Wie Ornithopter Fliegen

2.1 Drehung des Schlagflügels

Der Verlauf des Auftriebs längs der Spannweite wird durch die Verwindung des Schlagflügels modifiziert. Aber auch eine Drehung des Flügels an der Flügelwurzel um seine Längsachse verändert den Auftrieb. Durch die Drehung wird im Rechenmodell nur die Größe seines Auftriebs beeinflusst, aber nicht dessen Verteilung längs der Spannweite (siehe nebenstehendes Bild). Die Flügelverwindung wird automatisch angepasst. Bei der Drehung eines starren Flügels wäre das anders.

Veränderung des Auftriebs beim Flügelaufschlag bei einer Drehung des Schlag­flügels im Rechenmodell

Im Rechenmodell wird die Drehung der Flügelwurzel ausgehend von der Gleitflugstellung angegeben. Sie wird nur indirekt durch die Wahl der Auftriebsgröße festgelegt. Dazu wird der Zirkulationsfaktor kΓ verwendet (der Zirkulationsfaktor k-Gamma beschreibt die Größe des Auftriebs bezogen auf den des Gleitflugs). In nebenstehendem Bild beträgt der Auftrieb, bei Drehung der Flügelwurzel beim Aufschlag um etwa +6 Grad, fast 80 % des Gleitflugs.

Die Steigerung des Auftriebs durch Flügeldrehung wird durch den maximal zulässigen Auftriebsbeiwertes des Profils an der Flügelwurzel begrenzt. Durch größere Profilwölbung und/oder größere Flügeltiefe in diesem Bereich kann der Auftrieb weiter vergrößert werden.

Vögel haben generell im Armflügelbereich eine große Profilwölbung und meist eine relativ große Flügeltiefe. Der Wanderfalke (A) benötigt für den Flügelaufschlag beim Rüttelflug zusätzlich eine besonders große Flügeltiefe an der Flügelwurzel (siehe Beispiele für diese Flügelgestaltungen).

In der allgemein gebräuchlichen Theorie vom Vogelflug wird die Drehung des Flügels nicht berücksichtigt. Auch bei oben abgebildeten, älteren Auftriebsverteilungen (siehe obiges Diagramm 1 und Diagramm 2) wird der Einstellwinkel an der Flügelwurzel während der Flügelschlagbewegung konstant gehalten. Die dargestellten Auftriebsunter­schiede an der Flügelwurzel ergeben sich nur durch unterschiedliche induzierte Abwindwinkel (siehe hierzu Diagramm Abwindver­teilungen auf der Seite Handbuch).

Zur Vergleichmäßigung des Gesamtauftriebs schlägt schon E. v. Holst (1943) (S. 98, PDF 3.2 MB) eine Drehung des rumpfnahen Flügelbereichs vor. Beim Aufschlag soll damit der Anstellwinkel nahe der Flügelwurzel vergrößert und beim Abschlag verkleinert werden. Er verwirklicht das auch an seinem Kurbelantrieb. Nach derzeitigem Kenntnisstand darf die Drehung aber nicht, wie auch bei meinen Schlagflügelmodellen EV1 bis EV5, beim Auf- und beim Abschlag erfolgen, sondern nur beim Aufschlag. Ein neuerer Vorschlag wird beim Gewindespindel­antrieb vom EV8 gezeigt.

Bei großen Vögeln ist manchmal die Körper- bzw. Flügeldrehung gut zu beobachten. Das ist vor allem bei Flugsituationen mit erhöhtem Schubbedarf der Fall. Der geht immer zu Lasten des Auftriebs. Das kann durch die Flügeldrehung ausgeglichen werden. Besonders stark ist die Drehung nahe der unteren Schlagendlage (siehe hierzu die Animationen von Schwan und Storch und den Aufsatz Auftrieb beim Flügelaufschlag, Version 10.1, PDF 1.0 MB). Der dabei entstehende, große Auftrieb erzeugt einen großen Auftriebsimpuls sozusagen auf Vorrat. Der Flügel braucht dann, während der anschließenden schnellen Bewegung nach oben, nicht mehr so viel Auftrieb zu erzeugen. Die Windradfunktion und der damit erzeugte negative Schub des Aufschlags werden auf diese Weise klein gehalten. Trotzdem wird in der Summe, über die ganze Aufschlagsdauer gesehen, der Auftriebsimpuls groß sein.

