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Gangartwechsel der Ornithopter

Silhouetten fliegender Vögel
Vergleich einiger
Flügelformen

Für Ornithopter gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Flugarten, das Fliegen mit dem Auftrieb und das Fliegen mit dem Schub. Von beiden gibt es diverse Varianten. In Anlehnung an Ergebnisse der Vogelflugforschung wird hier versucht, die Begleitumstände für den Wechsel zwischen diesen Flugarten zu beschreiben. Zumindest einige Varianten der beiden Flugarten werden dabei berücksichtigt.

Ein Wechsel der Flugart eines Ornithopters - beispielsweise zwischen Schwebflug und Reiseflug - ist etwa vergleichbar mit dem Übergang zwischen der Flugweise eines Hubschraubers und der eines Motorseglers. Nur Kipprotorflugzeuge (z. B. tiltrotor V-22 Osprey) bewältigen etwa so eine Aufgabe.

Schon Erich von Holst hat bei der Analyse seiner systematischen Messreihen festgestellt, dass beim Schlagflug die den Auftrieb begünstigenden Bedingungen für den Schub nachteilig sind und umgekehrt.

Bei den folgenden Festlegungen wird jeweils von einer mittleren Fluggerät­gestaltung ausgegangen. Beim Schlagflug hängt aber alles von allem ab. Die Größenangaben der beschriebenen Parameter sind also immer relative und gleichartige, im Nahbereich liegende Lösungen durchaus möglich.

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1. Übergang zum Fliegen mit dem Auftrieb

Beim reinen Fliegen mit dem Schub wird die Gewichtskraft des Fluggeräts nur durch die nach oben gerichtete Schubkraft ausgeglichen. Nehmen wir an, dass das Fluggerät beim Start bereits vom Boden abgehoben hat und die Schlagebene der Flügel bis auf etwa 60° an die Senkrechte zur Flugbahn angenähert wurde. Schlagfrequenz und die Flügelverwindung sind dann immer noch sehr hoch. Eine Horizontalbewegung des Fluggeräts hat eingesetzt. Es balanciert aber nach wie vor wie ein Hubschrauber auf seinem Schubstrahl.

Zusammen mit der horizontalen Flugbewegung bietet sich nun bei einem Ornithopter - im Gegensatz zum Hubschrauber - die Möglichkeit, Schubanteile durch senkrecht dazu stehenden Auftrieb am Flügel zu ersetzen. Insbesondere der rumpfnahe Flügelbereich mit seiner geringen Querkraftneigung eignet sich dafür. Die Schub­erzeugung nach oben kann so entlastet und durch weitere Drehung der Schlagebene mehr nach vorn gerichtet werden. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Fluggeschwindigkeit, was gleichzeitig der Auftriebs- und der Schuberzeugung zugutekommt.

Ist das Fluggerät strömungsgünstig geformt, so kommt der Moment, an dem der am Flügel direkt erzeugte Auftrieb ausreicht, um das Fluggerät alleine zu tragen. Der gesamte Schub kann dann direkt nach vorne gerichtet und zusammen mit der Flügelverwindung deutlich kleiner werden. Das Fluggerät fliegt nun vollständig mit dem Auftrieb. Das ist sehr energiesparend.

In der Praxis ist dieser Übergang zum Fliegen mit dem Auftrieb aber nicht so einfach, wie sich das im ersten Moment anhört. Auftrieb und Schub müssen zunächst, trotz geringer Fluggeschwindigkeit gleichzeitig relativ hohe Werte erreichen. Mit Hilfe von Auftriebsbeiwert-Reserven in den jeweiligen Problemzonen des Schlagflügels ist bei Vögeln der Flugartwechsel jedoch möglich.

