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1. Begriffserklärung

Ornithopter, oder ornitotero wie Leonardo da Vinci sie nannte, sind Flugmaschinen schwerer als Luft, die den Flügelschlag der Vögel nachahmen. Das Besondere daran ist, dass die Flügel nicht nur Auftrieb, sondern auch Schub erzeugen.

Ornithopter werden meist in der Größe von Vögeln oder Flugmodellen gebaut und dann auch als Schlagflügelmodell oder Schwingenflugmodell bezeichnet.

Das grundsätzliche Arbeitsprinzip eines Schlagflügels hat bereits Literatur-Symbol Otto Lilienthal (1889) erkannt. Für das Verständnis einer effektiven Flugweise großer Ornithopter ist seine Beschreibung noch heute richtungsweisend. Insbesondere Literatur-Symbol Alexander Lippisch (1925 - 1939) und Literatur-Symbol Erich von Holst (1940 - 1943), sowie die Forschungsarbeiten vieler Biologen haben die Theorie des Schlagfluges weiter vorangebracht. Viele Details sind aber nach wie vor nicht verstanden.

Seit je her gibt es recht unterschiedliche Varianten der Schlagflugtheorie. Sie existieren alle nebeneinander und ihre Beschreibungen sind weit verstreut. Eine Berechnung des Kräftegleichgewichts, selbst an einem geraden, nur langsam schlagenden Flügel, ist nach wie vor schwierig. In der Regel ist sie nur stark vereinfacht möglich. Darüber hinaus lassen auch die bisher bekannten Antriebsmechaniken und vor allem die Flügelkonstruktionen noch viele Wünsche offen.

Ornithopter stehen also in jeder Hinsicht immer noch am Anfang ihrer Entwicklung. Leistungsstarke Antriebe und moderne Materialien ermöglichen aber trotzdem schon sehr schöne Flüge.

Auch hier folgt nur eine Variante der Schlagflugtheorie in Kurzfassung.

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2. Das Arbeitsprinzip des Schlagflügels

optimale Auftriebsverteilungen für Ornithopter
Diagramm 1
Optimierte Auftriebsverteilungen
für den flachen Steigflug bei
gegebener Flügelspannweite
optimale Auftriebsverteilungen für Schlagflügel
Diagramm 2
Optimierte Auftriebsverteilungen
für den flachen Steigflug bei nicht begrenzter Flügelspannweite

An einem gestreckten Schlagflügel entsteht der Auftrieb auf die gleiche Art und Weise wie an einem von vorne angeströmten, starren Tragflügel.

Beim Flügelaufschlag trifft die Luft aber mehr von oben und beim Abschlag mehr von unten auf den Flügel. Diese Veränderungen sind im Bereich der Flügelwurzel klein und werden zur Flügelspitze hin größer. Durch ständig sich ändernde Verwindung ist der Schlagflügel an diese wechselnden Anströmrichtungen anzupassen. Dabei darf aber im Interesse der Schuberzeugung die Auftriebsverteilung längs der Spannweite nicht konstant gehalten werden (siehe Diagramme).

Beim Flügelabschlag ist die Auftriebsverteilung insgesamt größer als im Gleitflug und mehr zur Flügelspitze hin verlagert. Wie leicht vorstellbar entsteht durch diese Schlagbewegung auf der ganzen Flügellänge Schub. Das funktioniert ähnlich wie bei einem Propellerblatt mit sehr großer Steigung, nur dass hier die zu überwindende Propeller-Umfangskraft als Auftrieb bezeichnet und auch als solcher genutzt wird.

Kräfte an einem Ort des Schlagflügels beim Auf- und Abschlag
Vektordiagramm der Kräfte und Geschwindigkeiten
Kräfte beim Flügelaufschlag, von Otto Lilienthal
Kraftverlauf beim Flügelaufschlag

Beim Flügelaufschlag kehren sich die Verhältnisse um. Die Auftriebsverteilung ist insgesamt kleiner und mehr zur Flügelwurzel verlagert. Mit der Schlagbewegung in Richtung der Auftriebskraft wirkt der Schlagflügel nun wie ein Windrad. Ist die Auftriebskraft groß genug, drückt sie den Flügel auch ohne mechanischen Antrieb nach oben. Der Flügel arbeitet dabei mit dem Betriebs- bzw. Arbeitswiderstand eines Windrades entgegen der Flugrichtung (siehe Vektordiagramm).

