Setzen Sie sich in einem Fensterplatz über dem Flügel eines modernen Verkehrsflugzeugs hin, und Sie werden es sehen: Die Flügelspitze endet nicht in einer klaren Spitze, sondern krümmt sich scharf nach oben zu einer Art Finne. Es mag wie ein kleines Designelement wirken. Ist es aber nicht. Diese nach oben gebogene Spitze ist eines der wertvollsten aerodynamischen Elemente in der Geschichte der kommerziellen Luftfahrt.

Zwei amerikanische Unternehmen, die diese Vorrichtungen nachrüsten und dabei auf einem bei der NASA entwickelten Design basieren, geben an, dass allein ihre Winglets Fluggesellschaften und Betreibern von Geschäftsreiseflugzeugen bereits mehr als … eingespart haben. 10 Milliarden Gallonen Kerosin – und verhinderte so den Ausstoß von über 100 Millionen Tonnen CO₂ aus der Atmosphäre. Pro Flug beträgt die Einsparung nur wenige Prozent. Hochgerechnet auf Zehntausende von Flugzeugen und Millionen von Starts pro Jahr ergibt das eine Zahl mit zehn Nullen.

Und das lässt sich auf einen eigensinnigen, arbeitswütigen Ingenieur bei der NASA in Langley zurückführen, der die Form des Flugzeugs bereits zweimal verändert hatte, bevor er sich überhaupt die Flügelspitze eines Vogels ansah.

Der unsichtbare Strudel am Ende jedes Flügels

Um das Winglet zu verstehen, muss man zunächst das Problem verstehen, das es löst – und dieses Problem ist in das Bauteil selbst eingebaut, das ein Flugzeug in der Luft hält.

Ein Flügel erzeugt Auftrieb durch einen Druckunterschied: niedrigerer Druck oben, höherer Druck unten. Das ist das Prinzip des Fliegens. Doch die Natur verträgt Druckunterschiede nicht, und an der Flügelspitze – wo die Luft mit hohem Druck unten und die Luft mit niedrigem Druck oben abrupt aufeinandertreffen – strömt die Luft mit hohem Druck um die Spitze herum und krümmt sich nach oben und über die Seite mit dem niedrigeren Druck.

Das Ergebnis ist eine kraftvolle, sich verengende Luftspirale, die von jeder Flügelspitze ausgeht: eine Flügelspitzenwirbel. Sie haben sicher schon einmal einen solchen Wirbel beobachtet, der an einem schwülen Tag durch Kondensation sichtbar wird und wie ein geisterhaftes Seil von der Tragfläche eines Flugzeugs herabfließt. Diese Wirbel sind so heftig, dass die Flugsicherung die Flugzeuge im Anflug im Abstand von Minuten einteilt, damit ein kleines Flugzeug nicht von der Wirbelströmung eines großen umgeworfen wird.

Dieser Wirbel ist nicht frei. Er lenkt die lokale Luftströmung hinter dem Flügel nach unten – Ingenieure nennen dies “Abwind” –, was wiederum die Auftriebskraft des Flügels leicht nach hinten lenkt. Diese nach hinten gerichtete Auftriebskomponente ist reiner Widerstand. induzierter Widerstand, oder “Widerstand aufgrund des Auftriebs”, und bei einem großen Jet im Reiseflug kann er einen großen Teil des gesamten Widerstands ausmachen, den die Triebwerke überwinden müssen.

Das Dilemma des Ingenieurs lässt sich also in einem Satz zusammenfassen: Der Auftrieb, der das Flugzeug in der Luft hält, verliert an den Flügelspitzen gleichzeitig Energie in Form eines Strudels. Unterbindet man diesen Strudel, gewinnt man einen Teil dieser Energie zurück.

Der Mann, der das Flugzeug umgestaltete – dreimal

Richard Whitcomb hatte nicht die Absicht, der bedeutendste Aerodynamiker seiner Generation zu werden. Er wuchs in Worcester, Massachusetts, auf, bastelte mit Balsaholzmodellen aus Gummibändern, las in einer Zeitschrift über den Vorläufer der NASA – das NACA Langley Laboratory – und beschloss, dorthin zu gehen, noch bevor ihm jemand eine Stelle angeboten hatte. Er kam 1943 an und, wie er selbst scherzhaft erzählte, bewegte seinen Schreibtisch während seiner gesamten Karriere nie weiter als 15 Meter.

Aus diesem einen Gebäude entstanden drei Ideen, die heute in fast jedem jemals gebauten Schnellflugzeug Anwendung finden. 1952 entwickelte er die Flächenregel – die “Colaflaschen”-förmige Rumpfverformung, die es Flugzeugen ermöglicht, die Schallmauer zu durchbrechen – eine Erkenntnis, die ihm 1954 die Collier Trophy einbrachte. Sein Kollege, der legendäre Adolf Busemann, fasste Whitcombs Talent, die physikalischen Grundlagen direkt zu erklären, treffend zusammen.

