Winglet

Blended Winglet an einer Boeing 737-800

Winglets an einem Airbus A 380

Winglets bzw. Sharklets (Bezeichnungen für zwei spezielle Winglettypen bei Airbus) sind meistens nach oben und seltener nach oben und unten verlängerte Außenflügel an den Enden der Tragflächen von Luftfahrzeugen. Sie verringern den induzierten Widerstand. Winglets an den Flügelenden verbessern Gleitwinkel und Steigzahl bei niedriger Geschwindigkeit und erhöhen die Seitenstabilität.

Funktion

Drei C-17-Transporter mit Winglets

Winglets erhöhen die Streckung einer Tragfläche, ohne die Spannweite zu vergrößern. Dies bringt

• weniger induzierten Widerstand bei hohen Auftriebswerten, hohen Anstellwinkeln (niedrigen Geschwindigkeiten)
• bessere Stabilität um die Hochachse (Gierachse), weil Winglets immer hinter dem Flugzeugschwerpunkt sitzen und damit eine Seitenruderwirkung haben.
• höhere Wendigkeit wegen leicht geringerem Trägheitsmoment um die Längsachse (Rollachse).

ohne durch Spannweiten-Vergrößerung Einschränkungen bei der Handhabung am Boden und größere Biegemomente an der Tragflächenwurzel in Kauf nehmen zu müssen.

Nachteilig wirkt sich aus

• der erhöhte Widerstand bei hohen Geschwindigkeiten.

Bei der Auftriebserzeugung durch Tragflächen endlicher Streckung bilden sich durch den Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite Wirbel, aus denen im Flügelaußenbereich Wirbelschleppen entstehen. Die Luft strömt von der Unterseite der Tragflächen, wo Überdruck vorliegt, um die Tragflächenenden herum nach oben, wo Unterdruck herrscht. Die Wirbel sind bei positiver Tragflächenpfeilung an der Flügelspitze am stärksten und rollen sich (je nach Flugzustand) zu einem Randwirbel auf. Die Wirbel induzieren am Ort des Flügels eine abwärts gerichtete Kraft, wodurch ein induzierter Luftwiderstand entsteht. Winglets reduzieren nun den Einfluss dieser Wirbel, indem sie den Randwirbel zerteilen (ein Teil geht am Flügel-Winglet-Übergang ab, ein Teil an der Wingletspitze) und durch ihre Profilgebung nach außen ablenken. Die Gesamtstärke der Wirbel bleibt dabei gleich, da sie direkt mit der Erzeugung vom Auftrieb verbunden ist. Die gewünschte Reduzierung des Luftwiderstands rührt am Ende daher, dass die Tragfläche besser ausgenutzt wird und effizienter arbeiten kann. Ein mit Winglets ausgerüstetes Flugzeug kann (im Vergleich zu einem mit identischer Tragfläche ohne Winglet) bei gegebenem Gewicht und Geschwindigkeit mit einem geringeren Anstellwinkel operieren, weil die Tragflächenenden mehr Auftrieb erzeugen, so wird der induzierte Widerstand verringert.

Winglets müssen für jeden Flugzeugtyp unter Berücksichtigung der Flügelfläche und der voraussichtlichen Fluggeschwindigkeiten angepasst werden. Zum Beispiel entwickelt die zusätzlich umströmte Fläche bei hohen Geschwindigkeiten mehr zusätzlichen Reibungs- und Druckwiderstand, als sie an induziertem Luftwiderstand einspart.

Winglets führen zu einem gewissen Anstieg der Flugzeug-Leermasse. Wenn man ein Flugzeug mit Winglets nachrüsten will, entstehen Kosten für die Installation. Früher lohnte sich ein Anbau nicht immer; angesichts des hohen Ölpreises ist der Break-even-Point heute relativ schnell erreicht.

Nach Angaben von Boeing kann durch den Einsatz von Winglets der Kraftstoffverbrauch um drei bis fünf Prozent gesenkt werden.

Die bislang größten Winglets finden sich mit 3,45 Metern Höhe bei der Boeing 767-300ER. Die Wingtip Fences des Airbus A380-800 haben eine Höhe von 2,30 Meter.

Die Beschädigung, der Verlust oder die Demontage eines Winglets kann prinzipiell über eine veränderte Trimmung kompensiert werden.

