Warum haben Überschallflugzeuge gepfeilte Flügel?

Wenn sich ein Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, beschleunigt die Luft über dem dicksten Teil des Flügels über Mach 1 hinaus, obwohl das Flugzeug selbst noch im Unterschallbereich fliegt. Stoßwellen bilden sich, die Grenzschicht löst sich dahinter ab, und der Widerstand steigt steil an: Das ist der transsonische Widerstandsanstieg, der bei einem geraden, dicken Flügel ab etwa Mach 0,75 auftritt. Oberhalb von Mach 1 kommt eine zweite Belastung hinzu, der Wellenwiderstand – die Energie, die von den Stoßwellen abgeführt wird, welche die gesamte Flugzeugzelle mit sich schleppt.

Pfeilung funktioniert, weil für das Druckfeld über dem Flügelprofil nur die Komponente der Luftströmung senkrecht zur Vorderkante zählt. Die Strömung parallel zur Vorderkante gleitet einfach entlang der Spannweite und bewirkt aerodynamisch nichts. Ein um 45 Grad gepfeilter Flügel verhält sich bei Mach 0,9 daher so, als läge die Luftströmung bei etwa Mach 0,64, und seine kritische Machzahl steigt entsprechend. Das wurde in Deutschland in den 1930er-Jahren durch die Arbeiten von Adolf Busemann und Albert Betz verstanden, und die erbeuteten Forschungsergebnisse prägten die F-86, die B-47 und seither jedes Düsenlinienflugzeug.

Bei Überschallgeschwindigkeit nimmt dieselbe Idee eine andere Form an. Die Nase erzeugt einen Mach-Kegel, dessen halber Öffnungswinkel mit zunehmender Geschwindigkeit kleiner wird. Liegt die Flügelvorderkante innerhalb dieses Kegels, ist die Luft, auf die sie trifft, in der relevanten Richtung noch im Unterschallbereich, die Vorderkante kann abgerundet sein, und der Wellenwiderstand bleibt moderat. Deshalb war der ogivale Deltaflügel der Concorde an der Wurzel so scharf gepfeilt, und deshalb verwenden Mach-2-Jäger Deltaflügel oder Pfeilungswinkel über 50 Grad. Dünne Profile und eine gleichmäßige Querschnittsflächenverteilung, die Flächenregel, verringern den Wellenwiderstand zusätzlich.

Ein gepfeilter Flügel erzeugt bei niedriger Geschwindigkeit weniger Auftrieb, strömt an den Flügelspitzen zuerst ab, was die Nase nach oben kippt, und ist bei gleicher Spannweite schwerer und flexibler. Die Landegeschwindigkeiten steigen, und das Flugverhalten bei niedriger Geschwindigkeit verschlechtert sich. Entwickler reagieren mit Vorderkantenklappen, komplexen Landeklappen oder einer veränderlichen Pfeilung selbst: F-111, F-14, Tornado und B-1 schwenken ihre Flügel für Start und Landung nach vorn und für den Schnellflug nach hinten. Der Kompromiss ist immer derselbe: Pfeilung erkauft Geschwindigkeit um den Preis der Flugleistung im unteren Bereich.

Einige Überschalltypen, insbesondere die F-104 und zuvor die Bell X-1, verwendeten stattdessen sehr dünne gerade Flügel. Ein genügend dünner Flügel hält den Wellenwiderstand auch ohne Pfeilung in Grenzen, um den Preis eines schlechten Auftriebs bei niedriger Geschwindigkeit und rasiermesserscharfer Vorderkanten. Moderne Entwürfe kombinieren beides: moderate Pfeilung, dünne Profile und sorgfältige Flächenregel-Gestaltung, abgestimmt auf den Geschwindigkeitsbereich, den das Flugzeug tatsächlich nutzen wird.