Nurflügel

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Der derzeit bekannteste Vertreter dieser Bauart – die Northrop B-2
Horten H III f
Die YB-35
Die YB-49

Nurflügel, auch Nurflügelflugzeug oder Nurflügler ist die Bezeichnung für Flugzeuge mit einer speziellen konstruktiven Auslegung, bei denen auf ein gesondertes abgesetztes Höhenleitwerk und auch auf vertikale Stabilisierungsflossen oder ein Seitenleitwerk verzichtet wird. Statt eines konventionellen Rumpfquerschnitts weisen Nurflügler häufig einen fließenden Übergang zwischen Rumpf und Tragflächen auf. Beim sogenannten „reinen Nurflügel“ befinden sich alle wichtigen Komponenten wie Antrieb, Treibstoff, Fracht und Besatzung innerhalb des Tragflügels.

„Reine“ Nurflügel stellen also eine Untergruppe der schwanzlosen Flugzeuge dar. „Schwanzlose“ unterscheiden sich von konventionellen Flugzeugen durch das Fehlen eines abgesetzten Höhenleitwerks, wobei ein abgesetzter Rumpf und ein konventionelles Seitenleitwerk durchaus vorhanden sein können. Deltaflügler sind häufig als „Schwanzlose“ ausgelegt.

Diskussion Schwanzlos vs. Nurflügel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Unterscheidung zwischen Schwanzlosen und Nurflügeln ist nicht scharf abgrenzbar; oft werden beide Bezeichnungen auch im deutschsprachigen Raum synonym eingesetzt.[1][2] International heißen sie „Fliegende Flügel“ (engl. „Flying Wing“ – franz. „Ailes Volantes“ -span. „Ala Volante“ etc.).

Eine klare Trennung scheint auch in nicht sinnvoll, da dann die Northrop XB-35 ein Nurflügel, ihre Weiterentwicklung YB-49 mit vertikalen Stabilisierungsflossen dagegen lediglich „schwanzlos“ gewesen wäre.

Selbiges gilt auch für die Verwendung von Winglets, die sowohl als Erweiterung der Flügelaerodynamik als auch als vertikale Stabilisierungsflächen betrachtet werden könnten.

Ähnliches gilt für die Abgrenzung des sogenannten Deltaflügels, da beispielsweise die Aerodynamik des ersten Deltaflügels „Delta I“ von Alexander Lippisch mit seiner relativ hohen Streckung eher der eines sogenannten Brettnurflügels entsprach als beispielsweise der einer Dassault Mirage oder Convair F-106 mit sehr geringer Streckung.

Nicht zuletzt erfordert der „reine Nurflügel“ eine gewisse Größe, damit wenigstens der Pilot im Flügel untergebracht werden kann. Insofern wären sogar die meisten Horten-Konstruktionen keine reinen Nurflügel gewesen.

Ursprung und Pioniere[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten technischen Umsetzungen des Nurflügelgedankens gehen auf eine 1897 erschienene Veröffentlichung von Friedrich Ahlborn zurück, in der die stabilen Flugeigenschaften der Samen der Kletterpflanze Zanonia macrocarpa beschrieben werden. Der Österreicher Ignaz „Igo“ Etrich entwickelte im Jahre 1903 den ersten Nurflügel nach dem Vorbild dieses Flugsamens, bekam 1905 ein Patent darauf, und flog 1906 erstmals einen bemannten Gleiter mit dieser Tragflächenform.

1910 wurde ein Nurflügelpatent von Hugo Junkers angemeldet. Diese Patentschrift beinhaltet die Unterbringung von Motoren, Nutzlast und Treibstoff innerhalb der Tragfläche, beschreibt aber nicht den Verzicht auf ein separates Höhenleitwerk, was gemeinhin als Merkmal für alle schwanzlosen Flugzeuge gilt. Die Umsetzung der Junkers-Patentschrift erfolgte mit der Junkers G 38, die ein konventionelles Kastenleitwerk hatte.

Vor dem Ersten Weltkrieg flogen Nurflügel von René Arnoux (fliegendes Brett) und John William Dunne (Pfeilflügel-Dunnetyp) teilweise schon recht erfolgreich. Beim Rhönwettbewerb 1921 war es das Nurflügel-Segelflugzeug Weltensegler, das wahrscheinlich bei seinem einzigen Flug den ersten über einen reinen Gleitflug hinausgehenden Segelflug unternommen hat.

