Pimp den Spoiler

Moderne Wettbewerbsgurtzeuge weisen immer ausgefeilter profilierte Heckflossen auf. Vor allem im Schnellflug bringt das große aerodynamische Vorteile.
Strömungssimulation an einem Gurtzeug mit vergrößertem Heckbürzel. // Quelle: Bach Le Hoang

Viele Piloten gehen noch von der (falschen) Annahme aus, dass eine nach vorne gestreckte Beinverkleidung den Luftwiderstand eines Gurtzeuges wesentlich verringert. Doch dem ist nicht so. Egal ob Sitz- oder Liegegurtzeug: Stets wird sich der Luftstrom vor dem Piloten irgendwie stauen und muss dann um dieses Hindernis herum gelenkt werden. Die Menge der gestauten Luft hängt hauptsächlich von der Stirnfläche ab, die ein Pilot samt Gurtzeug dem Fahrtwind bietet. Und da moderne Liegegurtzeuge (konträr zu ihrem Namen) heute in ähnlich aufrechter Sitzposition geflogen werden wie offene Gurtzeuge, gibt es da kaum Unterschiede.

Das neue Sol CX Max mit wuchtiger Heckflosse. // Quelle: Sol
Viel entscheidender für die Aerodynamik ist das, was sich im Rücken des Piloten abspielt. Dort muss die umfließende Luft wieder, von allen Seiten kommend, zusammentreffen. Dabei entstehen Wirbel und Turbulenzen. Je stärker die Wirbel und Turbulenzen sind, desto größer wird der induzierte Widerstand des Gurtzeugs. Die Wirbel wirken wie ein Sog, der den Piloten zurückhält und damit auch die Gleitleistung schmälert. Besonders ausgeprägt ist das im Schnellflug, da der Widerstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst.

Als Abhilfe haben verschiedene Gurtzeughersteller schon vor einigen Jahren damit begonnen, zumindest ihre Wettbewerbsgurtzeuge mit mehr oder weniger ausladenden Heckflossen auszustatten. Sie sollen den umfließenden Luftmassen gewissermaßen geordnete Bahnen vorgeben, auf denen sie wieder zusammenfließen, ohne allzu stark zu verwirbeln.


Länge läuft

Was mit kleinen Heck-Bürzeln begann, hat sich mittlerweile zu weit ausladenden, staudruck-gefüllten Konstruktionen mit etlichen, eingenähten Profilrippen weiterentwickelt. Fast hat man den Eindruck, als wäre ein Wettbewerb á la "wer hat das größte/längste Heck" ausgebrochen. Sol beispielsweise hat seinem erst kürzlich präsentierten Gurtzeug-Modell CX Max eine Flosse spendiert, die nach hinten fast soweit auskragt wie der Beinsack nach vorn.

Advance Impress 4: Schlank wie ein Ruder-Rennboot.
// Quelle: Advance
Es ist, als folgten die Konstrukteure hier Erkenntnissen wie beim Bau schneller Ruder-Rennboote (Anm.: der physikalische Zusammenhang von Wellenlängen und Rumpfform im Wasser ist allerdings ein anderer). Länge läuft, heißt es da. Ein langer und zugleich schmaler Rumpf wird widerstandsärmer durchs Wasser bzw. die Luft gleiten. Auch bei der Konstruktion des neuen Impress 4 von Advance etwa scheint dieser Gedanke Pate gestanden zu haben. In der Draufsicht offenbart es ein besonders schlankes Profil.

In Zukunft ist zu erwarten, dass die aerodynamische Optimierung der Renn-Gurtzeuge noch weiter geht. Heute spielen die Schirme in der CCC-Klasse leistungsmäßig alle in einer sehr ähnlichen Liga – auch weil es immer schwerer wird, sie aerodynamisch noch weiter zu verfeinern (zumal schon kleine Abweichungen von der idealen Leinen-Trimmung den Fortschritt schnell zunichte machen). Auf der Suche nach einem möglichen Vorteil rücken die Gurtzeuge in den Fokus. Gerade im Schnellflug ließe sich mit einer besser profilierten Heckflosse viel leichter das eine oder andere Zehntel bei der Gleitzahl herausholen, was dann im Vollgas-Endanflug den vielleicht entscheidenden Unterschied ausmacht.