Gleichzeitig wird beim Aufschlag der äußere Flügelbereich mehr von oben angeströmt. Dort entsteht dann zwar Abtrieb, aber wie bei einem Propeller auch Schub (siehe Vektordiagramm).

Ob beim Flügelaufschlag die Windrad- oder die Propellerfunktion überwiegt, hängt von der Flügelverwindung bzw. der Form der Auftriebsverteilung ab (Näheres dazu im nächsten Abschnitt).

Vergleich des Schlagflügels mit Proppeller und Windrad
Vergleich aerodynamischer Maschinen

Dass der Vergleich mit einem Propeller bzw. Windrad nicht in jeder Hinsicht zutrifft, soll nebenstehendes Vektorbild verdeutlichen. Die Geschwindigkeits- größenverhältnisse sind beim Schlagflügel ganz anders. Die rotierenden Maschinen wurden ja auch nicht zur gleichzeitigen Auftriebserzeugung konzipiert. Außerdem ist beim Schlagflügel die Auftriebskraft in der Mitte der Spannweite nie gleich Null - so wie bei den rotierenden Maschinen.

Ein Schlagflügel ist eine aerodynamische Maschine mit zwei Arbeitstakten, dem Auf- und dem Abschlag. Im unbeschleunigten Horizontalflug eines Nurflügel-Ornithopters ist der Wirkungsgrad dieser Maschine gleich Null. Sie bewegt nur sich selbst, gibt aber keine Leistung ab.

Fügt man jedoch dem Nurflügel-Ornithopter Rumpf und Leitwerk hinzu, so ist vom Schlagflügel die Leistung zur Überwindung der betreffenden schädlichen Widerstände aufzubringen. Der Schlagflügel gibt dabei Leistung ab. In widersinniger Weise ist nun - bei sonst gleichem Flugzustand - der Wirkungsgrad größer als vorher (größer als Null). Beispielsweise steigt - bei Einhaltung des Kräftegleichgewichtes - der Wirkungsgrad des Schlagflügels mit der Größe des Leitwerks an. Der Parameter Wirkungsgrad ist also zur Bewertung von Schlagflügeln relativ ungeeignet (siehe hierzu den Vergleich der Transport­leistung).

Berechnet man den Wirkungsgrad trotzdem, so bleibt bei der Betrachtung der Schuberzeugung der gleichzeitig entstehende Auftrieb unberücksichtigt. Für ihn sind aber keine weiteren Widerstände mehr zu überwinden. Der Auftrieb wird zum Schub sozusagen gratis dazu geliefert.

Der Gesamtschub am Schlagflügel wird größer, je mehr sich die Auftriebs­verteilungen von Auf- und Abschlag unterscheiden - insbesondere im äußeren Flügelbereich, wo die meiste Arbeit verrichtet wird. Ist der Unterschied gleich Null, so sind Arbeitswiderstand und Schub gleich groß und heben sich gegenseitig auf (siehe Literatur-Symbol A. Lippisch 1938 und obiges Vektordiagramm). Der Gesamtschub ist dann gleich Null. Bei vorhandenem Auftriebsunterschied nimmt der Schub auch mit steigender Schlagfrequenz und mit dem Schlagwinkel zu.

Die Größe des Auftriebs wird auch durch den Einstellwinkel an der Flügelwurzel bestimmt. Bei oben abgebildeten Auftriebsverteilungen wird der Einstellwinkel während der Flügelschlagbewegung konstant gehalten. Die dargestellten Auftriebsunterschiede an der Flügelwurzel ergeben sich nur durch unter­schied­liche, induzierte Abwindwinkel (siehe hierzu Diagramm Abwindver­teilungen).

Um beim Aufschlag den kleineren Auftrieb an der Flügelspitze zumindest teilweise auszugleichen, sollte der Auftrieb an der Flügelwurzel gleichzeitig größer werden. Über die Einstellwinkel an der Flügelwurzel von Vögeln sind hier aber keine Untersuchungen bekannt. Zur Vergleichmäßigung des Gesamtauftriebs schlägt
Literatur-Symbol E. v. Holst (1943) eine Drehung der Flügelwurzel, zusätzlich zur Flügelverwindung vor. Beim Aufschlag soll also dort der Einstellwinkel größer werden. Bei Vögeln im Reiseflug ist dies manchmal gut zu beobachten (siehe hierzu die Animationen von Schwan und Storch und den Aufsatz Auftrieb beim FlügelaufschlagVersion 7.0, PDF 0.7 MB).

