Mehr Widerstand verringert den Luftwiderstand

Nicht nur die Haifischhaut kann große Flugzeuge windschlüpfiger machen: Ein Griff in die Trickkiste bringt dünne Plaketten ins Spiel

Von Rainer Scharf

Haifischhaut und Golfball sind Beispiele dafür, daß unebene Oberflächen bisweilen die Bewegung in einer Strömung erleichtern. Bei der Haifischhaut verringern zahllose kleine Schuppen den Strömungswiderstand, indem sie Turbulenzen verhindern, die auf einer glatten Oberfläche erzeugt würden. Der Flug eines Golfballs hängt dagegen vor allem vom Druckwiderstand ab, der dadurch entsteht, daß auf die Vorderseite eines fliegenden Balls ein größerer Druck ausgeübt wird als auf seine Rückseite. In der Praxis sorgt man mit zahlreichen Dellen in der Oberfläche des Golfballs, die zu Turbulenzen in der Luftströmung hinter dem Ball führen, für einen Druckausgleich und damit für eine Verringerung des Druckwiderstands. Jetzt haben schwedische Forscher einen weiteren Weg gefunden, durch Unebenheiten die Strömungseigenschaften von Oberflächen zu verbessern.

Den Forschern um Jens Fransson von der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm ging es dabei nicht um kleine Bälle, sondern um große Flugzeugtragflächen. Will man deren Strömungswiderstand verringern, muß man etwas gegen turbulente Strömungen tun. Passagierflugzeuge wie den Airbus hatte man schon früher mit Folien aus künstlicher Haifischhaut beklebt, die mit millimeterbreiten Rillen versehen worden waren. Der Treibstoffverbrauch hatte sich daraufhin um ein Prozent reduziert. Doch nicht alle Turbulenzen, die ein Flugzeug bremsen, kann man mit der Haifischfolie verhindern. Die schwedischen Forscher schlagen nun vor, den Strömungswiderstand einer Oberfläche dadurch zu verringern, daß man sie mit millimeterdicken kreisförmigen Plaketten beklebt. Wie die Plaketten wirken, zeigte sich bei Windkanalexperimenten. Eine mehrere Meter lange Platte wurde im Windkanal parallel zur Luftströmung ausgerichtet, die mit einer Geschwindigkeit von fünf Metern in der Sekunde über die Platte dahinstrich. Die Luftströmung über der Platte wurde mit Rauch sichtbar gemacht. Eine Kamera nahm anschließend die Stromlinienbilder auf. Zunächst verliefen die Stromlinien geordnet und parallel zueinander. Dann störten die Forscher sie mit Schall in Form eines reinen Sinustons von 32 Hertz, der von Lautsprechern erzeugt wurde. Durch den Schlitz konnte der Schalldruck auf die Luftströmung über der Platte wirken.

War der Sinuston laut genug, so begannen die Stromlinien, hin und her zu schwingen. Im weiteren Verlauf der Strömung schaukelten sich diese Schwingungen auf. Die Stromlinien gerieten in Unordnung, und die Strömung wurde turbulent. Um das beobachtete Aufschaukeln zu verhindern und damit die Turbulenz zu unterdrücken, klebten die Forscher Plaketten, die etwa vier Zentimeter Durchmesser hatten, in einer Reihe quer zur Strömung auf die Platte. Der Abstand zwischen zwei Plaketten betrug dabei jeweils fünfzehn Millimeter. An diesen millimeterdicken Erhebungen entstanden fortwährend Luftwirbel, die von der Strömung mitgerissen wurden. Dadurch bekam die Strömung ein Streifenmuster, bei dem sich Wirbelstraßen und Zonen mit gleichmäßiger Strömung abwechselten. Das Streifenmuster schränkte die Beweglichkeit der Stromlinien ein und verhinderte, daß sich ihre Schwingungen aufschaukelten.

Tatsächlich konnten die Forscher beobachten, daß die Strömungsstreifen auch das Auftreten der Turbulenz unterdrückten ("Physical Review Letters", Bd. 96, Nr. 064501). Das wurde besonders deutlich, als die Plaketten nur auf einer Hälfte der großen Platte angebracht worden waren. Während die Luft über dieser Plattenhälfte in Streifen geordnet dahinströmte, war die Strömung über der anderen Hälfte völlig turbulent geworden. Die Plaketten selbst boten nur einen geringen Strömungswiderstand. Da sie aber die Entstehung der Turbulenz verhinderten, konnten sie den Strömungswiderstand der Platte insgesamt erheblich verringern. Ob man auf diese Weise auch Flugzeugtragflächen windschlüpfiger machen kann, müssen weitere Untersuchungen zeigen.

Text: F.A.Z., 08.03.2006, Nr. 57 / Seite N2