Bodeneffekt

Als Bodeneffekt bezeichnet man ein physikalisches Phänomen, das ein umströmter Körper in Bodennähe erfährt. Hierbei kann je nach Form des umströmten Körpers zusätzlicher dynamischer Auftrieb oder auch Abtrieb entstehen.

Prinzip

Der Luftspalt zwischen Flügelhinterkante und Boden wird umso kleiner, je geringer der Bodenabstand ist. Die Luft wird gestaut und die Strömung unter dem ganzen Flügel abgebremst. Dadurch steigt dort der Druck, was zu einer größeren Auftriebskraft führt. Gleichzeitig wandert der Auftriebsschwerpunkt nach hinten. Der Bodeneffekt beruht also darauf, dass sich unter der Tragfläche in Bodennähe ein Luftpolster bildet, das sich mit dem Fahrzeug (Flugzeug) vorwärtsbewegt. Dabei wächst das Auftriebs-Widerstandsverhältnis bei Annäherung an den Boden auf das 2,5- bis 3-fache. Es kommt also zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades einer Tragfläche und damit zu mehr Auftrieb.

Strömungstechnisch betrachtet lässt sich der Bodeneffekt so beschreiben: Die Druckverteilung am Profil ändert sich und führt zu einer Verringerung des induzierten Widerstands. Der Widerstand eines Tragflügels setzt sich zusammen aus dem Reibungswiderstand, der abhängig ist von der Profilform, der Oberflächenbeschaffenheit und dem induzierten Widerstand. Durch den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite entstehen an den Rändern des Flügels Wirbel.

So entsteht hinter dem Flügel ein Wirbelband und Randwirbel, welche die Luft hinter dem Flügel nach unten beschleunigen. Die durch diesen Druck entstandene Kraft wirkt senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor. So entsteht neben dem Auftrieb noch eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Kraft, der induzierte Widerstand. In Bodennähe ist kaum noch Platz für die Luft, um nach unten zu strömen und sie wird gezwungen, fast horizontal wegzufließen. Damit wird der induzierte Widerstand kleiner. Somit kann Energie, die zur Überwindung des induzierten Widerstandes benötigt wird, eingespart werden.

Der Effekt wurde von Gustav Lilienthal 1880 beim Albatros beobachtet, aber nicht verstanden, und schon Anfang des 20. Jahrhunderts mit Beginn der Fliegerei erkannt.

Geschichtliches

Funktionsprinzip des Luftkissenfahrzeugs

1. Propeller
2. Luft
3. Turbine
4. Flexible Schürzen

In der "christlichen Seefahrt" gab es immer ein Hauptproblem - Geschwindigkeit. Ob Segel oder Kernkraft, das Medium Wasser erzeugt soviel Wiederstand das die zur Verfügung stehende Antriebskraft eine untergeordnete Rolle spielt. Solange wie sich der Rumpf im Wasser befindet ist der Antrieb egal.
Erster Lösungsansatz: Der Rumpf muss aus dem Wasser raus. Das Medium Wasser ist etwa 840-mal dichter als Luft. Hier beginnt der Weg zum Tragflächenboot.
Das erste Fahrzeug der Welt mit Unterwasserflügeln wurde 1894 vom französischen Ingenieur Sharle D'Alambier gebaut.
Eine andere Entwicklung basiert auf eine Patent aus dam Jahere 1877. Der britischer Ingenieur John Isaac Thornycroft meldete ein Patent an, dem zufolge eine düne Schicht Luft zwischen Schiffsrumpf und Wasser ein zu bringen sei. Deren Entwicklun führte zum Hoovercraft.
1935 wurde unter der Leitung der Professoren W.I. Lewkow und B. N. Jurjew am Moskauer Luftfahrtinstituts das erste Schiff geschaffen, das auf einem Luftkissen flog. Es entstanden mehrere Prototypen (L1 - L5), welche getestet wurden. Der Zweite Weltkrieg stoppte die Entwicklung.
Etwa Zeitgleich gab es ähnliche Entwicklungen in den USA durch D. Warner, Finnland durch T. Kaairo, Schweden durch I. Troeng, Großbritannien durch C. Cockerell.

Forlanini Idroplano (Tragflügelboot) am Lago Maggiore , 1910.

Landfahrzeuge

Eine Anwendung des Bodeneffektes ist im Motorsport zu finden. Bei sehr schnellen Fahrzeugen, wie z.B. den Rennwagen in der Formel 1 ist das Chassis sehr tief gelegt, so dass sich der Boden des Autos nur wenige Zentimeter über dem Asphalt befindet. Durch den hierdurch auftretenden negativen Bodeneffekt (sogenannter Deckeneffekt) wird der Anpressdruck des Fahrzeugs auf die Fahrbahn bedeutend erhöht. Bei den Formel-1-Fahrzeugen von 1977 bis 1982, die diesem Bauprinzip folgten, wurden zusätzlich seitlich am Chassis auf der Fahrbahn schleifende Leisten aus Hartgummi angebracht, die den Raum zwischen dem Unterboden des Fahrzeugs und der Fahrbahn abdichteten, um den Effekt weiter zu verstärken. Diese Konstruktion wurde 1977 von dem englischen Fahrzeughersteller Lotus entwickelt und verschaffte dem Formel 1-Boliden des Teams einen dreifach höheren Anpressdruck bei gleich bleibendem Luftwiderstand.

seitliche Schürzen wegen des Bodeneffekts an einem Lotus 78

Flächenflugzeuge

STS 125 im Landeanflug auf Edwards Airbase

In Bodennähe verändern sich die aerodynamischen Verhältnisse von Tragflächen. Der Auftrieb wird vergrößert, der Auftriebsschwerpunkt wandert nach hinten und der Luftwiderstand wird kleiner. Bei Flügen mit einem Tiefdecker in Bodennähe führt der Bodeneffekt dazu, dass das Flugzeug wesentlich länger schwebt, als das beispielsweise bei einem Hochdecker der Fall ist. Dieses muss ein Pilot bei der Landung mit Tiefdeckern, insbesondere auf kurzen Landebahnen, berücksichtigen.

