Strömungsabriss

Strömungsfeld beim Strömungsabriss an einem Profil im Windkanal

Der Auftriebsbeiwert fällt oberhalb eines Maximalwerts des Anstellwinkel stark ab.

Der Strömungsabriss (englisch: 'Stall'), ist in der Strömungslehre die Ablösung der Strömung von der Oberfläche eines angeströmten Gegenstandes. In der Luftfahrt kann ein Strömungsabriss bei Tragflächen, Propellern, Rotorblätter oder Turbinenschaufeln auftreten. Dabei kann es sich gleichermaßen um die Ablösung einer laminaren als auch einer turbulenten Strömung handeln.

Ursachen

Zwei Ursachen sind für den Strömungsabriss verantwortlich:

Ein Anstellwinkel, der über einem für das jeweilige Profil charakteristischen Wert liegt.
Erhöhung der Geschwindigkeit an einem Unterschallprofil in den schallnahen Bereich. Dies wird als High Speed Stall, oder High Speed Buffet bezeichnet.

Auswirkungen

Ein Segelflugzeug im kontrollierten Sackflug. Der hohe Anstellwinkel ist an den an den Tragflächen angebrachten Fäden erkennbar

Die Folge ist eine Verringerung des Auftriebs (beim Propeller: des Vortriebs). Der Pilot eines Starrflüglers kann einen Strömungsabriss gezielt herbeiführen, um bestimmte Manöver durchzuführen (z.B. Landung, Sackflug, Trudeln, Luftkampfmanöver).

Die normale Reaktion eines Flugzeugs auf einen vollständigen Strömungsabriss ist ein Abkippen beziehungsweise Abtauchen nach vorne. Aerodynamisch stabile Flugzeuge fangen sich dabei im Idealfall nach kurzer Zeit wieder ab.

Die Auswirkung eines Strömungsabrisses hängt von der Beschaffenheit des Profiles und der Tragflächenkonstruktion ab. Bei Nutz- und Verkehrsflugzeugen wird bei der Konstruktion auf eine „gutmütige Stall-Charakteristik“ (weniger abruptes Abkippen) geachtet, damit bei unbeabsichtigtem Eintreten in den Stall keine abrupten Auftriebsverluste auftreten.

Ein Stall-Zustand, der meistens zum Absturz führt, ist der sogenannte Deep Stall mit Verlust der Höhenruderwirkung.

Stallgeschwindigkeit

Das Auftreten eines Strömungsabrisses hängt vom Anstellwinkel sowie vom Flügelprofil ab. Die Profilform kann in den meisten Flugzeugen (z.B. mittels Auftriebshilfen) variiert werden, mit dem Ziel, die Stallgeschwindigkeit im Langsamflug deutlich zu senken.

Generell gilt: Je geringer die Geschwindigkeit eines Flugzeuges wird, desto mehr muss der Anstellwinkel erhöht werden, damit das Flugzeug ohne Höhenverlust geradeaus fliegt. Will man zudem noch ohne Höhenverlust eine Kurve fliegen, muss der Anstellwinkel zusätzlich erhöht werden, da im Kurvenflug auch noch die Fliehkraft vom Auftrieb abgefangen werden muss. Für jedes Flügelprofil lässt sich ein maximaler Anstellwinkel angeben, oberhalb dessen die Strömung abreißt und der Auftrieb schlagartig zusammenbricht.

Die Geschwindigkeit, bei der es im Geradeausflug zum Strömungsabriss kommt, nennt man Abrissgeschwindigkeit, Überziehgeschwindigkeit, halbenglisch Stall-Geschwindigkeit, oder auch als englisches Fremdwort Stallspeed. Fliegt ein Flugzeug schneller als Stallspeed, aber langsamer als mit der vom Hersteller festgelegten Mindestgeschwindigkeit, dann gerät es in den Sackflug. Die Strömung an den Tragflächen ist bereits turbulent, der Auftrieb stark vermindert, das Flugzeug sackt durch. Die Strömung ist aber noch nicht völlig abgerissen und das Flugzeug bleibt eingeschränkt steuerbar.

Gewicht, Schwerpunktlage und Lufttemperatur haben Wirkung auf die Stallgeschwindigkeit. Eisansatz am Flügel verändert das Profil und erhöht dadurch die Abrissgeschwindigkeit in unvorhersehbarer Weise.