Es könnte auch sein, dass Vögel beim Flügelaufschlag den Anstellwinkel und/oder die Profilwölbung im Bereich des Ellbogens vergrößern. Auch auf diese Weise wird die Verlagerung des Auftriebs in Richtung der Flügelwurzel unterstützt und der Aufschlagauftrieb größer bzw. der Gesamtauftrieb gleichmäßiger.

Für einen stationären Flug müssen sich alle am Ornithopter wirkenden Kräfte
- genauer gesagt die Kraftimpulse einer ganzen Schlagperiode - im Gleichgewicht befinden. Die Propellerwirkung muss also sowohl die Windradwirkung als auch die übrigen Widerstände des Flügels und des Fluggeräts ausgleichen. Gleichzeitig muss der positive Auftriebsanteil den negativen so stark überwiegen, dass er das Gewicht des Fluggeräts tragen kann.

3. Schlagflügel-Eigenschaften im Flug

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3.1 Flacher Steigflug

Beim Flügelaufschlag lassen sich die aerodynamischen Kräfte längs des Flügels durch geeignete Flügelverwindung so einstellen, dass sich die Drehmomente um das Flügellager gerade ausgleichen (siehe folgendes Diagramm 3). Dabei treibt der rumpfnahe, als Windrad arbeitende Flügelabschnitt den äußeren, als Propeller arbeitenden Flügelabschnitt direkt an. Dies ist eine 1. Möglichkeit zur Nutzung der Windradenergie.

Eine Energieaufnahme oder Abgabe erfolgt bei dieser Aufschlageinstellung nicht. Der Flügel lässt sich mit dem Antrieb praktisch ohne Kraftaufwand nach oben schlagen. Propeller- und Windradwirkungen heben sich gegenseitig auf. Die Gesamtwirkung des Aufschlags in Schubrichtung ist dabei also gleich Null.

Auftiebsverteilung beim Aufschlag ohne Drehmoment
Diagramm 3
Eine spezielle Auftriebsverteilung beim Flügel­aufschlag, bei der sich die Schlag­momente vom inneren und äußeren Flügelabschnitt gegenseitig genau ausgleichen. Damit kann der Flügel ohne äußere Kraft nach oben bewegt werden.

Infolge der Hebeleigen­schaft des Flügels muss bei dieser Aufschlageinstellung der rumpfnahe Auftrieb größer sein als der Abtrieb an der Flügelspitze. In der Summe ist also immer noch etwas positiver Aufschlagauftrieb vorhanden (Literatur-Symbol Otto Lilienthal 1889). Für das übrige Kräftegleichgewicht während der Schlagperiode kann der Flügelabschlag mit seiner generell kräftigen Auftriebs- und Schuberzeugung sorgen.

Wollte man beim Aufschlag im Interesse der Widerstandsverminderung ganz auf den Auftrieb verzichten, so ist Folgendes zu bedenken. Um dann nur beim Abschlag - also in etwa der halben zur Verfügung stehenden Zeit - den ganzen Auftriebsimpuls erzeugen zu können, müsste die Auftriebskraft und folglich auch die Flügelfläche etwa verdoppelt werden. Dies und die dazu gehörigen Auftriebsschwankungen sind sicher nur in Ausnahmefällen zweckmäßig.

Wie man bei den in Diagramm 1 abgebildeten Auftriebsverteilungen sieht, sind die mittleren Auftriebe der beiden Arbeitstakte unterschiedlich groß. Zumindest bei niedriger Schlagfrequenz wird es daher zu einer deutlichen, senkrechten Rumpfpendelbewegung kommen. Sie dämpft sich aber durch die dabei entstehenden Anstellwinkelschwankungen recht wirkungsvoll selbst. Diese Veränderungen sind in den Diagrammen nicht enthalten.

Natürlich sind im Nahbereich von vorstehender Aufschlag-Auftriebsverteilung auch andere Einstellungen möglich. Sie reichen aus für flache Steigflüge mit mäßiger Schlagfrequenz. Meine EV-Ornithopter wurden für diese Flugweise gebaut.

