubschrauber- und Windturbinenblättern eingesetzt, um den Luftwiderstand zu verringern, den Durchmesser zu reduzieren, den Lärm zu verringern und/oder die Effizienz zu verbessern. Durch die Verringerung der Wirbel an den Blattspitzen, die während des Rollens, des Starts und des Schwebens mit der Bodenoberfläche interagieren, können diese Vorrichtungen Schäden durch Schmutz und kleine Steine, die von den Wirbeln aufgenommen werden, verringern. ⓘ
AgustaWestland AW101 Merlin mit BERP-Rotor und markantem Blattspitzenprofil
C-130J Super Hercules mit Scimitar-Propellern mit abgeschrägten Spitzen
Detailansicht der Flügelspitzenvorrichtung an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage
Deckenventilator mit Flügelspitzenvorrichtungen ⓘ
Anwendungen für Drehflügler
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Die Hauptrotorblätter des AgustaWestland AW101 (früher EH101) haben eine ausgeprägte Spitzenform; Piloten haben festgestellt, dass dieses Rotordesign das Abwindfeld verändert und den Brownout reduziert, der die Sicht in staubigen Gebieten einschränkt und zu Unfällen führt. ⓘ
Propeller-Anwendungen
Hartzell Propeller entwickelte seinen "Q-tip"-Propeller, der in der Piper PA-42 Cheyenne und verschiedenen anderen Starrflüglern eingesetzt wird, indem die Blattspitzen in einem 90-Grad-Winkel zurückgebogen wurden, um den gleichen Schub aus einer Propellerscheibe mit geringerem Durchmesser zu erhalten; die verringerte Propellerspitzengeschwindigkeit reduziert laut Hersteller den Lärm. Moderne Scimitar-Propeller sind an den Blattspitzen stärker gekrümmt und ähneln damit einer abgeschrägten Spitze an einem Flugzeugflügel. ⓘ
Andere Anwendungen
Einige Deckenventilatoren sind mit Flügelspitzen ausgestattet. Der Ventilatorenhersteller Big Ass Fans behauptet, dass sein Isis-Ventilator, der mit Flügelspitzen ausgestattet ist, einen höheren Wirkungsgrad hat. Bei bestimmten Modellen mit hohem Volumen und niedriger Drehzahl kann es jedoch sein, dass die Flügelspitzen die Effizienz nicht verbessern. Eine andere Anwendung des gleichen Prinzips wurde beim Kiel der australischen Yacht Australia II, die 1982 den America's Cup gewann und von Ben Lexcen entworfen wurde, eingeführt. ⓘ
Geschichte
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Die Auftriebsverluste durch eine Umströmung der Tragflächenrandbögen waren schon seit langem bekannt, und auch Winglets sind keine moderne Erfindung. Die Grundidee wurde schon 1897 von Frederick W. Lanchester zum Patent angemeldet. Der in die USA ausgewanderte schottische Flugzeugingenieur William A. Somerville (1869-1950) ließ sich 1910 nach oben gebogene Flügelenden patentieren und realisierte seine Idee auch. In der Serie fanden Flügelohren erstmals gegen Ende des Zweiten Weltkriegs Verwendung (Heinkel He 162), wo sie entgegen der heute üblichen Bauweise nach unten abgeknickt waren. Die Firma Henschel projektierte 1945 den schwanzlosen Hochgeschwindigkeitsjäger Hs P.135 mit Deltaflügeln und nach oben gebogenen Flügelohren, die sich im Computermodell als tatsächlich effizient erwiesen. Die gebräuchliche Bezeichnung war damals „Henschelohren“ bzw. „Lippischohren“ (nach ihrem Designer Alexander Lippisch). ⓘ
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden an einigen STOL-Flugzeugen Versuche mit Flügelendscheiben unternommen, die meist nur aus einem Blech bestanden (z. B. PZL-101). Diese standen rundum einige Zentimeter über das Flügelendprofil hinaus und erschwerten so dessen Umströmung. Ähnliche Effekte erhoffte man sich auch von sogenannten Randkeulen wie beispielsweise an der Let L-13, die auch als Tragflächenspitzentanks verwendet wurden. ⓘ
Die Ölkrise zu Beginn der 1970er-Jahre bewog u. a. die NASA, sich dieser alten Patente wieder anzunehmen und sie zu verbessern. Wesentliche Erkenntnisse auf dem Gebiet verdankt die Wissenschaft insbesondere dem Aerodynamik-Chef bei Boeing, Louis Bernhard Gratzer (1920-2014); er beschäftigte sich eingehend mit der Form von Vogelflügeln (siehe auch Bionik) und machte durch zahlreiche Patente auf dem Gebiet der Flügelendengeometrie von sich reden. Das erste Flugzeug der Nachkriegsgeschichte, das standardmäßig mit Winglets ausgestattet war, war 1977 der Learjet 28. ⓘ
Im Passagierflugzeugbau wurden die Winglets von Airbus bei der A310-300 zunächst in Form kleiner Tragflächenendscheiben (sogenannter „Wingtip Fences“) eingeführt. Im Gegensatz zu diesen ursprünglichen Endscheiben an den Tragflächen weisen heutige Winglets häufig spezielle Profile auf, die die gewünschten Effekte deutlich verbessern. Den Anstoß zu dieser Formgebung gab der bekannte amerikanische Aerodynamiker Richard T. Whitcomb, der sich in seinen Forschungen intensiv damit befasste. Auf ihn geht auch die Wortbildung „winglet“ als Verkleinerungsform von engl. „wing“ (Flügel) zurück. ⓘ
Bei den Tragflächenspitzen der A380 wurde jedoch wiederum auf Wingtip Fences ähnlich denen der A310-300 zurückgegriffen, da neuere Winglet-Entwürfe die Spannweite auf ein für Verkehrsflughäfen nicht geeignetes Maß vergrößert hätten. ⓘ
Bezüge zur Bionik
Bestimmte moderne Winglets sind – geometrisch stark vereinfacht – den Flügelspitzen einzelner Vogelarten nachempfunden. Lange Schwungfedern, die fächerförmig und in der Höhe gestaffelt gespreizt werden, sorgen insbesondere bei Greifvögeln oder Störchen für bessere Langsamflugeigenschaften. Flügelenden, die auf diesem Prinzip basieren, nennt man Winggrids. ⓘ
Andere Anwendungsfälle
Es finden sich Winglets auch an Rotorblättern mancher Windkraftanlagen. ⓘ
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Unterschallmilitärflugzeuge können wie Passagierflugzeuge von Winglets profitieren, weshalb manche neuere Typen mit ihnen ab Werk ausgerüstet wurden. Überschallschnelle Flugzeuge wie Düsenjäger verwenden allerdings keine Winglets. ⓘ
Gleiche Bezeichnung
Für die ab Mitte der 2000er-Jahre auf den Seitenkästen angebrachten Zusatzflügel in der Formel 1 wird ebenfalls die Bezeichnung „Winglet“ verwendet. ⓘ
Ursprünglich hatte der Begriff Winglet im Englischen eine andere Bedeutung: er bezeichnete bei frühen Flugzeugen kleine tragflügelförmig geformte zusätzliche Auftriebshilfen, etwa als Verkleidung der Fahrwerkachse. ⓘ
Bei modernen Superbikes kommen umgedrehte Winglets zur Erhöhung der Anpresskraft am Vorderrad zum Einsatz um bei Geschwindigkeiten über 250 km/h ein Abheben des Vorderrads zu verhindern und mehr Lenkstabilität zu gewährleisten. Ein Vertreter dieser Klasse ist die BMW M 1000 RR. ⓘ