Winglets vs. Vergrößerung der Spannweite

Anders als oft angenommen, bringen die Winglets keine aerodynamischen Vorteile verglichen mit einer gleich großen Erweiterung der Spannweite. Würde man die Winglets nach außen klappen, so hätte das Flugzeug einen besseren Gleitwinkel und geringeren Treibstoffverbrauch.

Eine Vergrößerung der Spannweite bringt jedoch folgende Nachteile:

• Größeren Platzbedarf am Boden
• Stärkere Biegemomente an der Tragfläche (das Biegemoment wird schon durch die Winglets erhöht, aber nicht so stark wie bei einer gleichen Erweiterung der Spannweite)
• Schlechtere Wendigkeit wegen höheren Massemomenten gegenüber Winglets um die Längs- und Hochachse

Winglets werden häufiger bei Flugzeugen eingebaut oder nachgerüstet, die die maximale Spannweite einer bestimmten Klasse schon erreicht haben, wie z.B. Segelflugzeuge mit 15 m oder 18 m Spannweite sowie Fracht- und Passagierflugzeuge mit Spannweite von

• 80 m (A380-800)
• 65 m (A350, B747-400, A340)
• 36 m (A320 neo, B737 NG)

Geschichte

„Natürliche Winglets“ beim Kondor (gefächert) für den Langsamflug

1979 erprobte die NASA Winglets an einer KC-135A

Obgleich von stark vereinfachter Geometrie, sind Winglets den Flügelspitzen bestimmter Vogelarten nachempfunden. Lange Schwungfedern, die fächerförmig und in der Höhe gestaffelt gespreizt werden, sorgen insbesondere bei Greifvögeln für bessere Langsamflugeigenschaften. Louis B. Gratzer nannte diese nach oben gebogenen Enden dann Winglets. Er war Aerodynamik-Chef bei Boeing, untersuchte die Aerodynamik der Flügel bei Vögeln und bemerkte die Ähnlichkeiten (siehe auch Bionik).

Winglets sind keine moderne Erfindung. Die Grundidee der Winglets wurde sogar schon 1897 von Frederick W. Lanchester zum Patent angemeldet; es gab vor dem Zweiten Weltkrieg Fluggeräte mit wingletartigen Flügelendstücken. Im Zweiten Weltkrieg fanden sie erstmals unter der Bezeichnung „Henschelohren“ in der Serie Verwendung (Heinkel He 162), wo sie entgegen der heute üblichen Bauweise nach unten abgeknickt waren.

Die Ölkrise zu Beginn der 1970er Jahre bewog die NASA, sich dieser alten Patente wieder anzunehmen und sie zu verbessern.

Im Passagierflugzeugbau eingeführt wurden die Winglets von Airbus bei der A310-300 in Form kleiner Flügelendscheiben (so genannter „Wingtip Fences“). Im Gegensatz zu diesen ursprünglichen Endscheiben an den Flügeln besitzen heutige Winglets häufig spezielle Profile, was gewünschte Effekte deutlich verbessern kann. Bei den Flügelspitzen 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.

Um 1980 begannen einige Hersteller von Hängegleitern, diese mit Winglets auszustatten. Ein Hersteller testete sogar „Wings mit aufgefiederten Schwingen“.

Ausführungen

Tragfläche einer Boeing 747-400 der SAA mit „klassischem“ (eckigem) Winglet

Überflug einer 747-8F mit Raked Wingtips

Es gibt verschiedene Winglet-Ausführungen und -Konstruktionen, die im Folgenden in einer Übersicht mit Beispielen dargestellt werden.

• Klassische Winglets (eckig, gerade oder schräg nach oben ausgerichtet). Beispiele:
  • Airbus A330/A340, Boeing 727-200 (nachrüstbar) und Boeing 747-400, Bombardier Canadair Regional Jet, Embraer E-Jets, Iljuschin Il-96 sowie Tupolew Tu-204/Tu-214 und Tu-334

• Blended Winglets (mit fließendem Übergang vom Flügel zum Winglet). Beispiele:
  • Boeing 737NG (nicht verfügbar für 737-600, außer bei der 737-900ER nicht serienmäßig), BBJ. Mittlerweile nachrüstbar bei Boeing 757, Boeing 737-300, Boeing 737-500 und 767. Airbus nennt seit Ende 2009 seine neu entwickelten Winglets für die A320-Familie Sharklets wegen der an Haiflossen erinnernden Form. Mit den 2,4 m hohen und zusammen 200 kg wiegenden Flügelenden ist nach Herstellerangabe eine Kraftstoffersparnis von mindestens 3,5 % möglich.