Heckflossen-Tuning

Wohin die Reise gehen könnte, zeigt der vietnamesische PWC-Pilot Bach Le Hoang. Er hat damit begonnen, für verschiedene, bestehende Wettbewerbsgurtzeuge neue, verbesserte Heckspoiler zu entwerfen, wie er auf seiner Facebook-Seite schreibt. Dabei arbeitet er mit 3D-CAD-Programmen und Strömungssimulationen im Rechner.

Nicht nur die Länge, auch die Form der Heckflosse hat Einfluss
auf den Strömungswiderstand. Im unteren Beispiel fließt die
Luft hinterm Heck langsamer – wegen stärker bremsender Wirbel.
// Quelle: Bach Le Hoang
Seine Berechnungen zeigen: Länge bringt tatsächlich Vorteile. Beim Schnellflug mit 60 km/h ließe sich mit einem nur etwas längeren Spoiler der Widerstand eines Gurtzeuges um mehr als 10 Prozent gegenüber der Standardversion reduzieren.

Allerdings ist nicht nur die Länge entscheidend. Auch die Form der Kiel-Linie, das Aufragen des Spoilers hinter dem Kopf des Piloten sowie die Dicke des Profils der Flosse im Verhältnis zum "Vorbau" des Gurtzeuges spielen eine wichtige Rolle. Selbst die Neigung eines Gurtzeuges im Verhältnis zum Flugpfad hat Einfluss darauf, welche Heckflossenform zu bevorzugen wäre.

Gurtzeugbau wird damit zur Wissenschaft. Vielleicht ist es in einigen Jahren soweit, dass Wettbewerbspiloten sich die Heckbürzel ihrer Gurtzeuge von Tuning-Schmieden auf ihren persönlichen Flugstil und ihre Körpermaße hin optimieren lassen. Bach Le Hoang hat sich für sein Gurtzeug (Exoceat von Ozone) schon einen Spoiler in gepimpter Fassung selbst genäht.


[Korrekturhinweis vom 20.5.: Ich habe den Absatz mit dem Vergleich zu den Renn-Ruderbooten leicht umgeschrieben. Denn die Strömungsverhältnisse in der Luft um ein Gurtzeug sind nicht direkt mit der Umströmung eines Bootes im Wasser vergleichbar. Danke für Hinweis an Hans Peter Krüsi.]



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21 Kommentare:

Jörg Nuber, St. Johann hat gesagt…

Kleine Ergänzung:

Lucians Text beschreibt sogar nur den einen großen Vorteil der Riesen-Flossen. Die reine Abström-Aerodynamik ließe sich auch (evtl. sogar noch besser) mittels eines eher tropfenförmigen Bürzels schaffen (wie ihn zum Beispiel das Gin Genie Race II damals sehr ausgeprägt hatte).

Der andere Punkt ist, dass neben der Abströmung vor allem die Stirnfläche entscheidend ist, wie Lucian richtig bemerkt. Luc Armant von Ozone hat sich darüber (als ausgewiesener Schiffsbau-Experte) viele Gedanken gemacht und schlussendlich die "Flosse" entwickelt. Denn die Stirnfläche verändert sich durch Gierbewegungen permanent dynamisch! Je weniger Gierbewegung, desto geringer die "durchschnittliche" Stirnfläche und wohl auch durch die dynamische Veränderung zusätzlich entstehende Strömungs-Anomalitäten. Sprich: Die Flosse hält das Gurtzeug auf Kurs ("Länge läuft"), indem sie es wie ein Schiff von hinten steuert, die Gierbewegungen werden deutlich weniger und dadurch verringert sich die effektive Stirnfläche zusätzlich zur guten Abström-Aerodynamik.

Hans Peter Krüsi hat gesagt…

Kleine Ergänzung zur kleinen Ergänzung:
Damit die Flosse das Gurtzeug auf Kurs halten kann müsste diese ja im Stande sein Kräfte zu übertragen. Die Heckbürzel welche ich kenne sind alle felxibel und können wenig bis gar keine Kräfte übertragen - oder weisst du da mehr?