Weitergeführt wurde die Nurflügel-Idee in der Folgezeit in Deutschland von Alexander Lippisch, den Gebrüdern Horten, in den USA von Jack Northrop,[3] in der Sowjetunion von Boris Iwanowitsch Tscheranowski, in Frankreich von Charles Fauvel und in Großbritannien von Geoffrey T.R. Hill, der Handley Page Aircraft Company und Alliott Verdon Roe.[4] Während des Zweiten Weltkriegs erfuhr die Entwicklung schwanzloser Typen in Deutschland und in den USA eine deutliche Weiterentwicklung, was zum Beispiel zur Me 163 und der Northrop N-9M führte.

Direkt nach dem Kriegsende griffen die Siegermächte diese Konzepte auf und es entstanden so die de Havilland D.H.108 Swallow, die Northrop X-4, die Chance Vought F7U Cutlass. Auch die Northrop YB-35 sowie deren Weiterentwicklung Northrop YB-49 flogen erst nach dem Kriegsende. Bei Armstrong Whitworth entstand das Versuchsflugzeug A.W.52. Dennoch wurde der reine Nurflügel bis zur Einführung der Northrop B-2 niemals wirklich serienreif.

Nach dem Zweiten Weltkrieg gab es auch zwei Hersteller von Nurflügel-Segelflugzeugen in Brett-Auslegung, namentlich die Firma Survol von Charles Fauvel und die als Baukasten gelieferten Segler der „Pioneer-Serie“ des US-Amerikaners Jim Marske (Marske Aircraft bzw. heute (2017) Kollman Composites). Allerdings konnte sich das Nurflügelkonzept nur bei den gewichtsgesteuerten Hängegleitern restlos durchsetzen.

Konstruktive Ausführungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Man unterscheidet drei Konstruktionsansätze:

Rückwärts gepfeilte Nurflügel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • „reine“ Nurflügel ohne vertikale Stabilisierungsflächen und einer mehr oder weniger starken Pfeilung

Nurflügel nach den Gebrüdern Horten haben keine senkrechten Flächen und erzeugen die Stabilität um Hoch- und Querachse durch eine glockenförmige Verteilung der Auftriebskraft und einer starken Pfeilung. Die Glockenauftriebsverteilung soll dabei zur Kompensierung des negativen Wendemomentes dienen. In der Literatur wird jedoch die Ansicht, dass nur durch die Glocken-Auftriebsverteilung günstige Flugeigenschaften bei schwanzlosen Flugzeugen erzielt werden können, als ein Mythos eingeschätzt.[5] Zum einen waren alle Horten-Nurflügel trotzdem mit einem negativen Wendemoment behaftet und darüber hinaus hat die Glockenverteilung den großen Nachteil, dass sie einen beträchtlichen zusätzlichen induzierten Widerstand verursacht.[6]

Nurflügel nach dem Konzept von Northrop haben keine glockenförmige, sondern eine möglichst elliptische Auftriebsverteilung und arbeiten mit einseitig widerstandserhöhenden Spreizklappen an den Flügelenden.

  • Gepfeilte Nurflügel mit elliptischer Auftriebsverteilung und zusätzlichen vertikalen Stabilisierungsflächen oder Winglets an den Flügelspitzen (z. B. Armstrong Whitworth A.W.52 oder Akaflieg Braunschweig SB 13)
  • Erzeugung von vertikaler Stabilisierungsfläche durch räumliche Geometrie wie zum Beispiel nach unten abgewinkelte Flügelspitzen (z. B. Dunne D5, Weltensegler, DFS 39, DFS 40 oder Boeing Bird of Prey). Bei dieser Variante des gepfeilten Nurflügels wirken die Querruder-Ausschläge der an den nach unten hängenden Flügelspitzen angebrachten Elevons zusätzlich wie ein sinnrichtiger Seitenruderausschlag. Im deutschsprachigen Raum hat sich für dieses Konzept die Bezeichnung „Weltensegler-Knick“ oder in jüngerer Zeit „M-V-Konzept“ eingebürgert.

Ungepfeilte oder minimal vorwärts gepfeilte Nurflügel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Brett-Nurflügel erzeugt seine Längsstabilität durch besondere, stabilfliegende Flügelprofile (S-Schlag-Profil), die bei der Auftriebserzeugung ein (positives) Drehmoment um die Querachse erzeugen, welches dem durch die Schwerpunktvorlage und das (negative) Profilmoment der Normalprofile erzeugten Abnicken der Flugzeugnase entgegenwirkt, was bei konventionellen Flugzeugen durch das Höhenleitwerk kompensiert werden muss. Die Stabilität um die Gierachse wird normalerweise durch ein Seitenleitwerk an einem mehr oder weniger rudimentärem Rumpf oder an den Flügelhinterkanten gewährleistet (z. B. Fauvel AV.22 oder AV.36). Die Stabilität um die Längsachse kann dagegen genau wie beim Normalflugzeug durch eine V-Form erreicht werden. Als bisherige Höhepunkte dieser Konzeption werden die Leichtflugzeuge „Facet Opal“ von Winton Scott, die Noin „Choucas“ und die letzte Entwicklung „PioneerI IV“ von Jim Marske betrachtet.