Auftriebsbeiwert-Reserven erhält man vor allem mit Hilfe von großer Flügeltiefe und durch Spreizung der Federn (Flächenvergrößerung). Auch Vorflügel, Flügelschlitze und Klappen sind sehr wirksam. Veränderliche und stark gewölbte Profile die eine gut gerundete Flügelnase haben, erhöhen und erweitern den Profil-Arbeitsbereich. Bei Anwendung von Flügelpfeilungen lässt sich der Auftrieb aus Strömungsabriss gefährdeten Bereichen verlagern.

Während des Reisefluges kann man die Auftriebsbeiwert-Reserven zur Variation von Schub (Steigflug), Zuladung und Fluggeschwindigkeit einsetzen. Beim schnellen Reiseflug sind sie eher hinderlich. In der Regel erhöhen sie den Widerstand. Beim Wechsel der Flugarten werden alle Reserven voll beansprucht.

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1.1 Bei Auftriebserzeugung hauptsächlich im
rumpfnahen Flügelbereich

Silhouette einer fliegenden EnteBeim Fliegen mit dem Schub sind wegen der hohen Schlagfrequenz beim Auf- und Abschlag die Querkräfte im äußeren Flügelbereich stark nach vorne gerichtet. Dieser Flügelabschnitt kann daher kaum etwas zum Gesamtauftrieb beitragen. Ist das Fluggerät aber in der Lage, mit Hilfe großer Flügeltiefe und großer Profilwölbung den gesamten Auftrieb fast ausschließlich im rumpfnahen Bereich zu erzeugen, so erfolgt die Annäherung an das Fliegen mit dem Auftrieb relativ unauffällig.

Bei der letzten, vollkommenen Schubausrichtung nach vorn wird der Schubbedarf aber noch mal deutlich kleiner (siehe 2. Kapitel). Der Wechsel der Flugart ist dann in Form einer plötzlichen Reduzierung von Schlagfrequenz, Flügelverwindung und Antriebsleistung erkennbar.

Silhouette einer fliegenden Taube Auch beim anschließenden Fliegen mit dem Auftrieb wird in diesem Fall der Auftrieb bei Auf- und Abschlag in starkem Maße im rumpfnahen Bereich erzeugt (Ente, Taube). Die Flügelverwindung wird kleiner, so dass beim Aufschlag im Handbereich die Querkraft nach unten weist. Das ist zwar gut für die Schuberzeugung, aber nicht für den Auftrieb (siehe Vektordiagramm). Die Schlagfrequenz bleibt relativ hoch. Dadurch wird die Querkraft im Handflügelbereich weitgehend nach vorne gerichtet und bewirkt vor allem Schub. Darüber hinaus ist bei einem zugespitzten Umriss die Querkraft im äußeren Flügelabschnitt generell nicht allzu groß. Der Gesamtauftrieb einer ganzen Schlagperiode ist also im Handflügelbereich gering.

Wegen der kleinen Querkraft im Flügelspitzenbereich muss zwar für eine ausreichende Schuberzeugung die Schlagfrequenz höher sein als bei der Wechsel-Variante in folgendem Abschnitt, aber nicht unbedingt die Antriebsleistung.

Bei einer derartigen Auftriebsgestaltung wird das mittlere Drehmoment um die Schlagachse, bezogen auf die Spannweite, relativ klein sein und die Flügelkontur zugespitzt. Die Querkraftverteilung längs der Spannweite sieht dann zwar so ähnlich aus wie in Diagramm 4, jedoch mit deutlich stärkerer Verlagerung des Aufschlagauftriebs zur Flügelwurzel. Zur Aufrechterhaltung des mittleren Auftriebs ist in diesem Fall im Flügelwurzelbereich eine Vergrößerung des Anstellwinkels erforderlich - entweder nur beim Aufschlag oder beim Kraftflug insgesamt. Letzteres erfolgt einfach durch eine geringfügige Aufrichtung des ganzen Fluggerätes. Die Reserven des Auftriebsbeiwert-Arbeitsbereiches an der Flügelwurzel müssen dazu aber ausreichend groß bemessen sein.