Beim Aufschlag hat man also mit dem Armflügel folgende Möglichkeiten den Auftrieb zu vergrößern, ohne dass der negative Schub zu groß wird:

1. Im Nahbereich der unteren Schlagendlage, also während geringer Schlaggeschwindigkeit, beginnend schon am Ende des Abschlags, durch Drehung des Flügels den Anstellwinkel vergrößern.
2. Im gleichen Zeitraum wie vorstehend, z.B. durch Anwinkeln des Oberarms, den Anstellwinkel im Bereich des Ellbogens vergrößern (siehe Kapitel 4.3 Anatomische Formänderungen des Armflügels).
3. Im gleichen Zeitraum wie vorstehend, zusammen mit dem Abwinkeln des Handflügels nach unten, den Anstellwinkel des Armflügels nahe dem Handgelenk vergrößern.
4. Während der schnellen Aufschlagbewegung durch Verwindung und Drehung des Flügels möglichst viel Auftrieb zur Spannweitenmitte verlagern.
5. In der oberen Schlagendlage den großen Anstellwinkel des Armflügels im Bereich des Ellbogens beibehalten, bis der Armflügel gestreckt ist (siehe Kapitel­ 4.3 Anatomische Formänderungen des Armflügels).
6. In der oberen Schlagendlage den großen Anstellwinkel des Armflügels nahe dem Handgelenk beibehalten, bis der Handflügel seinen Aufschlag beendet hat und damit der Aufschlag des ganzen Schlagflügels endet.

Für Ornithopter ist das alles nur schwer zu verwirklichen (Beispiele für 3. und 6. siehe auf der Seite Gelenkschlagflügel, Abschnitt 7.3 Bewegungsablauf).

Nutzt man in den beiden Schlagendlagen die Auftriebsvergrößerungen die auch ohne Flügeldrehung möglich sind, so muss der Auftrieb während der schnellen Aufschlagbewegung nicht sehr groß sein. Eine Flügeldrehung mit dem Ziel einer Auftriebsvergrößerung ist dabei nicht unbedingt erforderlich. Dies ist vielleicht eine Strategie, um beim Aufschlag auch ohne Flügeldrehung genügend Auftrieb zu erzeugen.

Sehr gründliche Beobachtungen des Vogelflugs und interessante Vorstellungen vom Flügelaufschlag und der Flügeldrehung zeigt auch Brendan Body`s Homepage, weiterführender Link 1.

3.1 Flacher Steigflug

Beim Flügelaufschlag lassen sich die aerodynamischen Kräfte längs des Flügels durch geeignete Flügelverwindung so einstellen, dass sich die Drehmomente um das Flügellager gerade ausgleichen (siehe folgendes Diagramm 3). Dabei treibt der rumpfnahe, als Windrad arbeitende Flügelabschnitt den äußeren, als Propeller arbeitenden Flügelabschnitt direkt an. Dies ist eine 1. Möglichkeit zur Nutzung der Windradenergie.

Eine Energieaufnahme oder Abgabe erfolgt bei dieser Aufschlageinstellung nicht. Der Flügel lässt sich mit dem Antrieb praktisch ohne Kraftaufwand nach oben schlagen. Propeller- und Windradwirkungen heben sich gegenseitig auf. Die Gesamtwirkung des Aufschlags in Schubrichtung ist dabei also gleich Null.

Diagramm 3

Eine spezielle Auftriebsver­teilung beim Flügelauf­schlag, bei der sich die Schlagmomente vom inneren und äußeren Flügelabschnitt gegenseitig genau ausgleichen. Damit kann der Flügel ohne äußere Kraft nach oben bewegt werden.

Infolge der Hebel­eigenschaft des Flügels muss bei dieser Aufschlag­einstellung der rumpfnahe Auftrieb größer sein als der Abtrieb an der Flügelspitze. In der Summe ist also immer noch etwas positiver Aufschlagauftrieb vorhanden ( Otto Lilienthal 1889). Für das übrige Kräfte­gleichgewicht während der Schlagperiode kann der Flügelabschlag mit seiner generell kräftigen Auftriebs- und Schuberzeugung sorgen.

Wie man den hier für den flachen Steigflug zugrunde liegenden Auftriebs­verteilungen in obigem Diagramm 1 entnehmen kann, sind die mittleren Auftriebe der beiden Arbeitstakte unterschiedlich groß. Zumindest bei niedriger Schlagfrequenz wird es daher zu einer deutlichen, senkrechten Rumpf-Pendelbewegung kommen. Sie dämpft sich aber durch die dabei entstehenden Anstellwinkelschwankungen recht wirkungsvoll selbst. Diese Veränderungen sind in den Diagrammen nicht enthalten.