Zu deiner Missinterpretation vom Begriff "Lange läuft": Ruderbote haben Verdränger-Rümpfe. Die Geschwindigkeit wird desshalb vor allem von der Länge des Rumpfes bestimmt. Wenn die Frontwelle auf die Heckwelle trifft vergrössert sich der Widerstand dramatisch. Stichwort: Rumpfgeschwindigkeit.
Hans-Peter Krüsi (Zürich)

Lucian Haas hat gesagt…

@Hans-Peter: Natürlich hast Du Recht, dass man die Erkenntnis von "Länge läuft" bei Booten mit Verdrängerrümpfen nicht eins zu eins auf Gurtzeuge übertragen kann. Aber bildlich gesprochen passt der Vergleich durchaus, zumal die Gurtzeuge in der Luft auch "Verdränger" sind, sie kommen nicht ins Gleiten...
Die Heckflossen der Gurtzeuge dürften übrigens auch Kräfte übertragen. Zum einen sind sie durch den Staudruck etwas ausgesteift und stellen sich deshalb einer Querströmung zumindest ein wenig entgegen. Zum anderen ist es denkbar, dass Ausschläge bzw. Verformungen der Flossen zu den Seiten auch aerodynamische Kräfte entwickeln, die eine Rückstellwirkung besitzen.
Ob der bessere "Geradeauslauf" der Gurtzeuge mit großen Heckbürzeln nun auf der Übertragung solcher Kräfte beruht, oder einfach mit nicht mehr so chaotisch und wechselseitig ablösenden Wirbeln am Heck zu erklären ist, mag sogar von Fall zu Fall bzw. in Abhängigkeit der Steifigkeit und Form der Heckbürzel unterschiedlich sein.

Hans-Peter Krüsi, Zürich hat gesagt…

Der Vergleich zum langen Boot passt eigentlich überhaupt nicht. Den Effekt "Rumpfgeschwindigkeit" gibt es bei der Umströmung mit nur einem Medium nicht. Bei stromlinienförmigen Körpern überwiegt der Reibungswiderstand den Druckwiderstand ("=Formwiderstand") bei Weitem. Ob ein noch längerer Bürzel weniger Widerstand bedeutet würde ich sehr kritisch betrachten.

Die Überlegungen zum "Geradeauslauf" scheinen mir hingegen plausibel.

Hans-Peter Krüsi

Lucian Haas hat gesagt…

Bei einem Gurtzeug mit herausstehendem Kopf und Armen des Piloten etc. würde ich mich schwer tun, von einem stromlinienförmigen Körper zu sprechen, bei dem die Reibung schon einen größeren Anteil am Gesamtwiderstand hat als der Formwiderstand. Der längere Bürzel verbessert freilich die Umströmung und verschiebt damit auch die Widerstandsanteile. Sicher ist irgendwo ein Punkt gegeben, bei dem ein längeres Heck keine Vorteile mehr bringt. Es bräuchte aber wohl einige Windkanalexperimente, um all das genauer zu ermitteln. Nicht umsonst habe ich im letzten Absatz geschrieben: "Gurtzeugbau wird damit zur Wissenschaft".

Martin Urban hat gesagt…

Bescheidene Ergänzung:

Der andere Punkt ist aber, damit das, ich nenne es mal zur einfachen Verständigung das: „stabilisierende und hinterherziehende Konzept“ aufgeht, immerhin physikalisch gesprochen und nicht als ausgewiesener Schiffsbau-Experte, der korrigierende Drehimpuls aber auch übertragen werden muss. Und das ist einfach nicht der Fall bei einem nur mit Staudruck aufgepumpten Bürzel. Zumindest komme ich nicht drumherum das als schöne, einleuchtende Idee zu betiteln, aber mehr halt auch nicht mehr. Die Dimension passt hier nicht, erinnert mich an Homöopathie.
Zum Größenvergleicht: Über die Tragegurte kommen Turbulenzen, man möchte es nicht glauben, mitunter in der Dimension von Faustschlägen herein. Wer sagt so brutal muss es doch nicht zugehen: aber gerade diese tun der Gleitleistung doch am meißten Einbruch. Da reicht es nicht an einem 2 Meter großen, angenähten Luftballon zu ziehen, welcher nichtmal handwarm aufgepumpt ist.
So ein Bürzel kann und muss immer nur nach dem Prinzip funktionieren:
„Ich biege mich dem geringsten Widerstand, und hinterlasse keine Turbulenzen.“
Im meinen Augen bieten die großen, aufgeblasenen Bürzel den besten Kompromiss, dennoch könnte ich mir vorstellen, dass ein rießengroßer, steifer Bürzel Leistungsvorteile (in der Luft) bieten kann.