High Speed Stall

Beim High Speed Stall kommt es durch die für den schallnahen Geschwindigkeitsbereich typische Ausbildung einer Stoßwelle zum Strömungsabriss hinter der Stoßwelle. Sofern nicht extrem viel Energie zugeführt wird (zum Beispiel durch einen Sturzflug), beendet sich dieser Zustand von selbst, da die Stoßwelle enormen Widerstand erzeugt und sich dadurch die Geschwindigkeit wieder reduziert.

Compressor Stall

Ein Compressor Stall ist ein Strömungsabriss an einer einzelnen Verdichterschaufel innerhalb eines Strahltriebwerks. Die grundlegende Ursache hierfür ist eine Instabilität des Luftflusses innerhalb des Verdichters oder eine Veränderung der Luftgeschwindigkeit innerhalb des Verdichters ohne eine kompensierende Drehzahländerung (was letztlich zu einer Veränderung des Anströmwinkels der Verdichterschaufeln führt).

Geschieht der Strömungsabriss an mehreren Schaufeln, kommt es zu einem Verdichterpumpen, Surge genannt. Dabei kommt es zu einer Rückströmung der Luft aus nachgeordneten Verdichterstufen, bis wieder genügend Druck vorhanden ist. Dieses wiederholt sich nun periodisch (Frequenz 5 bis 30 Hertz), solange der Gegendruck der Verdichterstufe auf der Höhe bleibt, die diesen Vorgang auslöste.

Die Schäden, die ein Compressor Stall bzw. Compressor Surge bewirkt, können einen Triebwerkswechsel erforderlich machen.

Einseitiger Strömungsabriss

Wenn es im Langsamflug durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Tragflächen (Kurvenflug) an der langsameren Tragfläche zu einem einseitigen Strömungsabriss kommt, kann dies zum Trudeln führen. Aus diesem Grund ist es vor allem im Langsamflug bei hohen Anstellwinkeln wichtig, koordiniert zu fliegen.

Nichts mit dem Trudeln zu tun hat der sogenannte Spiralsturz. Während beim Trudeln die Strömung nur einseitig abgerissen ist, liegt sie beim Spiralsturz an beiden Flächen an.

Gefahren

Bei einem Fluggerät kann ein Strömungsabriss in Bodennähe fatale Folgen haben. Der Auftriebsverlust sowie der erhöhte Luftwiderstand lassen es wie den sprichwörtlichen Stein zu Boden fallen; reicht die Flughöhe nicht mehr zum Ausleiten des Strömungsabrisses aus, kommt es zu einem harten Aufschlag auf dem Boden.

Viele Flugzeuge verfügen daher über eine Überziehwarnanlage, die dem Piloten einen drohenden Abriss signalisiert.

Bei Drehflüglern (Hubschraubern) kann der Strömungsabriss zu einem plötzlichen Auftriebsverlust am Haupt- oder Heckrotor führen. Der Strömungsabriss entsteht, wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter zu groß gewählt ist. Dies kann geschehen, wenn die Maschine durch eine zu schwere Last am Transporthaken oder falsche Flugtaktik im Gebirge überlastet wird. Nur geübte Piloten sind im Stande, solche Notfallsituationen zu meistern und den Hubschrauber wieder in eine reguläre Fluglage zu bringen.

Beabsichtigter Strömungsabriss

Der geringe Auftrieb bei abgerissener Strömung wird in manchen Fällen gezielt eingesetzt.

Bei Hängegleitern und Vögeln erlaubt ein völliger Strömungsabriss kurz vor der Bodenberührung eine stehende Landung.
Beim Gleitschirmfliegen ist der Strömungsabriss ein Mittel, um im Notfall Leinenüberwürfe und Verhänger zu beseitigen.
3D-Kunstflugfiguren werden unter Strömungsabriss geflogen.
Die Betriebsparameter vor allem kleinerer Windkraftanlagen sind so ausgelegt, dass bei zu hoher Windgeschwindigkeit die Strömung abreißt. Dadurch kann ohne Verstellung der Rotorblätter die Belastung des Rotors begrenzt werden.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de