Wollte man beim Aufschlag im Interesse der Widerstandsverminderung ganz auf den Auftrieb verzichten, so ist folgendes zu bedenken. Um dann nur beim Abschlag - also etwa in der halben zur Verfügung stehenden Zeit - den ganzen Auftriebsimpuls einer Schlagperiode zu erzeugen, müsste die Auftriebskraft und folglich auch die Flügelfläche etwa verdoppelt werden. Dies und die dazu gehörigen Auftriebsschwankungen sind sicher nur in Ausnahmefällen zweckmäßig.

Der einzige Weg zur Reduzierung des negativen Schubs, trotz kräftiger Auftriebserzeugung während der Aufschlagbewegung, ist die Konzentration des Auftriebs in der Mitte der Spannweite (siehe Streckenflug im Diagramm Auftriebsverteilungen beim Flügelaufschlag von der Seite Gangartwechsel). Man kann das durch die Abwinklung der Handflügel nach unten unterstützen (siehe Wirkungsweise der Abwinklung).

Um bei Vögeln beim Aufschlag einen beträchtlichen Auftrieb am inneren Flügelabschnitt zu ermöglichen, ist er mit großer Profilwölbung ausgestattet. Nur selten ist an der Flügelwurzel die Flügeltiefe vergrößert.

Natürlich sind im Nahbereich der Auftriebsverteilungen in Diagramm 1 auch andere Einstellungen möglich. Sie reichen aus für flache Steigflüge mit mäßiger Schlagfrequenz. Meine EV-Ornithopter wurden für diese Flugweise gebaut.

3.2 Arbeitsweise beim Reiseflug

Beim Reiseflug ist der Handflügel ausgestreckt und fast längs des ganzen Flügels besteht positiver Auftrieb (siehe Diagramm Auftriebsverteilungen beim Strecken- und Reiseflug auf der Seite Gangfartwechsel). Die jetzt beim Aufschlag am Flügel vorliegende Windradwirkung kann im äußeren Flügelbereich nicht mehr in vollem Umfang zur Schuberzeugung eingesetzt werden. Der Flügelabschnitt mit Propellerwirkung ist einfach zu klein.

Kräfte beim Flügelauf- und abschlag eines Storches,
von Otto Lilienthal

Nach einem Vorschlag von Otto Lilienthal gibt es aber noch eine 2. Möglichkeit die Flügel­aufschlagenergie wieder zu nutzen. Der Arbeitswider­stand bremst zunächst den fliegenden Ornithopter. Die dabei dem Modell entzogene Bewegungsenergie kann in einer Feder gespeichert werden. Diese ist so anzuordnen, dass sie beim Flügelaufschlag gespannt wird. Sie entspannt sich dann beim Abschlag und unterstützt dabei die Schlagbewegung. Der dabei erzeugte Schub führt die Flügelaufschlagenergie der Modellbewegungsenergie wieder zu.

Eine 3. Möglichkeit zur Nutzung der Windradkraft ist die Beschleunigung der Flügelmasse in Aufschlagrichtung. Werden dann die Flügel in der oberen Flügelendlage durch eine Feder abgebremst und in Abschlagrichtung wieder beschleunigt, so erfolgt auch auf diese Weise eine Rückführung der Flügelaufschlagenergie.

Beim Aufschlag ist ein mechanischer Antrieb des Schlagflügels in diesen Fällen nicht erforderlich. Der Flügel gibt ja sogar Energie an die genannten Federn ab. Überhaupt muss die Windradbewegung entgegen einer Kraft erfolgen. Andernfalls kann sich an einem frei beweglichen Flügel kein Auftrieb entwickeln. Es ist also eine Führung der Aufschlagbewegung erforderlich, z.B. durch Drehzahlregelung oder Begrenzung der Aufschlaggeschwindigkeit. Die abgegebene Energie beim Flügelaufschlag ist normalerweise relativ klein. Das gilt vor allem dann, wenn der Auftrieb weitgehend in der Spannweitenmitte konzentriert wird.

Bei Vervollkommnung des Reiseflugs weist er gemäß Konrad Lorenz (1933) insbesondere zwei Merkmale auf: Beim Aufschlag eine sehr geringe, kaum erkennbare Abwinklung des Handflügels nach unten und eine annähernd konstante Tragkraft. Ein auf und ab pendeln des Vogels ist dabei nicht mehr erkennbar (für mehr Details siehe Seite Gangartwechsel, Kapitel 4.).

