Tragflügelboot: Auftrieb erzeugt Geschwindigkeit

Tragflügelboot: Auftrieb erzeugt Geschwindigkeit

 

Bei herkömmlichen Frachtern oder Passagierschiffen, deren Rümpfe voll im Wasser eingetaucht sind (Verdrängerprinzip), nimmt der Wasserwiderstand mit wachsender Geschwindigkeit stark zu. Solche Schiffe können kaum den Geschwindigkeitsbereich von 15 bis 25 Knoten (ca. 28 bis 45 km/h) überschreiten, auch wenn die Leistung der Antriebsmaschine weiter gesteigert wird. Erst wenn sich das Schiff aufgrund einer bestimmten Rumpfgestaltung aus dem Wasser herausheben kann, sind höhere Geschwindigkeiten möglich. Das Schiff gleitet dann, wie alle schnellen Motorboote, nur mit einem kleinen Teil des hinteren Rumpfes auf seiner eigenen Heckwelle (Gleitprinzip). Eine noch weitere Geschwindigkeitssteigerung ermöglichen Tragflügelboote.

 

 Tragflügelprinzip

 

Beim Tragflügelboot wird das gleiche Auftriebsprinzip wie beim Flugzeug genutzt, um das gesamte Boot ab einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit aus dem Wasser zu heben. Die vom Wasser benetzte Fläche und somit der Wasserwiderstand werden dadurch sehr klein. Entsprechend hoch kann dann die Endgeschwindigkeit bei vergleichbar geringer Antriebsleistung werden. Anders als bei Flugzeugen können die Tragflügel relativ klein sein, da das Medium Wasser, verglichen mit Luft, größere Auftriebskräfte pro Fläche ermöglicht. Daher ist auch die »Startgeschwindigkeit« im Vergleich mit Flugzeugen wesentlich kleiner, d. h., Tragflügelboote heben sich schon bei relativ geringen Geschwindigkeiten (ca. 15 kn = 25 km/h) aus dem Wasser.

 

Auf die Tragfläche wirkt im Wasserstrom eine hydrodynamische Kraft H (hydro = Wasser, Dynamik = Bewegung). Sie kann in die Widerstandskraft W und in die Auftriebskraft A zerlegt werden. Sobald die Auftriebskraft durch die wachsende Geschwindigkeit größer wird als die Verdrängung (Gewichtskraft) des Schiffes, hebt sich der Rumpf aus dem Wasser. Beim Abheben wird die benetzte Fläche des Rumpfes kleiner, der Widerstand nimmt weiter ab und die Geschwindigkeit wird größer. Dies führt wiederum zu einer Zunahme der Auftriebskraft, die den Schiffsrumpf dann vollständig aus dem Wasser hebt, sodass nur noch die Tragflügel durch das Wasser gleiten.

 

 Aufbau und Gestaltung eines Tragflügelbootes

 

Der Unterwasserrumpf eines Tragflügelbootes ist mit einem konventionellen Motorboot (flacher Boden und leicht angedeuteter Kiel) vergleichbar. Im Hafen und bei langsamer Fahrt liegt das Boot wie jedes andere Verdrängerschiff bis zur Wasserlinie im Wasser. Unter dem Rumpf sind stabile Stützen montiert, an denen quer zur Fahrtrichtung Tragflügel angebracht sind. Der Antrieb erfolgt entweder mittels konventioneller Schiffspropeller über lange und mehrfach abgestützte Propellerwellen oder mittels des Rückstoßprinzips (Jet-Foil). Beim Rückstoßprinzip wird Wasser am Bug angesaugt und mit großem Druck über eine Düse am Heck wieder ausgestoßen.

 

Form und Gestaltung der Tragflächen bestimmen die Stabilität des Schiffes bei Seegang, in Kurvenfahrt und bei starkem Wind. Bei Kurvenfahrt müssen wiederaufrichtende Kräfte wirken können, ebenso müssen Stampf- und Tauchschwingungen bei Seegang vom Tragflügelsystem aufgefangen werden. Als einfachste Systeme werden trapez-, v- oder bogenförmige Flügel eingesetzt. Diese Formen wirken selbststabilisierend. Wenn das Schiff sich nach einer Seite neigt oder vorne oder hinten tiefer eintaucht, dann wächst auch die eingetauchte Tragflügelfläche und somit der Auftrieb. Das Schiff richtet sich wieder auf. Darüber hinaus kommen noch Mehrfachflügel und im Anstellwinkel ansteuerbare Tragflügel zum Einsatz.

 

 Grenzen der Tragflügelboote

 

Die Widerstandskräfte des Wassers beim plötzlichen Eintauchen der Flügel bei voller Fahrt und hohem Seegang können zum Abreißen der Tragflügelkonstruktion führen, sodass Tragflügelboote nur in ruhigen Gewässern abheben können und bei hohen Wellen wie normale Schiffe in Verdrängerfahrt (d. h. nicht aufgetaucht) fahren müssen. Aus Festigkeitsgründen ist auch die Größe der Tragflügelboote begrenzt. Die Befestigungsprobleme von Tragflügeln für sehr große Schiffe, z. B. für den Transatlantikverkehr, sind bisher nicht gelöst.

 

Ein weiteres Problem bei Tragflügelbooten ist die Entstehung eines zu großen Unterdrucks an den Tragflächen bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Dadurch wird der Siedepunkt des Wassers so weit herabgesetzt, dass es explosionsartig verdampft und Werkstoffteilchen aus dem Tragflügel herausreißt. Diese Erscheinung nennt man Kavitation.

 

Aus diesen Gründen werden zurzeit nur Tragflügelboote mit beschränkter Größe und Verdrängung eingesetzt (maximal 250 t Gesamtgewicht). Sie dienen hauptsächlich für den schnellen Personenverkehr in Fluss- und Küstengewässern und erreichen Geschwindigkeiten bis zu 80 Knoten (ca. 150 km/h).