Pfeilung_Vorderkante-Hinterkante.png

Pfeilung beschreibt in Grad die Abweichung eines Tragflügels von der Lotrechten der Flugzeugachse in der Draufsicht. Man unterscheidet die Vorderkantenpfeilung, die Hinterkantenpfeilung und die Pfeilung bei lambda/4 (25% der Flügeltiefe). Die Idee zur Tragflächenpfeilung ging 1935 von Adolf Busemann aus.

Die Flügelpfeilung muss an einem Flügel nicht konstant verlaufen. Entweder sind die einzelnen Flügelabschnitte unterschiedlich gepfeilt oder der Tragflügel kann geschwenkt werden (Schwenkflügler). Zentraler Punkt bei der Pfeilung von Tragflächen ist die zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit des Flugzeugs. Hier muss ein Kompromiss zwischen einem hohen Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten für den Start (geringe Pfeilung) gegenüber dem niedrigem Strömungswiderstand und geringen Verwirbelungen bei Reisegeschwindigkeit (starke Pfeilung) gefunden werden, mit dem Ziel, eine laminare Luftströmung über alle Steuerflächen in allen zu erwartenden Fluglagen zu erreichen. Zeichnet man den Luftdruck und die jeweils dazugehörenden Geschwindigkeiten in ein Koordinatensystem, so ergibt sich innerhalb der Linien ein gedachter Bereich, in dem das Flugzeug sicher eingesetzt werden kann. Diese Hüllkurve, als Flugenveloppe bezeichnet, ist für jedes Flugzeugmodell unterschiedlich und hängt neben vielen anderen Faktoren zu einem entscheidenden Maße von der Tragflügelgeometrie und damit der Pfeilung ab.

Dementsprechend werden Flugzeuge, deren Einsatzgebiete in geringerer Höhe und bei eher langsamen Geschwindigkeiten liegen, ohne Pfeilung ausgestattet. Verkehrsflugzeuge, die nur in großen Höhen sehr schnell (d.h. transonisch) fliegen, aber nahe Meereshöhe eher im mittleren Geschwindigkeitsbereich liegen, erhalten eine mittlere Pfeilung. Die Concorde, die nur in großen Höhen sehr schnell (d.h. Mach 2) fliegt, besitzt eine starke Pfeilung. Abfangjäger, die in niedrigen Höhen extreme Geschwindigkeiten erreichen müssen, benötigen daher die größte Pfeilung, können dann aber bestimmte Geschwindigkeiten nicht mehr gefahrlos unterschreiten, weshalb sie sehr lange Start- und Landebahnen oder Start- und Bremshilfen (z. B. Startkatapulte, Bremsfallschirme) brauchen. Schwenkflügler mit ihrer variablen Pfeilung können in wesentlich größeren Flugbereich operieren, auf kürzeren Rollfeldern starten und sind in großen Höhen bei Reisegeschwindigkeit treibstoffsparender, ihre Reichweite ist also höher.

Wichtig für die optimale Pfeilung ist die zu erzielende Fluggeschwindigkeit, eine Messgröße, die gleichzeitig von der Dichte der umgebenden Luftschichten und von deren relativer Geschwindigkeit abhängt.

Pfeilung sorgt für ein kontrolliertes Abfließen der an der Angriffsfläche der Flügel gestauten Luft. Je stärker die Fläche von der Senkrechten geneigt ist, desto schneller laufen die Luftmassen ab. Das verringert gleichzeitig Auftrieb und Luftwiderstand und verhindert zu starkes Ansteigen des Luftdrucks an der Flügelvorderkante, der sich anderenfalls sehr schnell auf- und abbaut, was regelmäßig (60 bis 100 mal pro Minute) zu Verdichtungsstößen am Flugzeug führen würde, was sich wiederum in starken Vibrationen (sogenanntes Buffeting) äußert. Einerseits wäre damit die laminare Strömung zu oft unterbrochen und andererseits würden Konstruktion und Pilot stark belastet.

Weitere Einzelheiten finden sich im Artikel Tragfläche.

Negative Pfeilung der Tragflächen

Die Pfeilung ist in der Regel positiv (beide Kanten der Tragflächen sind nach hinten gezogen), es gibt jedoch seit Anbeginn des praktischen Einsatzes der Pfeilung Konstruktionen mit negativer Pfeilung. Wie im Bild gezeigt läuft der Luftstrom bei dieser Flügelgeometrie zum Rumpf hin anstatt vom Rumpf weg, wie bei herkömmlichen Konstruktionen. Dadurch kann der Luftstrom an Flügelspitzen und dahinterliegenden Steuerflächen wesentlich langsamer sein, bevor die laminare Strömung abreißt (Strömungsabriss, engl. Stall) und damit der Auftrieb verloren geht. Dadurch kann eine außerordentliche Manövrierbarkeit erreicht werden, wenn die Trag- und Steuerflächen in einem viel steileren Winkel zum Luftstrom angestellt werden. Das Flugzeug hat auch bei wesentlich geringerem Airspeed noch genügend Luftstrom über den Steuerflächen von Seiten- und Höhenruder. Dadurch erklärt sich der Einsatz dieser Tragflächengeometrie an extrem wendigen Abfangjägern sowie Segelflugzeugen zu Schulzwecken.

Obwohl bereits während des zweiten Weltkriegs an Flugzeugen mit negativer Tragflächenpfeilung geforscht wurde, war es nur schwer möglich, die Materialbelastungen bei hohen Geschwindigkeiten sicher abzuleiten. In jüngster Zeit gibt es durch Faserverbundwerkstoffe (auch Kompositmaterialien genannt) (u. a. Kohlefaser) die technischen Voraussetzungen, Tragflächen mit negativer Pfeilung zu konstruieren, die auch bei hohen entstehenden Torsions- und Scherkräften leicht bauen. Langsam fliegende Segelflugzeuge dagegen sind seit vielen Jahrzehnten mit dieser Flügelgeometrie im Einsatz.

Beispiele für negative Flügelpfeilung

• Vorder- und Hinterkante der Tragflächen negativ gepfeilt:
  • Grumman X-29 (Experimentalmodell)
  • HFB 320 (Zivilmaschine)
  • Junkers Ju 287 (Prototyp)
  • Schleicher ASK 13 (Segelflugzeug)
  • Schleicher K 7 (Segelflugzeug)
  • Suchoi Su-47 (Jäger)

Siehe auch

• V-Stellung als Winkel zwischen Tragflächenlängs- und Rumpfquerachse

Literatur

• Aerodynamischer Auftrieb bei Überschallgeschwindigkeit.;Adolf Busemann, Vortrag auf der 5. Volta-Tagung in Rom, 1935

swept wing

Aerodynamik