3.3 Steiler Steigflug und Schwebflug

Ähnlich wie bei einem Hubschrauber kann man auch beim Schlagflug die Gewichtskraft durch einen nach unten gerichteten Schubstrahl bzw. eine nach oben gerichtete Schubkraft ausgleichen. Es ist das Fliegen mit dem Schub. Der Flügelaufschlag erfolgt dabei praktisch nur mit dem Antrieb. Zumindest im konstanten Flug steht die Schubkraft immer senkrecht zur Flügelschlagebene. Die Schubkraft kann also mit der Neigung der Flügelschlagebene ausgerichtet werden.

Kleiner Vogel im Anflug

Weist die Schubkraft genau in Flugrichtung, so liegt entweder das reine Fliegen mit dem Schub vor (senkrechter Steigflug bzw. Rüttelflug) oder das reine Fliegen mit dem Auftrieb (Reiseflug). Bei Einstellungen zwischen diesen Extremen erfolgt der Ausgleich der Gewichtskraft sowohl durch Schub als auch durch Auftrieb. Auch diese gemischten Konfigurationen werden hier dem Fliegen mit dem Schub zugeordnet.

Zumindest für große Ornithopter ist das Starten aus dem Stand, ein Schweben auf der Stelle, der steile Steigflug oder ein sehr langsamer Horizontalflug nur nach der Methode Fliegen mit dem Schub möglich. Der Reiseflug oder auch der Streckenflug sind dagegen nur mit dem Fliegen mit dem Auftrieb zu erzielen.

In der Flugpraxis gilt insbesondere die Neigung der Schlagebene als Erkennungsmerkmal der Flugarten. Im Horizontalflug steht sie annähernd senkrecht zur Flugrichtung. Weicht sie deutlich davon ab (mehr als etwa 10 Grad), so liegt ein Fliegen mit dem Schub vor. Außerdem ist bei Verwendung einer passiven Flügelverwindung, eine große Verwindung beim Aufschlag ein Indiz für diese Flugart - zumindest bei großen Reynoldszahlen. Auch ein relativ hoher Energieverbrauch im Verhältnis zur Horizontalgeschwindigkeit weist auf das Fliegen mit dem Schub hin.

A. Pénaud (1872)

Das Fliegen mit dem Schub kann man modellbautechnisch bereits seit den Anfängen der Luftfahrt realisieren. Bei großer und gewichtiger Ornithopter erfordert diese Flugart aber erheblich mehr Energie als das reine Fliegen mit dem Auftrieb.

In Veröffentlichungen über den Vogelflug wird nur selten auf die verschiedenen Flugtechniken hingewiesen. Der hohe Energieverbrauch im Langsamflug wird dort meist nur auf den dabei ansteigenden induzierten Widerstand zurückgeführt. Aber schon Otto Lilienthal hat bei Vögeln deutlich zwischen zwei Kraftflugarten unterschieden und die große Flugarbeit beim Langsamflug gekannt.

4.1 Fliegen mit stark fluktuierendem Auftrieb

Vermuteter, ungefährer Verlauf des Auftriebs längs der Spannweite
entsprechend der allgemein verwendeten Beschreibung vom Flug der Vögel.

Größe der Auftriebskräfte an einem Schlagflügel, entsprechend der üblichen Beschreibung des Schlagflugs, mit stark fluktuierendem Auftrieb

In der allgemein gebräuchlichen Theorie vom Flug der Vögel werden beim Abschlag im äußeren Flügelbereich viel Auftrieb und damit auch viel Schub erzeugt. Beim Aufschlag soll dagegen nur noch im Armflügelbereich Auftrieb entstehen. Der äußere Flügelbereich wird also ohne nennenswerte Kraftentfaltung nach oben geführt. Dadurch soll insbesondere Arbeitswiderstand beim Aufschlag vermieden werden (siehe nebenstehende Diagramme und die Beschreibung der allgemein gebräuchlichen Theorie der Biologen auf weiterführendem Link 2). Von einer Drehung der Flügelwurzel oder anderen Maßnahmen zur Vergrößerung des Auftriebs im Armflügelbereich beim Flügelaufschlag wird nichts berichtet. Dementsprechend klein ist der Auftrieb an der Flügelwurzel.

Diese Theorie beschreibt einen Streckenflug mit stark fluktuierendem Auftrieb und entsprechender Tragkraft. Das auf und ab Pendeln des Vogelkörpers ist aber nur selten zu beobachten. Es kommt auch nur beim Streckenflug vor. Der Reiseflug wird generell nur mit annähernd konstantem Auftrieb ausgeführt (siehe Gangartwechsel der Vögel, Kapitel 4.). Die allgemein gebräuchliche Theorie macht keinen Unterschied zwischen diesen beiden Flugarten, ob mit oder ohne Abwinklung der Handflügel.

