Winglets und Sharklets – über Sinn und Unsinn der abgeknickten Flügelenden

Winglets, Sharklets, … der Namen gibt es viele für die nach oben gebogenen Flügelenden von Verkehrsflugzeugen. Sie sollen, so die Theorie, Treibstoff sparen, Flugzeuge insgesamt leiser machen und gehören einfach auf ein modernes Flugzeug. Ist das so?

Zunächst erhöhen Winglets/Sharklets das Leergewicht des Flugzeugs: einmal durch ihr Gewicht und zudem muss die Struktur des Flügels verstärkt werden, um das zusätzliche Gewicht und zusätzliche aerodynamischen Kräfte (Biegemomente…) aufzunehmen. Dies erhöht bei gleicher Nutzlast den Verbrauch und reduziert die maximal mögliche Zuladung.

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Beim Abflug – Langsamfliegen – lassen sich die Flügelenden schön spreizen. Ideal umgesetzt in der Natur, die Technik ist mit dem adaptiven Flügel noch lange nicht so weit. (c) hkl

Die aufrecht in der Strömung stehenden Sharklets vergrößern den Formwiderstand des Flugzeugs.

Dagegen wird der induzierte (durch den Auftrieb erzeugte Widerstand) gerade bei hohen Anstellwinkeln, also im Langsamflug, verkleinert, da die Wirbelbildung an den Flügelenden durch die Sharklets gehemmt wird.

Das ist ihre Daseinsberechtigung.

Im Langsamflug ist dadurch auch der Gesamtwiderstand (Form- + induzierter Widerstand) reduziert. Diese Widerstandsreduktion führt zu geringerem Treibstoffverbrauch und zu geringerem Lärm im Langsamflug.

Also nur im Langsamflug haben die Sharklets Vorteile. Und da ist ein Flugzeug nur im Ab- und Anflug und im Reiseflug in großen Höhen – letzteres durch die geringe Luftdichte. In großen Höhen ist trotz hoher True Airspeed die angezeigte Geschwindigkeit (Indicated Airspeed) gering und dadurch befindet sich das Flugzeug aerodynamisch gesehen im Langsamflug.

Ihren Vorteil können die Sharklets also nur auf langen Flügen mit großem Anteil an Reiseflug in der optimalen Flughöhe ausspielen. Kurze Flüge (beispielsweise Frankfurt – Stuttgart; Frankfurt – München; Düsseldorf – Berlin …) profitieren eher nicht, sondern leiden unter den Nachteilen.

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Vögel haben es einfach. Platzsparend lassen sich die Flügel verstauen bei der Sitz-(Park)Position. Eine Wunschvorstellung für jeden Flughafenbetreiber… (c) hkl

Denn die Eselsohren haben auch etliche Nachteile:

  • die größere Breite des Flugzeugs (35,8 m statt 34,1 m etwa beim A320). Dadurch entstehen zusätzliche Restriktionen beim Rollen und Parken.
  • Die Sharklets befinden sich hinter dem aerodynamischen Drehpunkt des Flugzeugs. Durch ihre seitliche Fläche wirken sie wie eine Vergrößerung des Seitenleitwerks. Dies führt zu höherer Richtungsstabilität.
    Bei An- und Abflügen mit Seitenwind bedarf es dadurch aber auch höherer Seitenruder-ausschläge, um das Flugzeug (gegen den Seitenwind) ausgerichtet auf der Landebahnmittellinie zu halten. Das wiederum verschlechtert das Handling für die Piloten.
    Beim A320 hat der Autopilot daher auch eine höhere Seitenwind-Beschränkung mit Sharklets (maximal 15 statt 20 Knoten). Das Limit für die Piloten bleibt seltsamer Weise gleich: 30 Knoten bei beständigem Wind, bei Windböen bis zu 38 Knoten.
    Laut gestandenen Verkehrsfliegerpiloten merkt man den Unterschied, ob das Flugzeug mit oder ohne Sharklets ausgerüstet ist, beim täglichen Fliegen deutlich.
  • Der geringere Widerstand im Anflug reduziert zwar den Verbrauch, dennoch wirkt er auch einer der wesentlichen Funktionen der Landeklappen entgegen. Diese sollen nicht nur den Auftrieb erhöhen und so geringere Anfluggeschwindigkeiten und Landedistanzen zulassen, sondern auch durch ihren zusätzlichen Widerstand das Handling erleichtern.
    Sharklet-Flieger fühlen sich folglich im Anflug so an, als ob man nicht mit vollen Klappen anfliegt. Auf Schubreduzierung reagiert der Flieger langsamer, da nicht die volle Bremswirkung zur Verfügung steht. Das hat eine längere Landestrecke zur Folge, der Flieger „flared“ länger und will sich nicht auf die Bahn setzen.