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3.2 Reiseflug

Ausgehend von vorstehender Flugweise ist es für den Reiseflug vorteilhafter, beim Aufschlag den Auftrieb insgesamt zu vergrößern und ihn etwas mehr zur Flügelspitze zu verlagern. Dort entsteht dann - wenn überhaupt - nur noch ganz wenig Abtrieb (siehe Kraftvektoren in folgendem Bild). Auf diese Weise werden aber die Windradwirkung und ihr Arbeitswiderstand größer.

Dass dies vorteilhaft sein soll, ist zunächst verwunderlich. Die Windradwirkung kann ja nun im Bereich der Flügelspitze nicht mehr direkt zur Schuberzeugung eingesetzt werden. Wäre es da nicht besser, einfach nur die Schlagfrequenz zu reduzieren?

Kräfte am Flügel eines Storches
Kräfte beim Flügelauf- und -abschlag, von Literatur-Symbol Otto Lilienthal

Nach einem Vorschlag von Otto Lilienthal gibt es aber noch eine 2. Möglichkeit die Windrad- bzw. Flügel­aufschlagenergie wieder zu nutzen. Der Arbeitswider­stand bremst zunächst den fliegenden Ornithopter. Die dabei dem Modell entzogene Bewegungsenergie kann in einer Feder gespeichert werden. Diese ist so anzuordnen, dass sie beim Flügelaufschlag gespannt wird. Sie entspannt sich dann beim Abschlag und unterstützt dabei die Schlagbewegung, erzeugt so Schub und führt die Flügelaufschlagenergie der Modellbewegungsenergie wieder zu.

Eine 3. Möglichkeit zur Nutzung der Windradkraft ist die Beschleunigung der Flügelmasse in Aufschlagrichtung. Werden dann die Flügel in der oberen Flügelendlage durch eine Feder abgebremst und in Abschlagrichtung wieder beschleunigt, so erfolgt auch auf diese Weise eine Rückführung der Flügelaufschlagenergie. Die Flügelbeschleunigung muss dabei aber nicht nur auf den Anfangsbereich des Aufschlags beschränkt bleiben.

Beim Aufschlag ist ein mechanischer Antrieb des Schlagflügels in diesen Fällen nicht erforderlich. Der Flügel gibt ja sogar Energie an die genannten Federn ab. Überhaupt muss die Windradbewegung entgegen irgendeiner Kraft erfolgen, sonst kann sich an einem frei beweglichen Flügel kein Auftrieb entwickeln.

Die abgegebene Flügelaufschlagenergie ist normalerweise relativ klein.
Sie wird größer eingestellt, je strömungsgünstiger das Fluggerät gebaut ist.

Ein guter Weg zur Verringerung der Windradwirkung trotz kräftiger Auftriebserzeugung, ist das Hoch- oder Nachziehen des äußeren Flügelabschnitts beim Aufschlag des inneren Flügelabschnitts. Dabei wird der äußere Flügelabschnitt zum Winglet für den inneren Flügelabschnitt.

  • - Das hat vor allem eine halbierende Wirkung auf die wirksame
    Windradspannweite.
  • - Gleichzeitig reduziert es mit seinem Winglet-Effekt für den inneren
    Flügelabschnitt dessen induzierten Widerstand.
  • - Außerdem verringert es Probleme der Flügelmassenträgheit
    insbesondere im Bereich der oberen Flügelendlage.

Um beim Aufschlag einen beträchtlichen Auftrieb am inneren Flügelabschnitt zu ermöglichen, wird dieser mit großer Profilwölbung ausgestattet.


Bilderfolge einer Fotoserie
Langsamer und vergrößert
Dicht über der Wasseroberfläche ein Höckerschwan im Reiseflug.

Schwan im Reiseflug

Die Bilderserie wurde mir von Literatur-Symbol A. Piskorsch persönlich überreicht.

  • Die Flügelverwindung beim Abschlag ist verschwindend gering.