Bei fluktuierendem Auftrieb entsteht, insbesondere beim Abschlag, ein Wirbelring. Der schwimmt beim Aufschlag nach hinten weg. Es bildet sich so neben den Randwirbeln eine Reihe von Wirbelringen entlang der Flugbahn. Der bei der Ringentstehung erzeugte Anfahrwirbel erhöht den induzierten Widerstand und damit die erforderliche Antriebsenergie. Derartige Wirbelringe sind also durch möglichst konstanten Auftrieb zu vermeiden.

Für Ornithopter ist die Methode mit stark fluktuierendem Auftrieb, entsprechend der allgemein gebräuchlichen Theorie vom Vogelflug, leichter zu verwirklichen. Es braucht dann beim Flügelaufschlag keine Drehung der Flügelwurzel, oder andere Maßnahmen um den Auftrieb im Armflügelbereich zu vergrößern. Man muss aber dann auf etwa die Hälfte der möglichen Auftriebskapazität verzichten und das durch höhere Fluggeschwindigkeit ausgleichen. Die Tragkraft ist bei dieser Flugweise also gering. Das ist sicherlich mit ein Grund, weswegen manntragende Ornithopter bisher nicht vom Boden hochgekommen sind (siehe auch Auftrieb beim Flügelaufschlag, Version 10.1, PDF 1.0 MB).

4.2 Fliegen mit annähernd konstantem Auftrieb

Grundprinzip der Auftriebs- und Schuberzeugung bei Vögeln, die mit großem Fortschrittsgrad fliegen (insbesondere große Vögel).

In nebenstehendem Diagramm skizziert E. v. Holst (1943) (PDF 3.2 MB), wie bei Vögeln die mit großem Fortschrittsgrad fliegen, eine optimale Schuberzeugung im Prinzip erfolgen kann. Sein Gedankenexperiment wird hier etwas modifiziert. Die dargestellten verschiebbaren Flügel sollen hier nicht wirklich verschoben werden, sondern lediglich die verschiebbare Lage des Auftriebszentrums verkörpern.

Verlagerung des Auftriebs­zentrums (Az) eines Schlagflügels längs der Spannweite

Am oberen Umkehrpunkt der Schlagbewegung wird das Auftriebszentrum in Richtung Flügelspitze und am unteren Umkehrpunkt zur Flügelwurzel verlagert. Über eine ganze Schlagperiode gesehen wird so, unter Beibehaltung des Auftriebs A, der Schub S beim Abschlag größer als beim Aufschlag. Die Verlagerung des Auftriebs erfolgt durch das aerodynamische Zusammenspiel von Arm- und Handflügel (beim Aufschlag wird z.B. die Flügelwurzel gedreht). Mit diesem Verfahren wird die Kontinuierlichwirbel-Gangart verwirklicht.

Schuberzeugung am Schlagflügel beim Fliegen mit annähernd konstantem Auftrieb. Der Gesamtschub einer Schlagperiode ist positiv.

Mit diesem genialen Trick der Natur wird auch beim Aufschlag viel Auftrieb erzeugt und trotzdem, über eine ganze Schlagperiode gesehen, eine Schuberzeugung ermöglicht. Da Vögel sehr strömungsgünstig geformt sind, genügt bei ihnen für den Reiseflug eine relativ kleine Auftriebsverlagerung (siehe zum Beispiel die Lage der Druckpunkte im Diagramm 4, oben).

Auftriebsverteilungen, beim Aufschlag mit maximal möglichem Auftrieb im Armflügel­bereich, an einem Rechteck­flügel mit dem Profil CLARK-Y

Professor Jeremy Rayner erforschte an der Universität Leeds (England) den Vogelflug. Dabei hat er auch die Flugweise mit konstanter Zirkulation bzw. konstantem Auftrieb schon weitgehend beschrieben (siehe Aufsatz Vertebrate flapping flight mechanics and aerodynamics, and the Evolution of flight in bats in Nachtigall W. 1986, BIONA-report 5). Er hebt in dem Aufsatz die Bedeutung dieser Gangart hervor und sieht ihre starke Bestätigung in Experimenten zur Strömungsv­isuali­sierung mit einem Turmfalken im Schnellflug von G. R. Spedding (allgemein, 1984, 1986, 1987). Das daraus resultierende Bild der Kontinuierlichwirbel-Gangart zeigt ein nichtebenes, den Flügeln dicht folgendes Wirbelpaar, mit veränderlichem gegenseitigem Abstand der beiden Randwirbel (siehe weiterführender Link 3). Gemäß J. Rayner wandert dabei der Ansatzpunkt von jedem Randwirbel an der Flügelhinterkante zwischen dem Handgelenk und der Flügelspitze hin und her. Anfahrwirbel sind nicht erkennbar.

