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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.
ohne Bodeneffekt
mit Bodeneffekt
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 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 wie folgt 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, dem Druckwiderstand und dem induzierten Widerstand. Dieser
entsteht durch die Wirbel an den Flügelenden, die sich durch den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite bilden.
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 Albatros1 beobachtet, aber nicht verstanden, und schon Anfang des 20.
Jahrhunderts mit Beginn der Fliegerei erkannt.
Vorkommen des Bodeneffekts
Flächenflugzeuge:
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) 2 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. Aus diesem Grund heißen diese Geräte auch Bodeneffekt„fahrzeuge“ und nicht
Bodeneffekt„flugzeuge“, obwohl es physikalisch gesehen Luftfahrzeuge sind, die fliegen (dynamischer Auftrieb, Flugzeuge) und nicht
1
2
Ist eine Familie der Seevögel
ist ein Fluggerät, das in geringster Höhe über ebene Oberflächen, meist Wasser fliegt, um den Bodeneffekt auszunutzen.
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.
Helikopter:
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.