Vorwärts gepfeilte Nurflügel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieses Konzept wurde bisher nur sehr selten genutzt, da es eine Vielzahl von zusätzlichen Problemen (der vorwärts gepfeilte Flügel ist instabil um die Hochachse) in sich birgt und in jedem Fall ein übergroßes Seitenleitwerk erfordert (z. B. Cornelius XFG-1). Zudem muss der Flügel extrem torsionssteif ausgelegt werden, um eine stabile Fluglage zu gewährleisten. Aeroelastische Verformungen an den Flügelspitzen sind speziell beim vorwärts gepfeilten Nurflügel inakzeptabel.

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Vergleich zu konventionellen Flugzeugen – bei denen lediglich die Tragflächen und nicht der gesamte Flugzeugkorpus für den Auftrieb sorgen – zeichnen sich Nurflügler durch ihre formspezifischen maximierten Auftriebseigenschaften aus. Aufgrund dessen wird die Leistung der Triebwerke wirtschaftlicher ausgenutzt.[7] Da im Gegensatz zu klassischen Flugzeugen die der Schwerkraft unterworfene Nutzlast nicht von den auftriebserzeugenden Flügeln getrennt ist, entstehen geringere Strukturkräfte. Somit kann das Flugzeug leichter konstruiert werden. Die für den Bau von Nurflügeln erforderlichen drunkpunktfesten oder eigenstabilen Flügelprofile entsprechen in etwa den Profilen, die für den Schnellflug im Unterschallbereich optimiert sind und sind diesen etwa in dem Bereich zwischen bestem Gleiten und Schnellflug zumindest ebenbürtig.

Bei Militärflugzeugen ist zudem das geringere Radarprofil ausschlaggebend.

Bei einem stabil ausgelegten Nurflügel, egal ob in rückwärts gepfeilter oder ungepfeilter Ausführung ergibt sich – wenn Elevons verwendet werden – ein weiterer Vorteil:

Beim Einleiten einer Kurve ist (wie beim Normalflugzeug auch) zunächst ein Querruderausschlag nötig, um die gewünschte Schräglage einzunehmen. Dann muss das für den Kurvenflug erforderliche Mehr an Auftrieb durch einen Höhenruderausschlag erzeugt werden. Zusätzlich müssen das negative Wendemoment und der erhöhte Widerstand des (schnellerer) kurvenäußeren Flügels durch einen angemessenen Seitenruderausschlag kompensiert werden.

Bei richtig ausgelegten Elevons ergibt sich nun der Umstand, dass idealerweise das kurvenäußere Ruder in Nullstellung verbleibt, wohingegen das kurveninnere Ruder sehr stark nach oben ausschlägt um die gewünschte Momente um die Längs und Querachse zu erzeugen. Dies entspricht einem sehr stark differenzierten Querruderausschlag bei einem Normalflugzeug – ein Kunstgriff, der normalerweise als konstruktive Gegenmaßnahme gegen das negative Wendemoment angewandt wird. Verstärkt werden kann dieser Effekt noch, wenn die Elevons unterteilt werden und die Ausschläge unterschiedlich überlagert werden. Somit kann auf einen Seitenruderausschlag u.U. ganz verzichtet werden. Zudem ergibt sich für den kurveninneren Flügel noch der Vorteil von der Auftriebserzeugung weitgehend entlastet zu sein (Klappenschränkung). Dies wiederum macht ein Überziehen im Kurvenflug nahezu unmöglich. Ähnlich verhält es sich auch im Geradeausflug, wo dann für den Langsamflug beide Elevons nach oben ausgeschlagen sind. Vertikale Flächen dienen somit eher der Gierdämpfung als der Stabilisierung um die Hochachse.