Größe der Auftriebskräfte an einem Schlagflügel im Streckenflug, mit an­nähernd konstantem Auftrieb und beim Aufschlag mit abge­winkeltem Handflügel

Fliegt der Vogel im Streckenflug mit annähernd konstantem Auftrieb, so hat die Auftriebskraft beim Auf- und Abschlag im Prinzip die Größenverhältnisse wie in nebenstehendem Diagramm. Der große Auftrieb beim Aufschlag am Armflügel wird durch seine Formänderung bei seiner Anwinklung erreicht. Das wird unterstützt durch eine starke Abwinklung des Handflügels, ggf. kombiniert mit einer Drehung der Flügelwurzel. Manchmal wird der Streckenflug auch mit stark fluktuierendem Auftrieb vollzogen. Er ist dann an seiner oszillierenden Flugbahn erkennbar. . Das ist insbesondere beim langsamen Flug und/oder bei hohem Schubbedarf der Fall.

Der große Auftrieb beim Aufschlag ist nur wegen der stark gewölbten Hochauftriebsprofile der Vögel im Armflügelbereich möglich (siehe folgendes Kapitel 4.3). Zusammen mit der großen Flügeltiefe kann dort wesentlich mehr Auftrieb erzeugt werden als mit dem Handflügel beim Abschlag. Infolge der Abwinklung kann der Handflügel mit sehr wenig Auftrieb arbeiten, obwohl er direkt neben dem Hochauftrieb des Armflügels liegt. Die Abwinklung reduziert mit ihrer Winglet-Wirkung den Abfluss des Auftriebs aus der Spannweitenmitte in Richtung Flügelspitze.

Größe der Auftriebskräfte an einem Schlagflügel im Reiseflug, mit annähernd konstantem Auf­trieb und beim Aufschlag mit ausgestrecktem Handflügel

Im horizontalen Reiseflug reicht der positive Schub beim Abschlag nur aus, um den negativen Schub beim Aufschlag auszugleichen. Für einen Steigflug bleibt kein Schub übrig. Der Vorteil dieser Flugweise ist die große Streckenleistung.

Für den großen Auftrieb im Armflügelbereich reichen in diesem Fall wahrscheinlich die Formänderungen im Armflügelbereich aus. Eine Abwinklung des Handflügels ist kaum erkennbar.

Vergleicht man in diesem Zusammenhang die gerechneten Beispiele in dem Beitrag Schlagflügel mit und ohne Flügeldrehung (PDF 0.9 MB) so bestätigt sich, dass sowohl gleichmäßiger als auch ungleichmäßiger Auftrieb Vorzüge haben. Das ist dort auch deswegen so, weil die Größe des Auftriebs beim Aufschlag insbesondere durch die Wahl der Auftriebsverteilung festgelegt wird. Die Flugweise mit stark fluktuierendem Auftrieb bietet Vorteile beim Steigflug (siehe Beispiel 1, mit c_Γ1=0) und die Flugweise mit annähernd konstantem Auftrieb beim Langstreckenflug (siehe Beispiel 10, mit c_Γ1=5 oder 6). Auch hier gilt halt die allgemeine Regel: Was gut ist für den Auftrieb, ist nachteilig für den Schub und umgekehrt.

Eine weitere Klärung der verschiedenen Theorien des Vogelflugs ist insbesondere durch Messungen im Windkanal möglich. Dabei sollte an technischen Schlagflügeln die Auswirkungen verschiedener Verwindungen und Drehungen auf den Verlauf der Auftriebsverteilungen längs der Spannweite untersucht werden. Dabei ist sicherlich das Verhalten der Randwirbel und auch die Abwinklung nach unten des äußeren Flügelabschnitts interessant.

4.3 Anatomische Formänderungen des Armflügels

Vergleich der Flügeltiefe von gestrecktem und angewinkeltem Armflügel, bzw. beim Flügelabschlag und Aufschlag bei einem Geier (Bilder von
Heinrich Hertel).