Bei Bodeneffektfahrzeugen (Ekranoplan) handelt es sich meist um Wasserflugzeuge, die für den Tiefflug unter Ausnutzung des Bodeneffekts konstruiert sind und daher nur für bestimmte Einsatzzwecke geeignet sind. Bodeneffektfahrzeuge können einerseits Flächenflugzeuge sein, die auch für größere Höhen flugtauglich sind. Andererseits werden Bodeneffektfahrzeuge dann verwaltungstechnisch als Schiffe geführt, wenn die niedrige Flughöhe Bodeneffektfahrzeuge dazu zwingt, verkehrstechnisch mit Schiffen und Booten zu interagieren, sich also dem Schifffahrtsrecht zu unterwerfen.

Die Regelungen des Luftverkehrsgesetzes definieren im $ 1 "...sonstige für die Benutzung des Luftraums bestimmte Geräte, sofern sie in Höhen von mehr als dreißig Metern über Grund oder Wasser betrieben werden können." Dies ist der Grund warum es nicht Bodeneffekt-"flugzeuge" heißt, obwohl es physikalisch gesehen Luftfahrzeuge sind, die fliegen (dynamischer Auftrieb, Flugzeuge) und nicht fahren (statischer Auftrieb, Luftschiffe). Segelflugzeuge können im Bodeneffekt unter geringerem Höhenverlust eine wesentlich weitere Strecke als die dem Gleitwinkel entsprechende zurücklegen. Das wird von Segelfliegern gerne zur Abschlusslandung genutzt, um am Abend mit dem Flugzeug über den gesamten Platz schwebend bis dicht an die Abstellhalle zu gelangen.

Faustregel: Der Bodeneffekt tritt auf, wenn die Flughöhe gleich oder kleiner als die halbe Spannweite des Tragflügels ist.

Bodeneffektfahrzeuge nach dem Stauflügelprinzip

Eine spezielle Bauart eines Bodeneffektfahrzeuges nach dem Stauflügelprinzip ist ein Tandem Airfoil Flairboat. Das Tandemflügelprinzip führt dazu, dass eine Eigenstabilität während des Bodeneffektfluges erreicht wird, die einen sicheren Flairzustand innerhalb des Bodeneffektes garantiert. Ein Verlassen des Bodeneffektes, wie es bei den freiflugfähigen Bodeneffektfahrzeugen erreicht wird, ist hierbei nicht beabsichtigt.

Die Tatsache, dass ein Tandem Airfoil Flairboat den Bodeneffekt nicht verlassen kann, führte bereits in dem Jahr 1974 zu der verkehrstechnischen und zulassungstechnischen Einordnung als Bodeneffektfahrzeug Typ A.

Hubschrauber

In Leistungsbeschreibungen von Hubschraubern kann man die Begriffe HIGE (für hovering in ground effect) und HOGE (für hovering out of ground effect) finden. Diese Ausdrücke werden typischerweise benutzt, wenn über die Arbeitsgrenzen von Helikoptern bezogen auf die notwendige Motorkraft berichtet wird. Genauso wie bei den Tragflächen von Flugzeugen gibt es bei Helikoptern einen Bodeneffekt in Bodennähe, der als Ergebnis einer Interaktion der abwärts gerichteten Luftströmung des Hauptrotors mit dem Boden für einen erhöhten Auftrieb verantwortlich ist. Luft sinkt von oben in die Rotorscheibe, wird abwärts beschleunigt und trifft auf dem Boden auf. Da der Boden die Luft an einer schnellen Abströmung hindert, wird der Helikopter zusätzlich angehoben. Gleichzeitig kommt es zu einer Reduzierung der Rotorspitzenwirbel.

Der Bodeneffekt bei Hubschraubern kommt vor, wenn sich der Helikopter innerhalb einer halben bis ganzen Rotorspannweite über Grund befindet (HIGE). Er ist weniger effektiv über Wasser und hohem Gras, da diese Oberflächen energieabsorbierend wirken, und er ist gar nicht vorhanden, wenn sich der Helikopter in größerer Höhe bewegt (HOGE). Letzteres bedeutet notwendigerweise einen höheren Leistungsbedarf und größeren Treibstoffverbrauch.

Der Bodeneffekt hat für die Arbeitsgrenzen von Hubschraubern durchaus eine Bedeutung. Wenn bei limitierenden Faktoren wie einer hohen Gewichtsbelastung, dem Abheben von einem hoch gelegenen Platz oder bei hoher Temperatur gestartet werden muss, kann der Bodeneffekt durch die zusätzlich gelieferte Auftriebskraft diese Arbeitsgrenzen erweitern und so das Abheben in manchen Fällen überhaupt erst ermöglichen.

Bei Modellhubschraubern, die in einem Raum nahe an der Decke geflogen werden, tritt der gleiche Effekt in umgekehrter Form auf: Der Hubschrauber wird ab einer gewissen Annäherung an die Decke förmlich von ihr "angezogen". Dieser Effekt würde auch bei echten Hubschraubern auftreten, wenn man nahe genug an eine Decke fliegen würde.