Wanderfalke als Modell für neue Flugzeugtypen

Wanderfalken erreichen im Sturzflug vorübergehend Geschwindigkeiten von bis zu 360 Kilometern pro Stunde. Sie sind auch insgesamt die schnellsten Vögel der Welt – und ihr Körper ist während der Manöver enormen Belastungen ausgesetzt. Wie macht er das und warum kann er das? Das Flugverhalten dieses Greifvogels haben sich Wissenschaftler nun genauer angeschaut: Die Natur kann auch hier als Vorlage für neue Technik dienen – beispielsweise im Flugzeugbau.

Eine Geschwindigkeit von rund 360 Kilometern pro Stunde kann der Wanderfalke erreichen, wenn er sich vertikal während der Jagd herabstürzt. Da der schnellste Vogel der Welt im letzten Moment aber eine Vollbremsung hinlegen muss, um die Beute zu schlagen, ist sein Körper einer Belastung ausgesetzt, die das Acht- bis Neunfache seines eigenen Gewichtes übersteigt. Menschen könnten unter solchen Bedingungen kaum noch reagieren. Strömungsmechaniker der TU Freiberg gehen deshalb der Frage nach, warum der Wanderfalke bei dieser hohen Geschwindigkeit manövrieren kann und weshalb sein Körper die einwirkenden Kräfte verträgt.

Dazu tauchen die Forscher einen Wanderfalken unter Wasser – allerdings natürlich kein lebendiges Tier, sondern ein Modell des Vogels. Im Wasserkanal können sie das Flugverhalten des Vogels simulieren und auf diese Weise – mit Hilfe feiner Partikel – die Strömungseigenschaften sichtbar machen. „Das fließende Wasser trägt die leicht zu fotografierenden Teilchen mit und macht so Strömungsphänomene, wie zum Beispiel Wirbel, sichtbar“, erklärt Benjamin Ponitz. „Obwohl Wasser wesentlich dichter als Luft ist, zeigen die Stromlinien aufgrund der Ähnlichkeitstheorie die gleichen Strömungsvorgänge wie in der Realität. Das ermöglicht es uns, die Effekte bei verlangsamter Geschwindigkeit zu untersuchen.“

Hochgeschwindigkeitskameras filmen den Sturzflug

Denn mit dem bloßen Auge fällt es schwer, die Abläufe zu beobachten, wie ein weiteres Teilexperiment zeigt. Um Flugbahn und -geschwindigkeit des Luftakrobaten zu messen, filmen die Freiberger Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen der Universität Bonn an der Staumauer der Oleftalsperre in der Eifel herabstürzende Falken. Den Sturzflug von etwa 70 Metern, bei dem die trainierten Vögel rund 100 Kilometer pro Stunde erreichen, nehmen zwei Hochgeschwindigkeitskameras auf, die jede Bewegung festhalten. „Aus den gewonnen Daten der beiden Kameras rekonstruieren wir die dreidimensionale Flugbahn des Raubvogels“, beschreibt Ponitz.

„Die Aufnahmen zeigen, dass der Falke seine Flügel beim Sturzflug sehr nah an den Rumpf anlegt und so eine angepasste Körperform erreicht, wodurch die hohe Geschwindigkeit möglich wird“, sagt Poniz. Die Bilder belegen aber auch, dass der Vogel ohne Schwierigkeiten vom Sturz- in den Steigflug übergeht. Die Strömungsmechaniker der Bergakademie simulieren deshalb mit dem nachgebauten Modell des Wanderfalken den Flug im Windkanal, um aufzuklären, weshalb das Tier den auftretenden aerodynamischen Lasten gewachsen ist.

Kräfte sichtbar gemacht

Über ein Messgerät, das selbst minimale Krafteinwirkungen wahrnimmt – die sogenannte Drei-Komponenten-Waage – können die Forscher die Kräfte, die auf den Vogel ausgeübt werden, erfassen. „Damit lassen sich die einzelnen Komponenten, die das Kräfteverhalten am Modell ausmachen, also die Widerstands- und Auftriebskraft sowie das Kippmoment, ermitteln und untersuchen“, erläutert Ponitz.

Dies könnte neue Anstöße für die Flugzeugkonstruktion liefern. „Aus den Ergebnissen der Freiflugexperimente an der Staumauer, aus den Wind- und Wasserkanalversuchen sowie laufenden numerischen Simulationen hoffen wir, unter anderem Rückschlüsse für zukünftige Flugzeugkonzepte – zum Beispiel für den sogenannten „Nurflügler“ – ziehen zu können.“ Dies ist ein Flugzeug, bei dem Tragflächen und Rumpf zusammenhängend sind. „Wenn es uns gelingt, herauszufinden, wie das Tier im Sturzflug seine Stabilität bewahrt, könnten wir die Ergebnisse auf das Design neuer Flugzeugtypen übertragen“, ist sich Ponitz sicher.

(Technische Universität Bergakademie Freiberg, 09.08.2013 – SEN)