Anonym hat gesagt…

Hallo!
Wenn ich mich recht erinnere, war es nich Luc der die ersten Flossen entwickelt hat, sondern Lasse von Turnpoint zusammen mit Woodyvally in 99 (X-Over oder x-Rated, bin mir nicht ganz sicher). Die waren zwar nicht Staudruckgefüllt, aber der Gedanke von Lasse war genau der beschriebene und die Wirkung im Flug (im Wettbewerb) spürbar. Somit dürfte Lasse diese Entwicklung maßgeblich auf den Weg gebracht haben.
Zu der Aussage die Form der Stirnfläche würde keine wesentliche Rolle spielen mag ich nur den cw Wert einer Kugel (0,45) dem cw Wert einer Halbkugel Schale (1,33) gegenüberstellen. Beide haben das gleiche „Heck“ aber eben eine unterschiedliche Stirnseite. Der Widerstand unterscheidet sich um etwa Faktor drei.
Viele Grüße, Bodo

Peter hat gesagt…

Kleine Anmerkung zur Flexibilität der Heckflosse: das stabilisierende Moment wirkt nicht zeitlich linear und muß daher auch nicht den Kräften entsprechen, die zur Auslenkung führen. Das Gurtzeug bewegt sich zwar durch die Turbulenz um die Hochachse, kommt aber viel schneller wieder in die gerade Bahn, als ohne Flosse. Auch ist die Amplitude der Auslenkungen viel geringer. Die dazu benötigten Kräfte können durchaus von eine flexiblen Flosse aufgebracht werden.

Luis Depping hat gesagt…

Hallo Lucian,

die beschriebenen Verhältnisse in deinem ersten Absatz sind unseren Erkenntnissen nach so nicht ganz richtig.
Aus bereits einfachen Simulationen lässt sich qualitativ beobachten, dass die Form des vorderen Teils eines Gurtzeugs großen Einfluss auf den Luftwiderstand des Gurtzeugs hat. Sogar beim Vergleich zweier Liegegurte mit gleicher Stirnfläche zeigt eine optimierte Verkleidung vorne einen positiven Effekt.
Der aerodynamische Unterschied ein und desselben Gurtzeuges mit und ohne Beinsack ist signifikant. Das gilt sogar immer noch, wenn der Pilot ohne Beinsack einen Beinstrecker benutzt.
Wie du richtig schreibst, kommt es in erster Linie auf die Stirnfläche an. Diese ist bei vielen Liegegurten trotz aufrechter Sitzposition immer noch kleiner als die eines üblichen Sitzgurtes.
VG
Luis

Martin Urban hat gesagt…

Hallo Peter,
"das stabilisierende Moment wirkt nicht zeitlich linear und muß daher auch nicht den Kräften entsprechen" Ganz genau, die Natur ist schließlich nicht im Kräftegleichgewicht, nur weil wir es gern so hätten, aber der logische Schluss erschließt sich mir nicht.

Das ist müßig, die Stabilisierung sollte aber eigendlich um die Längsachse gegeben sein. Ansonsten ließe sich das ganze auch leicht nachstellen, in dem mit Ventilaor und Versuchsperson das nachgestellt wird... Einer darf sich an den Gurten vergreifen, der andere an der Heckflosse, und dann wird geschaut wer die Oberhand behält. Kommt natürlich auch drauf an wie prall dein Bürzel gefüllt ist gelle;)

Lucian Haas hat gesagt…

@Luis: Natürlich hat die vordere Verkleidung eines Gurtzeuges auch einen Einfluss, aber der ist im Vergleich zu dem, was mit einem ordentlichen aerodynamischen Heck-Bürzel erreicht werden kann, erstaunlich klein. Zudem ist die Aerodynamik von Liegegurtzeugen nur dann wirklich gut, wenn sie ideal eingestellt sind und angeströmt werden. Schon leichtes Gieren oder ein leicht hängender Beinsack lässt bei einem Liegegurtzeug die in Flugrichtung projizierte "Stirnfläche" viel schneller zunehmen als bei einem Sitzgurtzeug. Viele Piloten dürften daher in der Praxis den erhofften, direkten Leistungsgewinn durch Einsatz eines Beinsackes überschätzen.

Oliver Thomä hat gesagt…

Ich frage mich schon seit längerem ob es vielleicht Sinn macht, wie bei den Segelfliegern üblich ein Wollfaden zu montieren. Und zwar nicht nur oben um die Gierbewegung festzustellen, sondern auch seitlich um die optimale Gurtzeug-Einstellung zu überprüfen.