Zurzeit sind Sharklets beim Kauf noch eine Option, der A320neo wird künftig in jedem Fall so ausgeliefert. Warum aber bestellen trotzdem praktisch alle Fluggesellschaften (auch die, die eher überwiegend kurze Strecken fliegen) Eselsohren für ihre Flugzeuge?
Die Meinung des Kunden zählt. Und der unbedarfte Passagier glaubt halt nunmal, dass Flugzeuge ohne Sharklets veraltet sind. Sharklets – fürs Marketing?

 

8 Gedanken zu “Winglets und Sharklets – über Sinn und Unsinn der abgeknickten Flügelenden

  1. schlappohr 9. Juli 2014 / 9:39

    Gibt es schon erste (und ernste) Ansätze für adaptive Flügel? Zumindest ausfahrbare Winglets sollten doch machbar sein. Es gab oder gibt doch eines US-Jet (F16, oder F18?) der beim Überschallflug die Flügel nach hinten klappen konnte um den Luftwiderstand zu verringern. Also ganz neu ist der Gedanke ja nicht.

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    • Helga Kleisny 13. Juli 2014 / 10:54

      Adaptive Flügel gibt es im Test schon länger und gerade wieder beim Airbus A340-300.
      Im Prinzip hat die Bionik (versuchte Anwendung/Übertragung von Superlösungen in der Natur auf die Technik) stets ein Problem:
      Die Natur hat eigene Heilungsprozesse (vereinfacht: Knochen heilen, Federn wachsen nach). Eine fehlende Schraube kann aber den Flug in einem „Blechvogel“ recht ungemütlich machen, wenn sich dadurch der adapive Flügel nicht mehr, etwa von Langsamflug auf Strecke, verstellen lässt. Je mehr „Klapperatismus“, umso fehleranfällig ist die Technik.
      Und aus diesem und daraus abgewandelten Gründen werden Vögel uns noch länger das Optimieren für jede Flugphase voraus haben.

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  2. Frank Heckel 9. Juli 2014 / 22:46

    Liebe Helga,
    wie immer sehr detailliert und gründlich recherchiert – super!
    Bisher dachte ich auch, dass Winglets/Sharklets eigentlich ausschließlich Vorteile haben. In komprimierter Form viel gelernt. Ich wünsche Dir SEHR viele Leser!

    Best winglets, äh, wishes,
    Frank

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  3. Bernhard 17. Juli 2014 / 12:05

    Sehr lesenswert, evtl. ist eine kleine Ergänzung erlaubt:

    Das Fluglinien Winglets wegen der Wahrnehmung der Passagiere kaufen ist nicht der Fall – da siegt die Finanz. Das es trotzdem Flugzeuge gibt, welche auch auf den erwähnten kurzen Strecken mit Winglets fliegen liegt daran, dass der nächste Flug eben auch nach Teneriffa oder Dubai gehen kann und da die Winglets wieder ihre Berechtigung haben. Airlines die wirklich nur sehr kurze Strecken fliegen setzen im Regelfall keine Jets ein sondern Turboprops, die sich aber in einem anderen Geschwindigkeits- und tlw. auch Höhenbereich bewegen und daher nahezu keine Winglets haben.

