Bernd Krag

Der Laminarflügel der North American P-51 "Mustang":
Schlüssel zum Erfolg oder nur eine Illusion?

Die North American P-51 "Mustang" ist eines der bekanntesten Jagd- und Kampfflugzeuge des Zweiten Weltkrieges. Ihre guten Flugleistungen, eine große Reichweite sowie hervorragende Flugeigenschaften machten die P-51 schon bald zu einer Legende. Unzählige Bücher und Zeitschriftenaufsätze wurden über dieses Flugzeug geschrieben, und in nahezu allen werden die im Vergleich zu anderen zeitgenössischen Flugzeugen herausragenden Flugleistungen der erstmaligen Verwendung eines Flügels mit einem Laminarprofil zugeschrieben. Doch war dies tatsächlich der Grund für den überragenden Erfolg dieses Musters?

Der Konstrukteur der P-51 war Edgar Schmued, Chefkonstrukteur bei North American Aviation und bekannt für seinen Hang zur Perfektion. Es war seine Absicht, ein aerodynamisch sauberes Flugzeug zu schaffen mit den gleichen Eigenschaften wie ein ideal glattes Windkanalmodell. Als das National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) 1940 erstmalig Informationen über das neuentwickelte Laminarprofil veröffentlichte, beschloss Schmued, dieses Profil in den Entwurf der P-51 einzubeziehen, versprach es doch 20% weniger Profilwiderstand als herkömmliche Profile.

Die erstmalige Anwendung eines Laminarprofils bei einem für die Großerie vorgesehenen Flugzeug wurde vom NACA mit Interesse verfolgt, wenngleich dessen Ingenieure auch Zweifel hinsichtlich der zu erwartenden Leistungen des neuen Profils unter realen Einsatzbedingen hegten. Ihrer Überzeugung nach würde sich die glatte Oberflächenbeschaffenheit eines Windkanalmodells beim Bau des Flugzeugs nicht erreichen lassen. Unebenheiten infolge von Fertigungstoleranzen, Rauigkeit und Verschmutzung würden den Laminareffekt bestenfalls auf einen kleinen Bereich um die Flügelnase beschränken.

Dem widersprachen erste Berichte aus Großbritannien, wo das neue Flugzeugmuster mit der Projektbezeichnung NA-73 in der Flugerprobung stand. Die Flugversuchsingenieure der RAF führten die überragenden Flugleistungen tatsächlich auf den Laminarflügel zurück. Die Wissenschaftler des Royal Aircraft Establishments (RAE) in Farnborough teilten hingegen die Skepsis ihrer Kollegen von der NACA. Um herauszufinden, ob an den Auffassung der RAF-Wissenschaftler vielleicht doch etwas dran sei, sandte das US Material Command in Wright Field Dr. Edward P. Warner nach England. Nach seiner Rückkehr in die USA konnte Dr. Wagner die britischen Ansichten über die Wirksamkeit des Laminarflügels nicht mit Sicherheit bestätigen. Dennoch warnte er davor, dass die Deutschen ein Flugzeug mit ähnlichen Flugleistungen bauen könnten, wenn ihnen eine "Mustang" in die Hände fiele und damit das Geheimnis ihrer Flügelkonstruktion preisgegeben wäre.

Die Befürchtungen von Dr. Wagner waren indessen unbegründet: Zu jener Zeit hatten deutsche Luftfahrtforscher (Schlichting, Tollmien, Kawalki) Verfahren entwickelt, wie man bei kompressibler Strömung den Umschlagspunkt von einer laminaren zu einer turbulenten Grenzschicht berechnen konnte. Damit war der Weg frei für die Entwicklung neuer Hochgeschwindigkeitsprofile mit überlegenen Eigenschaften. Die neuen Profile wurden erstmalig bei der Entwicklung des Strahlflugzeugs Messerschmitt Me 262 verwendet.

Gleichwohl waren auch die deutschen Flugwissenschaftler wie ihre ausländischen Kollegen an Laminarprofilen interessiert. Prof. Hermann Schlichting, Leiter des Aerodynamischen Instituts an der Technischen Hochschule Braunschweig, beschäftigte sich sowohl theoretisch als auch experimentell mit den Eigenschaften von Laminarprofilen. Unter anderem war die Frage zu klären, ob sich eine laminare Grenzschicht auch unter realen Flugbedingungen aufrecht erhalten ließ. Alle Anzeichen deuteten darauf hin, dass der Umschlagspunkt von laminar zu turbulent mit wachsender Reynoldszahl in Richtung Profilnase wandert und der Laminareffekt bei Flugreynoldszahlen dann völlig verschwindet. Es gab allerdings keinen Windkanal, mit dem man Profile bei Flugreynoldszahlen (Re>20 Millionen) vermessen konnte.