Mit seiner großen Flügeltiefe und Profilwölbung an der Flügelwurzel, dem großen Anstellwinkel des Rumpfes und der zu geringen Flügelverwindung ist sicherlich auch der EV1 in dieser Weise geflogen.

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1.2 Bei Auftriebserzeugung längs der ganzen
Spannweite

Silhouette eines fliegenden Schwarzstorches

Reicht der direkt erzeugte Auftrieb zum Tragen des Fluggeräts nur aus, wenn der ganze Flügel für seine Erzeugung zur Verfügung steht, so darf er für das Fliegen mit dem Auftrieb nur eine relativ langsame Schlagbewegung ausführen. Dann wiederum reicht aber beim Start der Schub nicht aus, um die Horizontal­geschwindigkeit ausreichend zu erhöhen.

Um diese Hürde zu nehmen, muss man zunächst versuchen, mit viel Schub eine große Horizontalgeschwindigkeit zu erreichen. Mit starker Flügelverwindung und heftigem Flügelschlag ist die Steigerung der Fluggeschwindigkeit möglich. Ein wenig Auftrieb kann dabei aber sicher schon erzeugt werden (siehe oben Abbildung 1, Abflug).

Ist dann eine ausreichende Fluggeschwindigkeit in Reichweite, müssen die Flügel praktisch schlagartig auf kleine Schlagfrequenz und kleine Flügelverwindung überwechseln. Sie erzeugen nun zwar den vollen Auftrieb, aber deutlich weniger Schub (siehe oben Abbildung 2, Reiseflug). Dieser muss jetzt aber auch nur noch für das Fliegen mit dem Auftrieb ausreichen. Dieser Übergang ist im Flugbild bzw. Bewegungsablauf deutlich sichtbar. Bei Vögeln spricht man an dieser Stelle von einem Wechsel der Gangart.

Bei großen Auftriebsbeiwert-Reserven längs des ganzen Flügels und guten Gleiteigenschaften gelingt das Fliegen mit dem Auftrieb fast sofort nach einem kräftigen Absprung aus dem Stand - vor allem bei Gegenwind.

Silhouette eines fliegenden BurssardsBeim anschließenden Fliegen mit dem Auftrieb ist wegen der Auftriebserzeugung auch im äußeren Flügelbereich das Abschlag-Drehmoment um die Schlagachse relativ groß (Storch, Bussard). Gleichzeitig ist aber wegen der großen Querkraft im äußeren Flügelbereich zur Schuberzeugung keine hohe Schlagfrequenz erforderlich. Die Antriebsleistung muss daher nicht größer sein als bei der in vorstehendem Abschnitt beschriebenen Flugweise.

Bei dieser Auftriebsgestaltung für begrenzte Spannweite wird das mittlere Drehmoment um die Schlagachse bezogen auf die Spannweite in der Regel hoch sein und die Flügelkontur annähernd rechteckförmig (siehe Diagramm 1 und Modelle EV4 bis EV8).

Silhouette einer fliegenden MöweNur bei sehr großen Flügelstreckungen (Möwe) kommen auch Auftriebsverteilungen für nicht begrenzte Spannweite mit einem, bezogen auf die Spannweite, relativ kleinem Drehmoment und einem zugespitzten Flügelumriss zum Einsatz (siehe Diagramm 2).

Wegen der großen Flügellänge kann aber auch in diesem Falle die Auftriebs- und damit die Schuberzeugung weit draußen erfolgen. Der Absolutwert des Drehmoments ist dabei hoch und keine hohe Schlagfrequenz erforderlich.

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1.3 Bei kleiner Reynoldsscher Zahl

Silhouette eines fliegenden Sperlings Ist das Gesamtgewicht des Fluggeräts sehr klein, wird zwangsläufig auch mit entsprechend kleiner Reynoldsscher Zahl geflogen. Der Widerstand des Fluggeräts liegt dann etwa in der gleichen Größenordnung wie die Gewichtskraft. Ein Gleitflug mit brauchbarem Gleitwinkel ist bei dieser Gestaltung kaum noch zu erzielen (Sperling).