Dieser Unterschied – ein präzise geformter kleiner Flügel, keine Endplatte – ist der entscheidende Grund, warum Winglets dort funktionieren, wo jahrzehntelange Versuche mit Zäunen versagt haben. Indem sie die Tendenz der Luft, um die Flügelspitze herumzuströmen, sanft blockieren und die austretende Luft umlenken, verkleinert ein gutes Winglet den Wirbel und gewinnt einen Teil der Energie zurück, die sonst verloren ginge. Weniger induzierter Widerstand bedeutet weniger benötigten Schub und somit weniger Treibstoffverbrauch für dieselbe Strecke.

Der untenstehende Clip erklärt die physikalischen Zusammenhänge – warum sich der Wirbel bildet und wie genau ein Flügelchen den Luftwiderstand verringert – mit einer so klaren Animation, dass der “Aha”-Effekt sofort eintritt.

Den Beweis auf einem geliehenen Tanker erbringen

Eine Idee, die im Windkanal funktioniert, muss sich erst noch in der realen Luft bewähren. Um die Winglets zu testen, lieh sich die NASA eine KC-135 Stratotanker – Kennzeichen 55-3129 – von der US Air Force, rüstete sie mit Whitcombs Winglets aus und testete sie 1979 und 1980 vom Dryden Flight Research Center (heute NASA Armstrong) aus.

Die Ergebnisse übertrafen die Erwartungen vieler. Bei Dutzenden von Forschungsflügen zeigte das mit Winglets ausgestattete Tankflugzeug eine Reduzierung des Luftwiderstands im Reiseflug um etwa 6 bis 7 Prozent, mit einem vergleichbaren Reichweitengewinn. Windkanalversuche hatten bereits angedeutet, dass die Geräte beim Abschwächen der Wirbel einen geringen Vorwärtsschub erzeugten; die Flugtests bestätigten diese Andeutung und lieferten verlässliche Daten für die gesamte Branche.

Whitcomb ging 1980 bei der NASA in den Ruhestand, genau zu dem Zeitpunkt, als seine dritte bahnbrechende Idee im Flugbetrieb erprobt wurde. Er blieb unverheiratet, arbeitete weiterhin als Berater und starb 2009 im Alter von 88 Jahren in Newport News, Virginia – zu diesem Zeitpunkt sparten seine drei Erfindungen der Luftfahrtindustrie jährlich Milliarden von Dollar, größtenteils ohne dass die Passagiere seinen Namen kannten.

Von der Forschungsneugier zur nahezu universellen

Winglets blieben eine Zeit lang ein Nischenprodukt. Der Learjet 28 war Ende der 1970er-Jahre eines der ersten Serienflugzeuge mit Winglets. Boeing kündigte Mitte der 1980er-Jahre Winglets für die 747-400 an; der Flugzeugtyp wurde Ende des Jahrzehnts in Dienst gestellt und war das erste Großraumflugzeug mit Winglets. Ende der 1990er-Jahre begann dann die Firma Aviation Partners mit dem Verkauf eleganter Winglets. verschmolzene Flügel — die gebogene, nahtlose Variante — als Nachrüstung, angefangen mit Boeing Business Jets und dann der äußerst beliebten 737. Plötzlich konnte jede Fluggesellschaft ein paar Prozent ihrer Treibstoffkosten einsparen.

Die Schleusen öffneten sich. Airbus entwickelte eine eigene Version – vermarktet als die Haifisch — für die A320-Familie und übertrugen das Konzept auf die A330neo, A350 und darüber hinaus. Boeing und Aviation Partners gingen mit der gespaltener Krummsäbel, Diese Variante fügt unterhalb des vorhandenen Winglets eine nach unten gerichtete Finne hinzu, um einen kleinen zusätzlichen Vorteil zu erzielen. Andere Konstrukteure verzichteten gänzlich auf die Seitenflosse und bevorzugten stattdessen lange, sanft geschwungene Flügel. nach hinten geneigte Flügelspitzen, wie man es bei den Flugzeugen 777 und 787 sieht.

Die Formen unterscheiden sich, aber das Ziel ist dasselbe: Die Tragfläche soll sich so verhalten, als wäre sie länger und effizienter, ohne das Gewicht und die damit verbundenen Probleme am Gate. Eine typische Nachrüstung senkt den Treibstoffverbrauch um etwa 4 bis 6 Prozent – ein geringer Unterschied bei einem einzelnen Flug, aber ein entscheidender Faktor für eine Flotte, die jahrzehntelang täglich im Einsatz ist.

Wenn Sie also das nächste Mal diese nach oben gebogene Flügelspitze durch die Wolken schneiden sehen, denken Sie daran, was Sie da vor sich haben: kein Designelement, sondern ein stiller, jahrzehntelanger Sieg über einen unsichtbaren Strudel – erdacht von einem Vogelforscher und erprobt an einem geliehenen Tankflugzeug der Luftwaffe. Das Winglet ist womöglich der profitabelste kleine Flügel, der je gebaut wurde.

Quellen: NASA Langley (Biografie von Richard T. Whitcomb); Flugtestprotokolle der KC-135 Winglets von NASA Spinoff und NASA Armstrong; Aviation Partners; Boeing und Airbus; Wikipedia.