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Nachteile eines Nurflügels liegen in der geringeren Auftriebsleistung im Langsamflug, bedingt durch die an der Flügelhinterkante angebrachten Höhenruder, die das Profil bei zunehmendem Anstellwinkel zusehends „entwölben“. Aus diesem Grund ist auch der Einsatz herkömmlicher Hochauftriebshilfen (z. B. Wölbklappen, Fowlerklappen) beim Pfeil-Nurflügel nur sehr bedingt möglich. Eine momentfreie Wölbklappe, die sich immerhin über ca. 60 % der Halbspannweite erstreckte, wurde allerdings 1989 bei dem Ultraleicht-Segler „Flair 30“ von Günther Rochelt erstmals erfolgreich verwirklicht. Bei Brett-Nurflügeln sind auftriebserhöhende Klappen wegen ihrer Höhenruderwirkung sogar völlig unmöglich. Zudem ist eine optimale elliptische Auftriebsverteilung praktisch nur für eine Fluggeschwindigkeit möglich, es sei denn es werden Elevons bzw. Höhenruderklappen entlang der gesamten Flügelhinterkante verwende oder es wird mit Schwepunktverschiebung gearbeitet.

Des Weiteren ist die Flugstabilität bei der Konstruktion von schwanzlosen Fluggeräten ein weitaus schwieriger zu lösendes Problem als bei konventionellen Entwürfen. Die notwendige aerodynamische Stabilisierung um die Querachse kann nicht durch das am langen Hebelarm liegende Höhenleitwerk erreicht werden, sondern muss hier durch den Flügel selbst erbracht werden. Dies erfordert entweder eine spezielle Flügelgeometrie, oder eine gezielte Schränkung, und/oder eine momentenfreie Profilierung, die unter Umständen in weiten Teilen des Geschwindigkeitsbereiches einen höheren Luftwiderstand des Flügels hervorruft. Andererseits wird durch den fehlenden Rumpf der Luftwiderstand geringer, sodass für bestimmte Anforderungen (z. B. Reiseflug bei hoher Unterschallgeschwindigkeit mit geringem Auftriebsbeiwert) ein Nurflügel-Flugzeug auch aerodynamisch deutlich günstiger sein kann.

Oft befindet sich bei reinen Nurflüglern der Schwerpunkt teilweise nur knapp vor dem Neutralpunkt, um die Verluste durch Höhenruderausschläge so gering wie möglich zu halten. Somit besteht die Gefahr, dass sich der Nurflügler, beispielsweise bei einem Strömungsabriss, nicht etwa durch ein von der Eigengewichtsverteilung verursachtes Abkippen der Rumpfnase selbst stabilisiert, sondern sich „aufschaukelt“ und unbeherrschbar wird. Verstärkt werden kann dieser Effekt noch, wenn der Pilot versucht dem Überziehen entgegenzuwirken. Wird der Nurflügel durch außenliegende Elevons gesteuert ergibt sich nämlich durch das Nachdrücken eine plötzlich erhöhte Auftriebsbelastung am Außenflügel, welche den Strömungsabriss sogar noch begünstigt. Andererseits wird richtig ausgelegten Schwanzlosen bei sicherer Schwerpunktlage eine sehr gutmütiges Überziehverhalten attestiert (z. B. Me 163 oder Horten H III). Dies ist auch einer der Gründe, warum Nurflügelkonstruktionen bei Modellfliegern sehr beliebt sind. Die Nurflügelproblematik liegt genau genommen nicht in der mangelhaften Flugstabilität, sondern in der geringen Dämpfung um Hoch und Querachse, die normalerweise durch ein an einem langes Hebelarm befindliches Heckleitwerk entsteht.

Für einen Nurflügler, der in großer Höhe fliegen soll, ergibt sich zusätzlich das Problem der Druckbelüftung der Flugzeugkabine. Bei konventionellen Flugzeugen mit annähernd kreisförmigem Querschnitt wird die Struktur fast gleichmäßig belastet. Die Flugzeugkabine eines Nurflüglers weicht jedoch stark von der idealen Form des Kreises ab (sie gleicht einer langgestreckten Ellipse oder einem Rechteck). Die dadurch bedingte höhere Strukturbelastung muss durch zusätzliches Material versteift und somit einem höheren Gewicht ausgeglichen werden.

Bei gepfeilten Nurflüglern tritt ein Problem auf, das die Gebrüder HortenMitteneffekt“ (heute besser als Pfeilungseffekt bezeichnet) nannten. Durch das Abfließen der Strömung in Spannweitenrichtung bei einem rückwärts gepfeiltem Flügel erbringt der Mittelflügel nicht den Auftriebsbeiwert wie der Rest der Tragfläche. Nachdem die Gebrüder Horten dies erkannt hatten, kompensierten sie dies durch einen deutlich vertieften Mittelflügel bei gleichzeitiger Entpfeilung der sog. t/4-Linie, was zu dem charakteristischen „Hortenschwänzchen“ führte, wie es z. B bei der H IV oder noch ausgeprägter bei der Ho 229 zu erkennen ist. Positiver Nebeneffekt dieser Auslegung war ein deutlich vergrößertes nutzbares Volumen des Mittelflügels, was aus aerodynamischer Sicht die einzige Ähnlichkeit zum B-2-Bomber darstellt.