• Wingtip Fences (etwas kleinere Winglets, senkrecht oder schräg nach oben und unten ausgerichtet). Beispiele:
  • Airbus A300-600R, A310-300, A320-Familie, A380; Airbus führt diese Wingtip Fences in etwa symmetrisch aus, d. h., sie sind zu gleichen Teilen nach oben und nach unten ausgerichtet. Für die A320-Familie wurden im Jahr 2006 auch normale und blended Winglets im Flugversuch erprobt, jedoch wegen eines im Verhältnis zum zusätzlichen Gewicht der Winglets zu geringen Effizienzgewinns nicht in die Serienproduktion übernommen.

• Raked Wingtips (nach oben und nach hinten gebogene Flügelspitzen). Beispiele:
  • Boeing 767-400, 777-200LR, 777-300ER, 747-8, 787-8, 787-9 und P8-A

• Spiroids (schlaufenförmige Tragflächenenden). Bisher wurde diese Winglet-Form auf einigen Versuchsträgern untersucht. Spiroids sollen eine Kraftstoffeinsparung bewirken können.

• Mischformen
  • Airbus A350; dieser Typ hat eine Mischform aus blended Winglets und raked Wingtips, d. h. speziell geformte, hochgestellte Flügelspitzen, die jedoch gegenüber dem Rest des Flügels nicht so stark angewinkelt sind wie andere Winglet-Formen
  • McDonnell Douglas MD-11; dieser Typ verfügt über ein großes, nach schräg-oben ausgerichtetes Winglet, das durch ein kleines, nach schräg-unten ausgerichtetes Winglet ergänzt wird
  • Boeing 737; für die Versionen -800 und -900ER der Boeing 737 bietet Boeing seit 2014 in Zusammenarbeit mit Aviation Partners eine weitere Mischform mit dem Namen Split Scimitar Winglets an. Diese besteht zum einen aus einem herkömmlichen, nach oben geklappten blended Winglet und zum anderen steht ein zusätzlicher kleinerer Winglet schräg nach hinten/unten heraus, was, am Beispiel einer Boeing 737-800, zu einer weiteren Treibstoffersparnis von 1,6-2,2 % führt. Im Jahr 2014 betrugen die Kosten für die Aufrüstung 550.000 US-Dollar. Eine Weiterentwicklung dieser Variante wird unter dem Namen Advanced Winglet auch bei der Boeing 737MAX Verwendung finden.

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  Die Stellung der Winglets der MD-11 ist in diesem Modell sichtbar
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  Winglets an einer MD-11
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  Der obere Teil eines MD-11-Winglets
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  Wingtip Fence eines Airbus A319
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  Sharklet an der Tragfläche eines Airbus A320
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  Wingtip Fence an der Tragfläche eines A320
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  Schräggestelltes Winglet eines Airbus A350-900
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  Split Scimitar Winglet an einer Boeing 737-800

Andere Anwendungen

Winglet am Rotorflügel einer Windkraftanlage

Es finden sich Winglets auch an Rotorflügeln mancher Windkraftanlagen.

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.

Für die ab Mitte der 2000er Jahre auf den Seitenkästen angebrachten Zusatzflügel in der Formel 1 wird ebenfalls die Bezeichnung Winglet verwendet.

Literatur

• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Aerodynamik des Flugzeugs 1 (Klassiker der Technik). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67374-1. 
• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Aerodynamik des Flugzeugs 2 (Klassiker der Technik). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67375-X. 

Weblinks

Commons: Winglets – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• b737.org.uk Skizze des Luftstroms mit und ohne Winglets
• mandhsoaring.com (PDF) sehr detaillierte Erklärung (englisch; 136 KB)
• Verminderung des induzierten Strömungswiderstandes nach dem Vorbild der Natur
• Active Winglets as Multi-Axis Effectors Why a Morphing Aircraft and What is it? University of Bristol.
• EU-Forschungsprojekt (2002–2006): „Modelling and Design of Advanced Wing tip devices“ (M-DAW)