Als die ersten P-51 "Mustang" im Frühjahr 1943 über Deutschland erschienen, fielen den Deutschen sofort die guten Flugleistungen auf. Aus Berichten amerikanischer Luftfahrtzeitschriften wusste man, dass dieses Flugzeug einen Flügel mit Laminarprofil besaß. Bei der deutschen Luftfahrtforschung bestand daher großes Interesse, einen Mustang-Flügel hinsichtlich seiner aerodynamischen Qualitäten zu untersuchen. Bald darauf konnte durch das RLM die Hälfte eines gut erhaltene Flügels einer notgelandeten P-51 bereitgestellt werden. Widerstandsmessungen in der AVA Göttingen ergaben einen außerordentlich niedrigen Profilwiderstand. Dies erweckte auch das Interesse von Professor Schlichting in Braunschweig. Der gleiche Flügel wurde in der Messstrecke des 8 m-Windkanals A3 der Luftfahrtforschungsanstalt Braunschweig-Völkenrode (LFA) montiert. Professor Schlichting wollte durch Grenzschichtmessungen herausfinden, wo sich auf der Profilkontur der Umschlagspunkt der Grenzschicht von laminar zu turbulent befindet. Im A3 konnten Messungen bis zu einer Reynoldszahl von 7,6 Millionen durchgeführt werden. Der Flügel wurde dafür sorgfältig geglättet und es wurde ein Anstrich mit der erforderlichen Rauigkeit aufgebracht.

Die Messungen mit einer speziellen Grenzschichtsonde, die in geringem Abstand zur Oberfläche bewegt wurde, erwiesen sich als sehr schwierig. Schon durch eine kleine Berührung der Sonde mit der Oberfläche konnte die Farbschicht beschädigt werden, was sofort einen Umschlag der Grenzschicht von laminar zu turbulent zur Folge hatte. Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Reynoldszahlen und Auftriebsbeiwerten wiederholt. Bei der niedrigsten Reynoldszahl (4 Millionen) lag der Umschlagspunkt bei 50% der Flügeltiefe. Mit steigender Reynoldszahl wanderte der Umschlagspunkt in Richtung Flügelnase und lag bei einer Reynoldszahl von 7,5 Millionen in 20% der Flügeltiefe. Später wurden die Messungen an Laminarprofilen einschließlich des Mustang-Profils im großen Hochgeschwindigkeitswindkanal der DVL in Berlin bis zu Reynoldszahlen von 20 Millionen fortgesetzt. Diese Messungen zeigten deutlich, dass der Laminareffekt bei realen Flugreynoldszahlen verschwindet. Das hatte man erwartet, machte aber gleichzeitig deutlich, dass man noch weit entfernt von der Entwicklung eines unter Praxisbedingungen effektiven Laminarflügels war.

Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchungen am originalen Mustang-Flügel war wie bereits erwähnt sein niedriger Profilwiderstand. Dieses Ergebnis regte zu Vergleichsmessungen mit Originalflügeln anderer Flugzeuge an. Im Jahre 1944 wurde der Profilwiderstand an den Flügeln der deutschen Muster Fw 190, He 219, He 177, Ar 234, Bf 109 F, Ju 288 sowie des mittelschweren amerikanischen Bombers Martin B-26 "Marauder" durchgeführt. Diese Messungen bestätigten nochmals die hohe aerodynamische Güte des Mustang-Flügels, während an den deutschen Flügeln ein bis zu 60% höherer Widerstand gegenüber den ideal glatten Flügeln eines Windkanalmodells ermittelt wurde. Dies dokumentierte auch die nachlassende Fertigungsqualität deutscher Flugzeuge in den letzten Kriegsmonaten. Demgegenüber waren die überragenden Messergebnisse des Mustang-Flügels vor allem auf die hohen Fertigungsstandards bei North American Aviation selbst unter Kriegsbedingungen zurückzuführen.

Zusammenfassend lässt sich feststellen: Nach den Messungen in Göttingen und Braunschweig war den Deutschen klar, dass man den Laminareffekt zur Erklärung der guten Flugleistungen der P-51 "Mustang" nicht heranziehen konnte. Vielmehr sorgten der widerstandsarme Gesamtentwurf, die gute Fertigungsqualität und die sorgfältige Auslegung des Kühlers für herausragende Flugleistungen. Edgar Schmued war es gelungen, ein Flugzeug zu bauen, das dem Ideal des Windkanalmodells näher kam als jedes andere Flugzeug seiner Zeit: Ein bemerkenswertes Flugzeug von einem ebenso bemerkenswerten Konstrukteur.

Literaturhinweise

  1. Ray Wagner: Mustang Designer Edgar Schmued and the P-51. Smithsonian Institution Press: Washington D.C. / London 1990.
  2. James R. Hansen: Engineer in Charge, A History of the Langley Aeronautical Laboratory 1917-1958. The NASA History Series. NASA: Washington D.C. 1987.
  3. Breford / Müller: Messungen am Originalflügel des Baumusters P-51 "Mustang". AVA FB. Nr. 1724/2, 1943.
  4. Kopfermann / Breford: Umschlagpunktmessungen am Originalflügel des Baumusters P-51 "Mustang". In: Deutsche Luftfahrtforschung, UM 2035, 1943.

Titelbild: Bernd Krag