Anonym hat gesagt…

Hallo Oliver,
ich hatte einen solchen Faden vorne am Gurtzeug. Gerade die Leichtgurtzeuge verdrehen sich gerne beim Tritt mit nur einem Bein in den Beschleuniger. Und da hat mir der Wollfaden geholfen das Drehen zu erkennen wenn meine Aufmerksamkeit nachgelassen hatte.
Viele Grüße, Bodo

Bodo Genz hat gesagt…

Hallo,
Entschuldigung, ich hab das mit „Anonym“ bzw. Namen erst jetzt gesehen.
Daher jetzt der Nachtrag mit vollem Namen.
Viele Grüße, Bodo (Genz)

Rainair hat gesagt…

Gibt es eigentlich eine Heckflosse für normale Sitzgurtzeuge? Würde das in dieser Kombination die Gleitleistung verbessern?

Gruß,

Rainer Renker

Anonym hat gesagt…

Airwave Ram Race

https://www.google.de/search?channel=new&espv=1&source=univ&tbm=isch&q=airwave+ram+race&client=ms-opera-mobile&sa=X&ved=2ahUKEwig6YqNs8fpAhUNDxQKHeWwCisQsAR6BAgBEAE&biw=1173&bih=451&dpr=3


Hat sich damals aber nicht duchgesetzt obwohl es sogar eine Möglichkeit gab, die Hände mit den Bremsgriffen im Gurtzeug zu lassen und weniger Widerstand zu bieten.

Gruss Mayer



Reinhard May

Remo Catschegn, Chur (CH) hat gesagt…

@Rainair: Stimmt. Wenn ja, wie Lucian schreibt, der Einfluss "von vorne" nur klein ist, wären Heckflossen für Sitzgurte ja eine sehr sinnvolle Sache. Ich frage mich, wieso noch keiner der Konstrukteure darauf gekommen ist...

Lucian Haas hat gesagt…

@Remo: Es gab ja schon Konstruktionen von offenen Gurtzeugen mit größerem Heckbürzel, namentlich das Airwave Ram Race. Hat sich am Markt allerdings nicht durchgesetzt. Vielleicht war es einfach zu früh...

Foto als Beispiel: Airwave Ram Race

Jörg Nuber, St. Johann hat gesagt…

Hier sind wieder einige Theoretiker versammelt, die vermutlich selbst noch nicht sehr viel mit Race-Gurtzeugen mit kegelförmigem und flossenförmigem Bürzel im Vergleich bei 60 kmh geflogen sind. Ich bin gar kein Theoretiker, dafür kann ich hundertprozentig sicher sagen, dass der Unterschied im Geradeauslauf (weniger Gieren) und der daraus entstehenden gleichmäßigen An- und Abströmung extrem bemerkbar ist. Woran genau das liegt, ist mir egal, aber die Flossen sind der Hammer im Schnellflug und ein Riesen-Fortschritt gegenüber den früheren Kegeln.

Armin Harich hat gesagt…

Das hat Lucian schon sehr gut Beschrieben.

Das Airwave Ram Race war seiner Zeit voraus.

Hier mal eine Untersuchung und man sieht schon den relativ sehr geringen Widerstand:

Hier die Hauptseite:
https://www.dropbox.com/s/rrxlsm5o41fv73u/Vergleich%20von%20GZ.png?dl=0

Hier die ganze Untersuchung.
https://www.dropbox.com/s/nz98sf6ffndm85x/seminario2004.pdf?dl=0

Liebe Grüße, Armin.

Hans-Peter Krüsi, Zürich hat gesagt…

Jörg: Welche kegel- und flossenförmige Gurtzeuge bist du denn geflogen? Die Gurtzeuge unterscheiden sich ja auch sonst sehr stark in der Geometrie (Bsp: Ozium - Exoceat) und es gibt neue Stabilitätssysteme, wodurch ein Gurtzeug beim Beschleunigen auch automatisch stabiler wird. Dazu kommt die Schirmentwicklung Enzo - Enzo 3.
Wenn du so feinfühlig bist und die Unterschiede gut spürst könntest du Mal zum Test den Bürzel nicht schliessen, so hättest du den direkten Vergleich mit dem exakt gleichen Gurtzeug.
Liebe Grüsse
Hans-Peter