  • Damit auch beim Aufschlag genügend Auftrieb erzeugt werden kann, wird hier der Anstellwinkel nahe der Flügelwurzel vergrößert. Das beginnt schon vor dem Ende des Abschlags, erreicht das Maximum nahe der unteren Schlagendlage und endet etwa in der Mitte des Flügelaufschlags. Diese Anstellwinkeländerung nahe der Flügelwurzel ist ein Merkmal des Schlagflugs der Vögel. Sie vergrößert die zyklische Verlagerung der Auftriebsverteilung längs der Halbspannweite, ist aber nicht immer so ausgeprägt wie in dieser Flugsituation (nach dem Start ist hier offensichtlich die volle Reisefluggeschwindigkeit noch nicht erreicht).

  • Infolge der in Richtung Flügelwurzel ausgedehnten Auftriebsverlagerung vergrößert sich auch die Fläche des Schubstrahls bzw. der Schub. Mehr dazu finden Sie im Aufsatz Anordnungen der Flügelrandwirbel bei Schlagflügeln (Version 4.0, Kapitel 2, PDF 0,5 MB).

  • Beim Aufschlag bewegen sich Anstieg und Abfall des Einstellwinkels wie eine Welle von der Flügelwurzel zur Flügelspitze. Dadurch wechselt die Flügelverwindung während des Aufschlags die Richtung.

  • Durch den Druckunterschied von Ober- und Unterseite des inneren Flügelabschnitts hat der drehbare, äußere Flügelabschnitt schon während des Hochziehens das Bestreben nach oben zu schlagen. Er wird aber vermutlich durch den Abtrieb im Bereich der Flügelspitze daran gehindert.

  • Der vorauseilende, innere Flügelabschnitt wartet oben, bis auch der äußere Flügelabschnitt oben angekommen ist.

  • Nachdem der äußere Flügelabschnitt an seinem Lager hängend hochgezogen wurde, erfolgt auch seine Drehung in die obere Schlagendlage nur mit dem Auftrieb.


Resultiert beim Aufschlag insgesamt Auftrieb, so wirkt der Schlagflügel als aerodynamische Zweitakt-Maschine zwar ständig in Auftriebsrichtung, in Flugrichtung gesehen aber abwechselnd entgegengesetzt. Trotzdem wird mit Hilfe der Windradenergienutzung die gesamte Antriebsenergie für die Schuberzeugung nach vorne verwendet - natürlich mit den üblichen Verlusten von Profil- und induziertem Widerstand. Die fallen aber für die Auftriebserzeugung auch sonst immer an.

Trotz wechselnder Beschleunigungsrichtung soll die Fluggeschwindigkeit möglichst konstant gehalten werden. Eine hohe Schlagfrequenz und eine große Modellmasse sind dabei sicher von Vorteil.

Bei derartigen Reiseflugkonfigurationen des Aufschlags wird sein Auftrieb größer als im flachen Steigflug. Neben der Schuberzeugung kann also auch die Auftriebserzeugung beim Abschlag entlastet werden. Dessen Auftriebsverteilung wird dazu mehr zur Flügelwurzel verlagert und gleichzeitig kleiner eingestellt.

Optimale Auftriebsverteilungen für den Reiseflug
Diagramm 4
Auftriebsverteilungen für den Reiseflug mit nicht begrenzter Flügelspannweite.
Auch die Auftriebsverteilung des Aufschlags ist bezogen auf den induzierten Widerstand optimal.

Insgesamt werden also im Reiseflug die Auftriebsverteilungen der beiden Arbeitstakte an die des Gleitfluges angenähert. Man rückt sie näher ran, je strömungsgünstiger das Fluggerät gebaut ist. Es ist ja dann weniger Schub erforderlich. Außerdem wird so der induzierte Widerstand des Abschlags merklich kleiner.

Es genügt dann vielleicht sogar, den Auftrieb längs der Spannweite nur ein wenig zu verlagern, ohne seine Größe zu ändern - beim Aufschlag in Richtung Flügelwurzel und beim Abschlag in Richtung Flügelspitze. Dazu ist allerdings eine Verdrehung der Flügelwurzel erforderlich.

Bilderfolge von einem Super-8-Film
langsamer und vergrößert
Während des ganzen Abschlags und am Anfang des Aufschlags ist der Anstellwinkel in der Mitte der Halbspannweite groß.

Möwe im Reiseflug

aus einem 16 mm Film von Literatur-Symbol  A. Piskorsch

Der Vorteil des bei Auf- und Abschlag entgegengesetzt arbeitenden Schlagflügels liegt insbesondere in einer relativ gleichmäßigen Auftriebserzeugung. Die senkrechte Rumpfpendelbewegung verschwindet dabei im Horizontalflug fast völlig.