Militärisch genutzte Nurflügel wie die B2 verzichten vollständig auf vertikale Leitflächen wie Seitenleitwerke oder Winglets, um so durch das Vermeiden rechter Winkel Radarreflexionen zu minimieren. Die Stabilisierung dieser Flugzeuge erfolgt dann neben der, durch die Flügelpfeilung ohnehin schon vorhandenen Stabilität um die Hochachse, durch einseitig an den Flügelspitzen den Widerstand erhöhende Klappensysteme (horizontale Spreizklappen oder Spoiler) sowie eine digitale Flugsteuerung aus einer Vielzahl von Klappen entlang der gesamten Flügelhinterkante sowie einer großen Anzahl von Fluglagesensoren. Die Maschine ist aber aerodynamisch instabil ausgelegt, das heißt bei Computer-oder Sensorausfall flugunfähig. Der Absturz der B2 „Spielt of Kansas“ ist auf einen Sensorausfall zurückzuführen.

Verbreitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Starrer Hängegleiter
Ein moderner Nurflügler aus dem Flugmodellbau mit rückgepfeilten Tragflächen und Winglets an den Enden der Tragflächen für die Stabilität um die Gierachse

Im Vergleich zu konventionellen Flugzeugen mit Leitwerk gibt es von den reinen Nurflügeln nur wenige Baumuster:

Boeing plant nach den Erfahrungen der B-2 Spirit mit dem Projekt Blended Wing Body derzeit eine zivile Nutzung des Nurflügel-Systems für die Passagierluftfahrt. Ein verkleinerter Prototyp, die Boeing X-48, wurde bereits erfolgreich getestet. Das DLR erforscht in Zusammenarbeit mit Airbus die Realisierung eines Very Efficient Large Aircraft. Militärischen Einsatz findet der Konstruktionstyp des Nurflüglers derzeit bei Flugzeugen, die besonders auf ein geringes Radarecho hin konstruiert sind. Nurflügel findet man häufig im Flugmodellbau sowie bei fußstartfähigen Luftsportgeräten (flexible und starre Hängegleiter sowie Gleitflugzeuge).

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Rudolf Storck u. a.: Flying Wings. Die historische Entwicklung der Schwanzlosen- und Nurflügelflugzeuge der Welt. Bernard und Graefe, Bonn 2003, ISBN 3-7637-6242-6, Umfangreiche Typendokumentation mit Zeichnungen und Fotos.
  • Karl Nickel, Michael Wohlfahrt: Schwanzlose Flugzeuge. Ihre Auslegung und ihre Eigenschaften. Birkhäuser Verlag, Basel u. a. 1990, ISBN 3-7643-2502-X (Flugtechnische Reihe 3). Umfangreiches Lehrbuch, in dem alle Nurflügeltypen behandelt werden.
  • Reimar Horten, Peter F. Selinger: Nurflügel, Die Geschichte der Horten-Flugzeuge 1933–1960. 5. unveränderte Auflage. H. Weishaupt Verlag, Graz 1993, ISBN 3-900310-09-2. – Geschichte ihrer Entwicklung, reich bebildert, zahlreiche Typenskizzen.
  • Diplomarbeit zum Thema (PDF; 7,6 MB).
  • Robert Schweißgut: Wing-Tips. Selbstverlag Robert Schweißgut, Weissenbach/Tirol 2004. – Hier werden zahlreiche Nurflügelmodelle (Horten-, Pfeil- und Brettkonzepte) vorgestellt.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Nurflügel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Nurflügel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. K. Nickel, M. Wohlfahrt: Schwanzlose Flugzeuge. S. 1, 4, 6.
  2. Rudolf Storck: Flying Wings. S. 14.
  3. Storck: Flying Wings. S. 372.
  4. Egbert Torenbeek: From Tube and Wing to Flying Wing. S. 121–155 in: ebender: Advanced aircraft design – conceptual design, technology and optimization of subsonic civil airplanes. Wiley, Chichester 2013, ISBN 978-1-118-56811-8.
  5. K. Nickel, M. Wohlfahrt: Schwanzlose Flugzeuge. S. 553.
  6. K. Nickel, M. Wohlfahrt: Schwanzlose Flugzeuge. S. 554.
  7. Anatol Johansen: X-48 B: Boeing macht Hitlers Traum vom Nurflügler wahr. Welt Online, 15. Oktober 2010, abgerufen am 6. Mai 2017.