Warum kann ein Flugzeug die Schwerkraft überwinden?

Die gängige Formulierung suggeriert einen Kampf zwischen zwei Kräften, und das lohnt sich zu korrigieren. Die Schwerkraft wirkt auf eine im Reiseflug befindliche Boeing 787 genauso wie auf dasselbe Flugzeug am Boden: Sein Gewicht sinkt in 11.000 Metern Höhe nicht um ein einziges Gramm. Was tatsächlich geschieht, ist, dass eine andere Kraft völlig anderen Ursprungs auftritt und sie ausgleicht. Wenn zwei entgegengesetzte Kräfte gleich groß sind, ist die resultierende Kraft null und der Körper behält seinen Bewegungszustand bei: Das ist Newtons erstes Gesetz, und mehr steckt nicht hinter dem Horizontalflug.

Das gleiche Prinzip erklärt, warum ein Tisch die Schwerkraft „besiegt", indem er ein Glas hält, oder warum ein Schiff nicht sinkt. Das Besondere am Flugzeug ist der Ursprung der ausgleichenden Kraft: keine feste Stütze und kein hydrostatischer Auftrieb, sondern die dynamische Wechselwirkung zwischen einer Fläche und einem relativ zu ihr bewegten Fluid.

Der Flügel lenkt bei seiner Vorwärtsbewegung eine beträchtliche Luftmasse nach unten ab. Nach Newtons drittem Gesetz reagiert die Luft, indem sie den Flügel mit gleicher Intensität nach oben drückt. Aus Sicht des Drucks betrachtet, beschleunigt die gekrümmte Strömung über der Oberseite und ihr Druck sinkt, während unter der Unterseite der Druck etwas höher ist; das Integral dieser Differenz über die gesamte Flügelfläche ist der Auftrieb. Das sind zwei Beschreibungen desselben Phänomens, nicht zwei unterschiedliche Ursachen.

Die Größe wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, mit der Flügelfläche, mit der Luftdichte und mit dem Anstellwinkel. Die einzige wirkliche Bedingung, um in der Luft zu bleiben, ist daher, eine ausreichende Luftströmung über den Flügel aufrechtzuerhalten. Triebwerke heben das Flugzeug nicht an – bei einem Verkehrsflugzeug liegt ihr Schub in der Größenordnung von 25 bis 30 % des Gewichts, weit unter dem, was nötig wäre, um es vertikal zu halten –, sie gleichen nur den aerodynamischen Widerstand aus, um die erforderliche Geschwindigkeit zu halten.

In der Luft zu bleiben hat seinen Preis. Die Erzeugung von Auftrieb verursacht induzierten Widerstand, die in den Randwirbeln an den Flügelspitzen verlorene Energie, und die Vorwärtsbewegung erzeugt parasitären Widerstand. Der Treibstoff wird vollständig verbrannt, um diesen Widerstand zu überwinden, nicht die Schwerkraft. Die Effizienz einer Konstruktion wird an ihrer Gleitzahl gemessen: etwa 17 bei einem modernen Verkehrsflugzeug, über 50 bei einem Wettbewerbssegelflugzeug und etwa 4 bei einem Überschalljäger.

Hier wird der Unterschied zwischen Ausgleichen und Besiegen deutlich. Ein Segelflugzeug hat kein Triebwerk und bleibt stundenlang in der Luft; es sinkt dabei nur sehr langsam relativ zur umgebenden Luft, während es aufsteigende Luftmassen sucht, die schneller steigen, als es selbst sinkt. Ein Hubschrauber erreicht dasselbe mit einem Flügel, der sich dreht, statt sich vorwärtszubewegen. Eine Rakete hingegen stellt sich der Schwerkraft tatsächlich direkt entgegen, denn außerhalb der Atmosphäre gibt es keine Luft, die abgelenkt werden könnte: Sie muss einen Schub erzeugen, der größer ist als ihr Gewicht, bezahlt mit einem unvergleichlich höheren Treibstoffverbrauch. Dieser Vergleich fasst den Vorteil des Flugzeugs zusammen: Die Nutzung eines externen Fluids erlaubt es, Tonnen mit einem Bruchteil der Energie zu tragen, die ein rein vertikaler Schub erfordern würde.