Die Geschichte der Luftfahrt begann mit Ideen von Geräten, die den Vogelflug nachahmten. Man scheiterte. Dann kamen die Ballone und Zeppeline, also nach dem Prinzip Leichter als Luft, und es dauerte noch eine Zeit lang, bis man wieder – und diesmal endgültig, auf Geräte schwerer als Luft zurückkam. Benzinmotor und Propeller in dem Flyer der Gebrüder Wright haben im Jahr 1903 die neue Ära eingeläutet. Das Prinzip des Flugzeugs mit fester Tragfläche und Antrieb durch einen Verbrennungsmotor und Propeller ist bis heute, trotz aller Verkehrs- und Militärflugzeuge mit Strahlantrieb, das immer noch am meisten verbreitete.
Auftrieb und die Dinge, auf die es ankommt
Der Auftrieb ist die Kraft, die ein Fluggerät trägt. Wenn man seine Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos ausstreckt, merkt man, je nach Stellung der Handfläche, wie diese stark nach oben gehoben oder nach unten gedrückt wird. Das ist, was ganz vereinfacht ausgedrückt auch Flugzeuge in der Luft hält. Solange sie sich schnell genug bewegen, können sie gar nicht „runterfallen“, die Luft trägt sie genauso sicher wie das Wasser ein Boot. Je höher die Geschwindigkeit, desto stärker die Auftriebskraft des Flügels. Schnelle Militärjets wiegen viele Tonnen und kommen dennoch mit ganz kleinen Tragflügeln aus. Der Motor hält das Flugzeug nicht in der Luft. Er hat die Aufgabe, es schnell genug zu machen, damit der Flügel es trägt. Bei einem Segelflugzeug ist die geneigte Bahn sein „Motor“, es fliegt sozusagen bergab. Die Größe des Auftriebs hängt von der Flügelgröße, der Fluggeschwindigkeit, dem Profil und dem Anstellwinkel des Flügels ab. Alle diese Größen gehören zusammen – ändert man die eine, hat es Auswirkung auf die anderen.
Je größer ein Flügel ist, desto mehr Auftrieb kann er erzeugen. Bei einem Schiffssegel ist es ähnlich: Je größer es ist, desto größer auch die von ihm erzeugte Kraft. Die Fluggeschwindigkeit erhöht den Auftrieb. Auch hier kann man das Segel zum Vergleich nehmen, das im starken Wind das Schiff kräftiger vorwärts treibt. Je schneller ein Flugzeug fliegt und sein Flügel durch die Luft bewegt wird, desto höher wird der von ihm erzeugte Auftrieb sein. Mit einem kleineren, schnell fliegenden Flügel können wir den gleichen Auftrieb erzeugen wie mit einem großen, aber langsam fliegenden.
Flügel mit Profil
Das Profil eines Tragflügels hat fast immer eine nach oben gewölbte Form, weil sie dann einen Auftrieb erzeugt. Die Vorgänge sind sehr kompliziert und nur durch mathematische Modelle einigermaßen korrekt zu beschreiben. Machen wir es uns also einfacher, auch wenn es nicht ganz richtig sein wird. Der Flügel bewegt sich durch die Luft, wird also umströmt. An seiner Vorderkante muss sich die Strömung teilen. Bei Gasen gilt: Die Teilchen streben immer danach, den Raum gleichmäßig zu füllen. Und der Abstand der Teilchen ist gleich Druck. Größere Abstände der Gasmoleküle gleich weniger Druck. Die Teilchen oben müssen sich beeilen, damit sie sich nach dem Passieren des Flügels mit den unteren wieder vereinigen können, weil sonst dahinter wieder Druckunterschiede entstehen würden. Auf der Flügeloberseite müssen die Luftteilchen also eine größere Strecke bewältigen als unten. Oben müssen sie sich auf der längeren Strecke verteilen, deren Abstände werden größer, der Druck folglich geringer als unten. Die Druckdifferenzen auf der Flügelober- und seiner Unterseite sind der Auftrieb. Es sind immer Drücke, die wirken. Wie schon angemerkt, ist diese Beschreibung wirklich grob vereinfacht, ein Aerodynamiker dürfte damit kaum einverstanden sein. Halten wir also fest: Der Auftrieb ist die Folge der Druckverteilung über dem Flügel und um ihn herum.
Für jedes Flugzeug versuchen die Konstrukteure ein optimales Profil zu entwerfen. Es soll wenig Widerstand erzeugen (= geringer Kraftstoffverbrauch), viel Auftrieb (= mehr Zuladung) besitzen, aus einer möglichst kleinen Flügelfläche (= weniger Widerstand) viel herausholen und ein großes Geschwindigkeitsspektrum haben (langsam = Start und Landung, schnell = Reiseflug).
Schräge Sache: der Anstellwinkel
Der Anstellwinkel beschreibt die Schrägstellung des Profils in der Strömung. Je höher angestellt der Flügel ist, desto mehr Auftrieb erzeugt er. Weil aber dabei gleichzeitig der Widerstand wächst, kann man das Spiel nicht unendlich treiben – irgendwann bremst der Widerstand so stark, dass es gar nicht mehr vorwärts geht. Die Strömung am Flügel bricht zusammen. Merke: Mehr Flügelfläche, höhere Geschwindigkeit, mehr Anstellwinkel bringt mehr Auftrieb. Gleichzeitig verursachen sie dabei auch einen Anstieg des Luftwiderstands.
Glatte, stromlinienförmige Oberflächengestaltung des Flugzeugs, kleine Querschnitte von Rumpf und nichttragenden Teilen, ein optimales Flügelprofil und eine möglichst große Spannweite sind die Mittel, mit denen man den Widerstand reduzieren kann. Es bleibt immer noch genug davon, auch beim besten Flugzeug.