Insgesamt kann man mit nur nach vorne, also nicht nach oben gerichtetem Schub, einen sehr effektiven Reiseflug erzielen. Dabei ist die Schlagfrequenz deutlich niedriger als bei der folgenden Flugart.

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3.3 Steiler Steigflug und Schwebflug

Vorstehend wurden Flugsituationen beschrieben, bei denen der Auftrieb nach oben und der Schub nach vorne gerichtet sind. Das gesamte Fluggewicht wird dabei durch den Flügelauftrieb getragen. In Kurzform lässt sich dies als Fliegen mit dem Auftrieb bezeichnen.

Ähnlich wie bei einem Hubschrauber kann man aber auch beim Schlagflug die Gewichtskraft durch einen nach unten gerichteten Schubstrahl bzw. eine nach oben gerichtete Schubkraft ausgleichen. Dies ist das Fliegen mit dem Schub. Der Flügelaufschlag erfolgt dabei praktisch nur mit dem Antrieb. Zumindest im konstanten Flug steht die Schubkraft immer senkrecht zur Flügelschlagebene und kann mit deren Neigung entsprechend ausgerichtet werden.

Gesamtkräfte beim Anflug eines Vogels
Kleiner Vogel
im Anflug

Weist die Schubkraft genau in Flugrichtung, so liegt entweder das reine Fliegen mit dem Schub vor (senkrechter Steigflug) oder das reine Fliegen mit dem Auftrieb (Reiseflug). Bei Einstellungen zwischen diesen Extremen und bei nicht zu langsamer Horizontalbewegung, erfolgt der Ausgleich der Gewichtskraft sowohl durch Schub als auch durch direkt am Flügel erzeugten Auftrieb. Auch diese gemischten Konfigurationen werden hier dem Fliegen mit dem Schub zugeordnet.

Das Abheben eines Ornithopters aus dem Stand, ein Schweben auf der Stelle, der steile Steigflug und der langsame Horizontalflug sind nur nach der Methode Fliegen mit dem Schub möglich. Dagegen können mäßig schnelle Horizontalflüge mit beiden Flugarten durchgeführt werden - wenn auch mit recht unterschiedlichem Leistungsaufwand. Relativ schnelle Horizontalflüge bzw. der Reiseflug sind nur mit dem Fliegen mit dem Auftrieb zu erzielen.

In der Flugpraxis gilt insbesondere die Neigung der Schlagebene als Erkennungsmerkmal der Flugarten. Im Horizontalflug steht sie senkrecht zur Flugrichtung. Weicht sie deutlich davon ab (mehr als etwa 10 Grad), so liegt ein Fliegen mit dem Schub vor. Außerdem ist bei passiver Flügelverwindung eine große Aufschlagverwindung ein Indiz für diese Flugart - zumindest bei großen Reynoldszahlen. Auch ein relativ hoher Energieverbrauch im Verhältnis zur Horizontalgeschwindigkeit weist auf das Fliegen mit dem Schub hin.

Darüber hinaus sind bei Vögeln, wenigstens bei den größeren, beim Fliegen mit dem Schub die Beine nicht ganz nach hinten gestreckt und der Körper liegt noch nicht vollständig in Flugrichtung ( Literatur-Symbol R. Demoll 1930). In Veröffentlichungen der Vogelflugforschung wird allerdings nur selten auf die beiden ungleichen Horizontalflugarten hingewiesen. Der hohe Energieverbrauch im Langsamflug wird dort meist nur auf den dabei ansteigenden induzierten Widerstand zurückgeführt (siehe z. B. Externer Weblink 1).

Einer der ersten Ornithopter
A. Pénaud (1872)

Das Fliegen mit dem Schub kann man modellbautechnisch bereits seit den Anfängen der Luftfahrt realisieren. Im Horizontalflug großer und gewichtiger Ornithopter erfordert diese Flugart aber erheblich mehr Energie als das reine Fliegen mit dem Auftrieb.

Schon Otto Lilienthal hat bei Vögeln deutlich zwischen den zwei Kraftflugarten unterschieden und auf die große Flugarbeit beim Langsamflug hingewiesen.