Unter diesen Bedingungen gerät die Auftriebserzeugung zur Nebentätigkeit. Es besteht dabei aber offensichtlich die Möglichkeit, dass der Flügelabschlag alleine ausreicht, um den ganzen Auftrieb und Schub zu erzeugen. Kleine Vögel wenden dazu bei Auf- und Abschlag stark unterschiedliche Flügelformen an. Einige von ihnen falten beispielsweise beim Aufschlag die Flügel fast vollständig zusammen, so dass nur beim Abschlag Auftrieb entsteht (das dazugehörige Wirbelbild, siehe Externer Weblink 2, Fig. 1. Vortex-ring gait). Mit all den dabei angewendeten Raffinessen hilft so etwas zwar in vielerlei Hinsicht, technisch dürften sie aber nur schwer nachzuahmen sein.

Bei Bedarf kann man außerdem auch beim Aufschlag, beispielsweise bis zum Einsetzen von Abtrieb (Null-Auftrieb), Schub erzeugen. Mit kleinen Fortschrittsgraden, relativ hoher Schlagfrequenz und entsprechend großer Flügelverwindung bzw. -drehung, erscheint dies möglich. Außerdem können wegen untergeordneter Auftriebserzeugung sehr große Schlagwinkel angewendet werden. Bei zu großer Steigerung des Aufschlagschubs wird aber der insgesamt direkt erzeugte Auftrieb zu klein und man gelangt zu einem Vorwärtsflug nur mit dem Schub. Dabei wird die Luft, wie von einem Fisch das Wasser, mit nur leicht nach oben gerichtetem Schub durchschwommen (Beispiel Schmetterling; aber sogar von den großen Flugmodellen von Erich von Holst - mit Spannweiten bis immerhin 2,45 Meter - ist anzunehmen, dass sie wegen kleiner Rezahl und geringem Gewicht ansatzweise nach dieser Methode geflogen sind.).

Wenn bei kleiner Rezahl ein Fliegen mit dem Auftrieb überhaupt möglich ist, so bleibt es doch immer noch ein Fliegen mit hohem Schubbedarf. Man könnte es auch als Fliegen gegen den Widerstand bezeichnen. Ein Flugartwechsel dürfte im Flugbild mangels nennenswerter Energieeinsparungen kaum noch zu erkennen sein. Schlagflugberechnungen bzw. entsprechend gesicherte Aussagen liegen aber für kleine Reynoldszahlen nicht vor.

Silhouette eines fliegenden Mauerseglers Das Fliegen bei kleiner Reynoldsscher Zahl bzw. mit hohem Widerstand ist - obwohl in der Natur und im Ornithoptermodellbau weit verbreitet - als noch wenig beschriebener Spezialfall anzusehen. Fliegen mit dem Auftrieb ist dabei sicherlich die Ausnahme (Schwalben, Literatur-Symbol Mauersegler, Oehme H.). Für letztere Flugart sollte das Fluggerät generell einen guten Gleitwinkel haben (Literatur-Symbol R. Demoll ).

Der konstruktive Übergang zu einer Bauform für das Fliegen mit hauptsächlicher Auftriebserzeugung im rumpfnahen Flügelbereich (Abschnitt 1.1) ist fließend - aber nicht der Wechsel zu der dort dargestellten Flugart.

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1.4 Ohne Auftriebsbeiwert-Reserve

Wenn - insbesondere beim Fliegen mit großer Rezahl - keine Auftriebsbeiwert-Reserven verfügbar sind, ist ein Wechsel der Flugart kaum möglich. Es ist dann besser, gleich mit dem Fliegen mit dem Auftrieb zu beginnen. Der Start gelingt in diesem Fall aber nur bei kräftigem Gegenwind, mit einer langen Startbahn (Schwan, Albatros) oder von erhöhtem Standort aus. Die Ornithoptermodelle EV4 bis EV8 sind Beispiele dafür.

