Wie entsteht ein Strömungsabriss beim Flugzeug?

Kein Triebwerksausfall: Was beim Stall wirklich abreißt

Viele denken bei „Strömungsabriss“ an ein Problem mit den Triebwerken: Sie setzen aus, und das Flugzeug fällt vom Himmel. Andere halten die Überziehgeschwindigkeit für eine feste Mindestgeschwindigkeit, unter der ein Flugzeug einfach herunterfällt. Beides ist verbreitet, und beides trifft nicht den Kern.

Was abreißt, ist die Luftströmung am Flügel. Wird der Flügel zu steil angeströmt, kann die Luft der Oberseite nicht mehr folgen, und der Auftrieb bricht ein. Piloten sagen dazu auch Überziehen oder kurz Stall. Die Triebwerke können dabei die ganze Zeit Vollgas geben. Im Modell eines A320 in 3.000 m Höhe mit 350 km/h braucht der Geradeausflug 43 kN Schub. Mit Vollgas sind es 143 kN, mehr als dreimal so viel. Zieht der Pilot den Anstellwinkel trotzdem auf 17°, reißt die Strömung ab, und das Flugzeug sinkt mit etwa 5 m/s, obwohl seine Nase steil nach oben zeigt.

Strömungsabriss abfangen: Nase runter zuerst

Weil der Winkel den Strömungsabriss auslöst, liegt auch die Lösung im Winkel. Der Pilot drückt die Nase nach unten und verkleinert so den Anstellwinkel, bis die Strömung wieder anliegt. Erst danach bringt er die Flügel in die Waagerechte und gibt Schub, um Fahrt aufzunehmen und wieder zu steigen. Diese Reihenfolge lernen Piloten in der Ausbildung, so steht sie auch im Airplane Flying Handbook der US-Luftfahrtbehörde FAA.

Der Instinkt sagt das Gegenteil. Ein Flugzeug, das mit erhobener Nase sinkt, scheint noch mehr Nase hoch zu brauchen, doch Ziehen hält den Flügel nur jenseits seiner Grenze. Im Modell bleibt ein überzogener A320 in der 45°-Kurve im Strömungsabriss, solange der Winkel gehalten wird, selbst wenn er dabei schneller wird. Wird der Anstellwinkel auf etwa 12° zurückgenommen oder werden die Flügel gerade gerollt, trägt der Flügel wieder. In Wirklichkeit ist ein Stall oft unruhiger als im Modell: Häufig reißt die Strömung an einer Fläche zuerst ab, das Flugzeug kippt zu dieser Seite, und bei kleinen Flugzeugen kann daraus ein Trudeln werden. Das zeigt das Modell nicht.

So kündigt sich ein Strömungsabriss an

Ein Flügel warnt meist, bevor die Strömung ganz abreißt. Sobald sie sich zu lösen beginnt, schütteln die Wirbel Flügel und Leitwerk durch, Piloten nennen das Buffeting. Die Ruder werden weich, und das Flugzeug sinkt, obwohl die Nase oben ist. Dazu haben fast alle Flugzeuge eine Überziehwarnung, ausgelöst von einem Sensor für den Anstellwinkel oder einer kleinen Klappe an der Flügelvorderkante: ein Warnton oder eine Stimme, die „Stall“ ruft.

Viele Jets, etwa die Boeing 737, haben zusätzlich einen Stick Shaker, der kurz vor dem Strömungsabriss die Steuersäule rüttelt (SKYbrary: Stall Warning Systems). Airbus-Flugzeuge wie der A320 lösen das anders: Ihre Flugsteuerung begrenzt im Normalbetrieb den Anstellwinkel, und gewarnt wird mit einer Stimme, die „Stall“ ruft.

Was die Überziehgeschwindigkeit verändert

Ein schwereres Flugzeug braucht mehr Auftrieb und erreicht den kritischen Winkel deshalb schon bei höherem Tempo. Im Modell liegt die Überziehgeschwindigkeit des A320 in 3.000 m Höhe bei 276 km/h mit 50 Tonnen, 312 km/h mit 64 Tonnen und 344 km/h mit dem Höchstgewicht von 78 Tonnen. Landeklappen und Vorflügel wirken umgekehrt: Sie wölben und vergrößern den Flügel und lassen größere Winkel zu. Auf Meereshöhe mit 64 Tonnen sinkt die Überziehgeschwindigkeit von 269 km/h mit eingefahrenen Klappen auf 193 km/h mit voll ausgefahrenen. Deshalb fahren sie für Start und Landung aus.

Mit der Höhe steigt die wahre Überziehgeschwindigkeit, also das Tempo gegenüber der Luft, weil dünnere Luft beim selben Tempo weniger trägt: 269 km/h auf Meereshöhe, 312 km/h in 3.000 m und rund 550 km/h in 11 km Höhe, wo der A320 mit etwa 830 km/h fliegt. Der Fahrtmesser im Cockpit misst dagegen, wie stark die Luft anströmt, und zeigt deshalb in jeder Höhe ungefähr dieselbe Überziehgeschwindigkeit an. Nahe der Schallgeschwindigkeit schrumpft zudem der größte Auftrieb, den der Flügel liefern kann, im Modell liegt der kritische Winkel im Reiseflug nur bei 7,4°. Eis auf dem Flügel verdirbt seine Form und kann die Strömung schon bei kleinerem Winkel und höherem Tempo abreißen lassen. Vereisung bildet das Modell nicht ab.

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