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4. Wie Vögel fliegen

Auch Vögel wenden für die Vortrieb- bzw. Schuberzeugung die Auftriebsver­lagerung längs des Flügels an. Erich v. Holst hat das in folgendem Schema sehr anschaulich dargestellt. Darin wird die Lage des Zentrums der Auftriebsverteilung durch ein längs der Halbspannweite verschiebbares Flügelstück verkörpert.

Arbeitsweise der Auftriebs- und Schubkräfte
Grundprinzip der Auftriebs- und Schuberzeugung beim Vogelflug

Am oberen Umkehrpunkt wird es in Richtung Flügelspitze und am unteren Umkehrpunkt zur Flügelwurzel verschoben. Über eine ganze Schlagperiode gesehen kann so, unter Beibehaltung der Querkraft Q (bzw. des Auftriebs), der Schub S größer werden als der Rücktrieb R.

Mit diesem genialen Trick der Natur wird auch beim Aufschlag Auftrieb erzeugt und trotzdem eine Schuberzeugung ermöglicht.

Da Vögel strömungsgünstig geformt sind, genügt für den Reiseflug eine relative kleine Auftriebsverlagerung (siehe zum Beispiel die Lage der Druckpunkte im Diagramm 4, oben).

Biologische Schlagflügel dienen zwar als Vorbild, sind aber viel komplexer als technische Schlagflügel (siehe Literatur-Symbol Literatur über den Vogelflug).

Animation vom Vogelflug
Langsamer und vergrößert
oder die Animation in Farbe
Anders als bei kleinen Vögeln sind hier die Schwungfedern beim Auf- und beim Abschlag gespreizt.

Storch im Reiseflug

aus einem 16 mm Film von Literatur-Symbol A. Piskorsch

Die wesentlichen Bewegungskomponenten eines Vogelflügels neben der Vorwärtsbewegung sind:

  • Schlagbewegung um das Schultergelenk. Im Reiseflug liegt die Schlagachse etwa parallel zur Rumpfachse. Schlagwinkel, Schlagfrequenz und zeitlicher Ablauf bewegen sich in weiten Grenzen.
  • Hochziehen bzw. Nachziehen des äußeren Flügelabschnitts beim Aufschlag des inneren Flügelabschnitts. Je nach Vogelart und Flugsituation ist dies sehr unterschiedlich ausgeprägt.
  • Neigung der Flügelschlagebene. Sie wird durch die Neigung der Flügelschlagachse bestimmt. Vögel haben die Möglichkeit die Schlagachse gegenüber dem Rumpf und zusätzlich die Rumpfachse gegenüber der Flugrichtung vorne anzuheben.
  • Verwindung des Flügels. Sie steigt zur Flügelspitze hin an - beim Aufschlag meist in Richtung positiver und beim Abschlag in Richtung negativer Einstellwinkel.
  • Drehung der Flügelwurzel, insbesondere beim Fliegen mit dem Schub und meist in Richtung der Flügelverwindung. Im Reiseflug großer Vögel ist so etwas nur selten zu erkennen.
  • Pfeilung der Flügelfläche, insbesondere des äußeren Flügelabschnitts beim Aufschlag, mit der Bewegung der Flügelspitze nach hinten. In der Regel werden mehrere Pfeilungen innerhalb einer Halbspannweite gleichzeitig angewandt. Vor allem kleine Vögel setzen sie ein. Sie falten beim Aufschlag den Flügel teilweise oder auch ganz zusammen.

Die Schlagbewegung der Flügel ist zur Schuberzeugung zwingend erforderlich. Im Regelfalle gilt das auch aus aerodynamischen Gründen auch für die Flügel­verwindung. Die Drehung und Pfeilung des Flügels sowie das Hochziehen des äußeren Flügelabschnitts dienen dagegen wohl nur der Effizienzsteigerung. Über ihre Auswirkungen gibt es lediglich vage Vorstellungen.

Ob Vögel zur Nutzung der Flügelaufschlagenergie, neben der oben genannten ersten Möglichkeit auch noch andere anwenden und zum Beispiel ähnlich wie springende Kängurus federnde Bauelemente verwenden, ist hier nicht bekannt.