Neben der Flügel­drehung haben Vögel noch andere Möglichkeiten die Größe des Auftriebs nahe der Flügelwurze zu verändern. Beim Anwinkeln des Armflügels können sie z.B. mit Hilfe der Sehne der vorderen Flughaut (Propatagium) die Flügeltiefe, hauptsächlich im rumpfnahen Teil des Armflügels, vergrößern. Damit vergrößern sie auch den dortigen Auftrieb (siehe nebenstehendes Bild, insbesondere die rechte Flügelseite). Vögel haben diese Gestaltungs­möglichkeiten auch beim Flügelaufschlag, unabhängig ob mit gestrecktem oder nach unten abgewinkeltem Handflügel.

Auch weil der Unterarm meist länger ist als der Oberarm, wird beim Anwinkeln des Armflügels das Handgelenk nach vorne verlagert. Dadurch ändert sich die Zugrichtung längs der Sehne entsprechend. Auf diese Weise wird die Flügeltiefe nahe dem Ellbogen größer und damit der Auftrieb längs des ganzen Armflügels. Außerdem verringert sich beim Anwinkeln des Armflügels seine Spannweite. Dadurch wird der Auftrieb des ganzen Flügels mehr zur Spannweitenmitte verschoben. Das alles ist auch beim Flügelaufschlag der Fall.

Vögel können den Armflügel aber auch anders gestalten. Das erkennt man am linken Flügel des blauen Vogels. Dort wird die Flügeltiefe längs des ganzen Armflügels nahezu konstant gehalten. Der Armflügel ist mehr gestreckt. Die Flugweise des blauen Vogels wird von Heinrich Hertel als flachen Gleiten bezeichnet. Offenbar handelt es sich dabei um einen Kurvenflug nach rechts. Der in der Thermik segelnde schwarze Geier kurvt dagegen mit umgekehrten Veränderungen der beiden Armflügel nach links.

Anders als beim technischen Streckenflug finden hier beim Kurvenflug auch am inneren Teil des Flügels Veränderungen statt. Auf der Kurveninnenseite ist die Anströmgeschwindigkeit kleiner als außen. Durch die Vergrößerung der Flügeltiefe am Armflügel wird das ausgeglichen. In Bezug auf den induzierten Widerstand ist das zur Stabilisierung des Kurvenfluges sicher besser, als entsprechende Veränderungen an den außen liegenden Querrudern.

Anatomie eines Vogelflügels im gestrecktem Zustand.,
Muskulatur Draufsicht
(von Karl Herzog, 1968)

In nebenstehendem Bild wird jede der Sehnen (11a und 12a) der vorderen und hinteren Flughaut an der Flügelwurzel durch ein kleines Muskelpaar (11 und 12) gehalten. Sie können die Richtung und die Spannung der Sehnen in engen Grenzen variieren. Das beeinflusst den Auftrieb im Armflügelbereich. Wie und in welchen Flugsituationen diese Muskeln, zusammen mit dem Armstrecker (9) und dem Armbeuger (10), eingesetzt werden, ist aber weitgehend unbekannt. Zum Beispiel auch bei der Vergrößerung der Flügeltiefe. Im Flug ist bei leicht gestreckten Flügel, wie in nebenstehendem Bild, die Sehne der vorderen Flughaut in der Mitte des Armflügels nach hinten durchgebogen (siehe Taubenflügel).

Vögel können aber den Armflügel entgegen dem Zug der Sehne der vorderen Flughaut noch etwas weiter strecken. Unterstützt durch den daraus resultierenden starken Zug der Sehne am Daumenknorren des Mittelhandknochens, schwenkt der Handflügel ein wenig nach vorne. Der Ellbogen nähert sich der Flügelvorderkante und die äußeren Schwungfedern werden gespreizt. Beim segelnden Geier ist kaum noch eine Durchbiegung der Sehne nach hinten erkennbar.

Für die Zugspannung der hinteren Flughautsehne sind vor allem die Zugrichtungen und Kräfte aller am Oberarmknochen (Humerus) ziehenden Muskeln maßgebend. Im Flug, wenn der Flügel nicht so stark angewinkelt werden soll, wird die Sehne immer straff gespannt gehalten. Strecken und Anwinkeln des Armflügels werden dann fast nur mit dem Unterarm vollzogen. Zur Vergrößerung der Flügeltiefe am Ellbogen wird der Humerus nur wenig nach hinten gezogen, wahrscheinlich mit den Muskel der hinteren Flughautsehne. Nur wenn der Armflügel beim Aufschlag extrem stark angewinkelt werden soll, oder beim Balancieren, wird der Humerus mehr nach hinten gerichtet.

