Warum krümmen sich Flugzeugflügel an den Spitzen nach oben?

Ein Flügel erzeugt Auftrieb, weil der Druck unter ihm höher ist als darüber. Entlang des gesamten Flügels, außer genau an der Spitze, bleibt dieser Unterschied geordnet; aber an der Spitze findet die Luft eine Abkürzung und wirbelt von der Unterseite zur Oberseite herum. Das Ergebnis ist ein kegelförmiger Wirbel, der sich von jeder Spitze löst und sich über Kilometer hinter dem Flugzeug erstreckt. Diese Wirbel sind der Grund für den vorgeschriebenen Mindestabstand zwischen Flugzeugen im Anflug, und an feuchten Tagen sind sie die beiden weißen Streifen, die beim Start von den Flügelspitzen abziehen.

Für das Flugzeug ist dieser Wirbel verbranntes Geld. Indem er eine nach unten gerichtete Komponente in die den Flügel erreichende Strömung einbringt, kippt er den Auftriebsvektor nach hinten und erzeugt induzierten Widerstand, der im Reiseflug etwa ein Drittel des Gesamtwiderstands ausmacht und bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Gewicht stark zunimmt. Die gesamte Energie, die diese Wirbel speist, stammt aus dem Treibstoff.

Eine Flügelspitzenvorrichtung wirkt als aerodynamische Barriere, die es der Luft erschwert, sich herumzuwirbeln, und drängt den Wirbelkern nach außen und oben, wodurch er sich auflöst. Die vertikale Fläche arbeitet auch in der bereits umgelenkten Strömung und erzeugt eine eigene Kraft mit einer nach vorne gerichteten Komponente: buchstäblich ein kleiner Schub.

Die moderne Idee wird Richard Whitcomb am Langley-Zentrum der NASA zugeschrieben, der in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre die Studien veröffentlichte, die Flügelspitzenflossen in eine für Verkehrsflugzeuge anwendbare Technologie verwandelten. Seitdem haben sich Varianten vervielfacht: die geteilten Auf- und Ab-Flossen der McDonnell Douglas MD-11, die klassischen abgewinkelten Winglets der Boeing 747-400, die durchgehend gekrümmten Blended Winglets vieler Boeing 737, die Sharklets von Airbus, die geteilten Split-Scimitar-Doppelflossen oder die faltbaren gekrümmten Spitzen der Boeing 777X, die am Boden eingeklappt werden, damit das Flugzeug in die bestehenden Abmessungen der Gates passt.

Ein Winglet ist nicht kostenlos: Es erhöht das Gewicht, vergrößert die umströmte Fläche (und damit den parasitären Widerstand) und belastet die Flügelstruktur stärker, was manchmal einen verstärkten Hauptspant erfordert. Deshalb hängt sein Nutzen von der Mission ab. Auf langen Strecken, wo der induzierte Widerstand über Stunden stark ins Gewicht fällt, geben Hersteller typischerweise Treibstoffeinsparungen von 3 % bis 5 % an. Bei Betrieb mit sehr kurzen Strecken, mit mehr Zeit im Steigflug und weniger im Reiseflug, ist die Bilanz enger.

Es gibt eine ebenso gültige Alternative: den Flügel einfach verlängern. Aerodynamisch ist das sogar effizienter, da der entscheidende Parameter das Streckenverhältnis (Aspect Ratio) ist. Das Problem ist praktisch: Die Flügelspannweite ist durch die Gate- und Rollweg-Kategorien der Flughäfen begrenzt. Das Winglet ist im Grunde eine Möglichkeit, effektives Streckenverhältnis zu gewinnen, indem man nach oben wächst, wenn man nicht seitlich wachsen kann; der Klappflügel der 777X ist die entgegengesetzte Antwort auf dasselbe Problem.

Nicht jedes Flugzeug hat sie. Die Boeing 787 und der Airbus A350 verwenden Flügel mit hohem Streckenverhältnis und scharfen, durchgehend nach oben gekrümmten Spitzen, die von Anfang an in das Design integriert sind, was eine zusätzliche Flosse unnötig macht.