Alle vorstehenden Bewegungskomponenten werden beim Vogelflug kombiniert und darüber hinaus:

Foto von hinten auf einen Storch im Gleitflug
Staffelung der Schwungfedern eines Storches im Gleitflug
  • Flügelprofile verändert,
  • Vorflügeleffekte durch Abspreizen des Daumenfittichs genutzt,
  • die Schwungfedern an der Flügelspitze durch Auffächerung und Staffelung zur Verringerung des induzierten Widerstandes eingesetzt,
  • der Luftstrom durch wellenförmige und phasenverschobene Schlagbewegungen des inneren und äußeren Flügelabschnitts, sowie durch zusätzliche Biegung der Flügelspitzen nach außen gedrängt und so der induzierten Widerstand weiter verringert,
  • die Luftgrenzschichten an der Vorderkante, auf der Oberfläche und an der Hinterkante des Flügels beeinflusst ... und Vieles mehr.

Einen derartigen Vollkommenheitsgrad auch nur annähernd zu erreichen ist technisch noch lange Zeit unmöglich.

Auch in Beschreibungen des Vogelfluges wird die Funktion des Flügelabschlags meist mit der Wirkungsweise eines Propellers verglichen. Allerdings soll das bei den Vögeln nur für den äußeren Flügelbereich gelten. Außerdem ist man sich einig, dass beim Flügelabschlag der meiste Auftrieb entsteht. Diese Vorstellung entspricht näherungsweise der oben beschriebenen Theorie.

Bewegungen und Kräfte beim Schlagflug eines Vogels
Bewegungen eines Vogelflügels und die Veränderungen von Querkraft und Wider­stand während einer Schlagperiode an je einem Ort von Arm- und Handflügel
Senkrecht nach oben bzw. in Flugrichtung wirkende Anteile der resultieren­den Kraft bilden Auftrieb und Schub (siehe Diagramm: Anordnung der Kräfte). In der oberen und unteren Flügelendlage haben die Kräfte für einen kurzen Moment etwa die gleiche Größe wie im Gleitflug. Pendelbewegungen des Rumpfes infolge der Auftriebsschwankungen wurden vernachlässigt.

Anders sieht es dagegen beim Flügelaufschlag der Vögel aus. Zumindest für den Reiseflug wird er unterschiedlich und oft nur vage beschrieben. Um beim Aufschlag den zusätzlichen Widerstand zu vermeiden, wird meistens nur im rumpfnahen Flügelbereich Auftrieb gefordert. Der äußere Flügelbereich soll dagegen ohne nennenswerte Kraftentfaltung nach oben gezogen werden.

Kleine Vögel umgehen manchmal die Problematik des zusätzlichen Widerstandes. Sie verzichten dann beim Flügelaufschlag fast ganz auf den Auftrieb. Dazu falten sie in dieser Schlagrichtung die Flügel weitgehend zusammen. Fast immer wird der Auftrieb beim Aufschlag als klein gegenüber dem Flügelabschlag beschrieben.

Über die Ursache des bekannten, zusätzlichen Widerstandes bei einem Aufschlag mit Auftrieb (Windradenergie) werden nur sehr selten Aussagen gemacht. Auch
Literatur-Symbol Otto Lilienthal und Literatur-Symbol E. v. Holst erwähnen diesen Sachverhalt nur beiläufig.

Die für den Flügelaufschlag der Vögel angegebene Auftriebsverteilung - also in Rumpfnähe mit und im äußeren Flügelbereich ohne Auftrieb - ist infolge des dabei stattfindenden Luftdruckausgleichs längs der Spannweite kaum machbar. Außerdem widerspricht eine Auftriebsverteilung, bei der die Auftriebserzeugung mitten im Flügel endet, den Wirbelgesetzen (Wirbelsatz von Helmholtz). Vögel sind aber sicherlich in der Lage, beim Aufschlag die Auftriebserzeugung im äußeren Flügelbereich deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig können sie bei Bedarf die dort noch verbleibenden positiven und negativen Auftriebskräfte so einstellen, dass der mittlere Auftrieb des äußeren Flügelbereiches gleich Null wird. Das sieht dann etwa so aus wie in obigen Diagrammen (z. B. für den flachen Steigflug, Dia­gramm 2 oder den Reiseflug, Diagramm 4).

Weitere Details der Schlagflügeltheorie und ein Berechnungsverfahren nach der Streifenmethode, die schon Otto Lilienthal bei Schlagflügeln angewendet hat, sind im Handbuch zu finden.