    Auch die steigende Breite / Spannweite ist nur sehr eingeschränkt ein Thema – es ist schon lange üblich die Infrastruktur auf gewisse Größenklassen auszulegen – so lange diese nicht überschritten verändert werden, sind die Probleme bei der Infrastruktur im Regelfall überschaubar. Ein(e) A320 / B737 liegt in der Klasse „C“ welche bis 36m reicht, nicht umsonst orientieren sich die Hersteller auch an diesen Werten.

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  4. Flugkapitän 18. Juli 2014 / 0:26

    # Bernhard
    Es fliegen sehr viele B737 und A320 täglich innerdeutsch umher.
    Auf all diesen Strecken wird die aerodynamisch optimale Reiseflughöhe nicht oder nur sehr kurz erreicht. Hier lohnen sich die Winglets nicht. Klar wird mit den Flugzeugen auch weiter weg geflogen, aber ob das immer den Nachteil aufwiegt, weiß ich nicht.
    Die größere Spannweite mag bei neuen Flugplätzen in der Regel nicht das große Problem sein. Doch gibt es immer mal wieder Rollwege, die mit A320 ohne Sharklets berollt werden dürfen und mit Sharklets eben nicht. Vor einiger Zeit sogar in München auf dem östlichsten Teil des Vorfeldes. Dort gab es Rollwege, die maßgeschneidert für A320 bis zu einer Spannweite von 34,1 m berollt werden durften. Sharkys müssen da draußen bleiben.
    Aber selbst wenn die Verbreiterung auf dem Papier kein Problem darstellt, dann ist zu bedenken, dass man eben doch sehr viel genauer rollen muss, wenn der Flieger gerade nur so in das Raster passt.
    Die Fläche eines A320 ohne Sharklets passt auch unter der Fläche eines entgegenkommenden A330 durch, wenn es mal eng wird. Mit Sharklet gibt es Kleinholz.
    # all; weitere Nachteile, die noch nicht erwähnt wurden:
    1. Mit einem beschädigten oder entfernten Wingtip kann ein A320 weiterhin fliegen. Mit beschädigten Sharklet steht der Flieger. Und schlimmer noch: das Ersatzteil (ein neues Sharklet) kann nicht von einem A320 transportiert werden, da es nicht in den Frachtraum passt.
    2. Wenn man in die Versuchung kommt auf einer langen Strecke Verspätung durch schneller fliegen aufzuholen – das kann für einen Netzcarrier sehr wirtschaftlich sein, da dann doch noch alle Passagiere ihre Anschlussflüge bekommen – dann wirken die Sharklets als Luftbremse und der Verbrauch steigt überproportional.
    Mein Fazit aus der Praxis: Sharklets sind eine tolle Idee. Nur leider nicht zu Ende gedacht.

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    • Helga Kleisny 18. Juli 2014 / 13:56

      Vielen Dank an @Bernhard und @Flugkapitän für die fachlich qualifizierten Kommentare.

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  5. Bernhard 18. Juli 2014 / 19:22

    Alles richtig – aber der nächste Flug nach einmal MUC-HAM geht dann evtl. eben von HAM nach LIS – da sieht es dann anders aus und diese Flexibilität wollen sich die Fluglinien vorerst erhalten. Einzelne Teile der Infrastruktur wurden NICHT nach ICAO-Codelettern ausgelegt, die Masse aber schon – daher ist das Problem gering (aber natürlich gegeben wenn auf einen Typ hin ausgebaut wurde – aber genau das tut man kaum noch). Ein genaueres Rollen ist nicht erforderlich, da die Clearance wie auch die zulässige Abweichung auch bei voller Ausnutzung des Codeletters gegeben sein müssen. Das Flächen beim Rollen einander überstreichen ist ein absolutes No Go – das sollte es auf keinem zivilisierten Platz geben!!!

    Natürlich ist kein Teil in der Technik eine eierlegende Wollmilchsau, im Regelfall machen diese Teile aber sehr wohl Sinn – jede Ausnahme abdecken wird man nicht können 😉

    Das

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