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2. Übergang zum Fliegen mit dem Schub

Auch der umgekehrte Übergang zum Fliegen mit dem Schub ist nicht ganz einfach. Wie folgende Überlegung zeigt, muss offensichtlich immer relativ weitgehend die Flugart gewechselt werden.

Im Langsamflug wird der Auftrieb mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit kleiner. Um auch nur 10 % der tragenden Kraft des Reisefluges durch Schub zu ersetzen, müsste dieser hier mehr als vervierfacht werden (vergleiche Abbildung 2, Reiseflug und folgende). Das dargestellte Kräftegleichgewicht dürfte daher, trotz Auftriebsbeiwert-Reserven, kaum möglich sein.

Für den Langsamflug werden zunächst alle Auftriebsbeiwert-Reserven mobilisiert. Außerdem wird die Schlagfrequenz deutlich erhöht. Dadurch steigen zumindest im äußeren Flügelbereich die Querkraft und der Schub stark an.

Mit der Erhöhung der Schlaggeschwindigkeit neigt sich aber gerade im äußeren Flügelbereich die Querkraft immer mehr in Schubrichtung. Das geht nur zu Lasten der Auftriebserzeugung. Darüber hinaus wird im Bereich der Flügelwurzel der Auftrieb wegen nachlassender Anströmung kleiner. Der Gesamtauftrieb kann daher in der dargestellten Größe sicher nicht aufrechterhalten werden (vergleiche die Kraftgrößen - insbesondere den Schub - mit der Abbildung 2, Reiseflug).

Außerdem muss für die neue Schubrichtung die Schlagebene aus der Senkrechten gedreht werden. Infolge der damit zusammenhängenden Rumpfaufrichtung steigt der schädliche Widerstand des Fluggerätes. Ein Teil der Schubvergrößerung ist schon dafür erforderlich.

Das dargestellte Kräftegleichgewicht ist insbesondere wegen unzureichender Auftriebserzeugung nicht aufrecht zu erhalten. Diese Flugsituation muss also übersprungen werden. Gleichzeitig viel Auftrieb und viel Schub zu erzeugen, ist wegen der begrenzten Profildaten einfach nicht möglich.

Verschiedene Flugsituationen eines Vogels

Abbildung 7

Gangartwechsel zwischen den Flugarten
Die mittlere Flugsituation wird dabei übersprungen.

Wegen all dieser Rückwirkungen findet der Übergang zum Fliegen mit dem Schub schlag- bzw. stufenartig statt. Die Schubkraft muss dann die Gewichtskraft fast alleine ausgleichen (z. B. wie in der rechten Abbildung). Dieser schlagartige Übergang wurde von Jeremy Rayner (England, siehe Literatur-Symbol Nachtigall W. 1986, BIONA-report 5) und Tyson Hedrick (USA 2002, siehe Externer Weblink 1) auch bei den Flügelrandwirbeln der Vögel gefunden.

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3. Resümee

Beim Schlagflug sind sehr unterschiedliche Kraftkombinationen anwendbar. Das Fluggerät muss aber die jeweiligen Voraussetzungen erfüllen. Dass ein und dasselbe Fluggerät alle Kraftkombinationen beherrscht, ist selbst von Vögeln mit ihren sehr variablen Flügeln nicht bekannt.

Animation einer Möwe im Flug
Möwe in böigem Wind
und mit wechselnder Flügelschlagweite
vergrößert (0,5 MB)

Da Ornithopterflügel im Flug bisher nur wenig veränderbar sind, sollte man sich vor der Herstellung klar werden, welche Flugart man damit anstrebt. Ein Gangartwechsel eines Ornithopters ist bisher wohl eher die Ausnahme.