Es wäre interessant zu wissen wie sich die Höhenlage des Ellbogens bezogen auf die Verbindungslinie zwischen Schulter- und Handgelenk bei der Anwinklung ändert. Die Höhenlage kann mit der Anwinklung des Armflügels mechanisch gekoppelt sein. Die Lage des Ellbogens bestimmt den oberen Eckpunkt der vorne nach unten geneigten, elastischenFlughaut (siehe 3D-Form des Vogelflügels von K. Herzog). Bewegt sich der Ellbogen beispielsweise nach oben, dann zieht er mit der Flughaut auch die vordere Sehne in diese Richtung. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Spannung der Sehne gelockert wird. Dadurch wird der Anstellwinkel größer.

Flügelquerschnitt am Ell-bogen eines Habichtflügels B, vom gestreckten Armflügel im Ruhezustand.
Die ungefähre Lage der vorderen Flug­sehne im Streckenflug beim Auf­schlag ist angedeutet.

Mit der Höhenlage des Ellbogens ändert sich auch die Größe der Profilwölbung. Der Arbeitsbereich des Armflügelprofils verschiebt sich entsprechend. Bei größerer Profilwölbung sind größere Auftriebsbeiwerte möglich. Und bei Vergrößerung der Flügeltiefe durch die vordere Flughaut verlagert sich der Ellbogen, bezogen auf die Profiltiefe, nach hinten. Mit ihm verlagert sich auch das Maximum der Profilwölbung.

Die Profilwölbung des Armflügels ist längs der Flügeltiefe elastisch, insbesondere im Bereich der vorderen Flughaut. Das ist gleichzeitig der Bereich mit dem größten Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite des Profils. Die Flughaut wird also im Flug aerodynamisch nach vorne-oben gezogen. Sie ist dann nach oben gewölbt und zieht die vordere Sehne mit nach oben.

Die vordere Sehne ist beim Aufschlag in der Mitte noch mehr nach vorne gebogen als im gesteckten Zustand des Flügels (sieh Bild Vergleich der Flügeltiefe). Dadurch wird dort die e Bewegung der Sehne nach oben erleichtert und durch den Zug nach vorne sogar noch unterstützt. Außerdem wird die Flügeltiefe vergrößert.

Aus anatomischen Gründen wird die Sehne dann wahrscheinlich etwas unterhalb der Verlängerung der Längsachse vom Oval des dargestellten Knochens liegen (siehe vorstehendes Bild). Dadurch verringert sich die übergroße, dargestellte Profilwölbung. Gleichzeitig vergrößert sich der Anstellwinkel. Allerdings biegen sich im Flug auch die hinteren Schwungfedern leicht nach oben. Das ist für den Flügelaufschlag aerodynamisch vorteilhaft. Die Strömung reißt so auf der Unterseite des Profils nicht ab. In Folge der Anwinklung des Armflügels beim Aufschlag wird also der Anstellwinkel vom Armflügle automatisch etwas größer. Mit Hilfe der Zugspannung der Sehne bzw. der Anwinklung des Unterarms kann dieser Effekt variiert werden.

Geier. Veränderlicher Flügelgrundriss: Segeln-Gleiten
(von Heinrich Hertel)

Nebenstehendes Bild soll insbesondere die mögliche Größenänderung der Flügelfläche veranschaulichen. Damit verbunden ist eine Änderung der Flug­geschwindigkeit.

Das Bild zeigt aber auch, dass sich mit zunehmender Anwinklung des Armflügels die Zugrichtung der Sehne der vordere Flughaut im Bereich des Ellbogens sehr stark nach vorne zeigt.

Durch die starke Pfeilung des Unterarmes wird dort, infolge der Schräganblasung, der Auftrieb in Richtung des Ellbogens verlagert. Das fördert beim Aufschlag die Konzentration des Auftriebs in Spannweitenmitte.

Eine ähnliche, grob angenäherte Anstellwinkeländerung am Armflügel kann man auch bei einem technischen Gelenkschlagflügel erreichen. Dazu teilt man den hinteren Holm des Armflügels etwa in der Mitte. Beide Holmteile sind dann mit einem Gelenk wieder zu verbinden. Wenn man nun den Anstellwinkel der dortigen Flügelrippe steuert, ändert sich von da ausgehend der Anstellwinkel des ganzen Armflügels, in der Mitte stark und an den Enden schwächer werdend. Das hilft beim aerodynamischen Zusammenspiel von Arm- und Handflügel, wenn der Auftrieb am Handflügel beim Aufschlag kleiner wird.