Whitcombs Flächenregel schnürte den Rumpf ein, und die Düsenjäger kämpften nicht mehr gegen die Schallmauer

In den frühen 1950er-Jahren stießen Düsenflugzeug-Konstrukteure nahe Mach 1 immer wieder an eine Wand: Der Widerstand stieg weit schneller als die auf Bauteilen basierenden Windkanalvorhersagen. Der Abfangjäger F-102 von Convair, für Mach 1,2 ausgelegt, erreichte nicht einmal Mach 1 – sein Programm verließ sich auf optimistische Windkanalwerte. In einem Vortrag am Langley-Institut Ende 1951 beschrieb Adolf Busemann die transsonische Strömung als starre „Strömungsrohre“ und scherzte, Ingenieure müssten zu „Rohrlegern“ werden; wenige Tage später hatte Richard Whitcomb die Erleuchtung, dass die Rohre der Flügel und des Rumpfes einander störten.

Whitcombs Experimente von 1952, veröffentlicht als NACA Report 1273, machten die Regel quantitativ: Nahe der Schallgeschwindigkeit hängt der Anstieg des Nullauftriebswiderstands in erster Linie von der axialen Entwicklung der Querschnittsfläche senkrecht zur Anströmung für die gesamte Konfiguration ab. Das Hinzufügen von Flügeln erzeugt eine Beule in dieser Kurve; das Einschnüren des Rumpfes dort, wo sie ansetzen, glättet sie wieder. Die NACA gab die Regel ab 1952 auf geheimer Basis an die US-Industrie weiter, Convair schnürte den Rumpf der F-102 ein und fügte hinten Volumen hinzu – die Auslegungsgeschwindigkeit von Mach 1,2 wurde dann erreicht –, während Grumman die F-11 Tiger von Anfang an um die Regel herum konstruierte.

Die Formgebung verbreitete sich überall, und der Spitzname blieb: Die F-102 und die Northrop F-5 wurden „fliegende Colaflaschen“ genannt. Die Nachfahren der Regel sind unsichtbar, aber allgegenwärtig – der Buckel hinter den Flugdecks der Boeing 747 und der B-1 Lancer, die Platzierung des Cockpits der F-22 und die 3,73 Meter lange Rumpfverlängerung der Concorde, die den Wellenwiderstand bei Mach 2 um 1,8 % senkte.

Den Querschnitt des ganzen Flugzeugs formen, nicht der einzelnen Teile

Der Wellenwiderstand nahe Mach 1 ist eine Eigenschaft des gesamten Flugzeugs; jedes Bauteil isoliert auf Stromlinienförmigkeit zu optimieren, hieß die falsche Größe zu optimieren – genau so scheiterten die Vorhersagen für die F-102.

Das Einschnüren des Rumpfes kostet wenig Struktur und keinen Schub, während die naheliegende Alternative – immer größere Triebwerke, um durch die Widerstandsspitze zu stoßen – über den gesamten Flug Gewicht und Treibstoff verbrannte.

Whitcomb testete im Langley-Hochgeschwindigkeitskanal vollständige Flügel-Rumpf-Kombinationen statt einzelner Teile, sodass er die Flächenkurve sehen konnte statt der Widerstandsbeiwerte einzelner Komponenten.

Busemanns Bild der „Strömungsrohre“ lieferte das mentale Modell: Luft nahe der Schallgeschwindigkeit verhält sich wie starre Rohre, und Rohre, die sich ineinander wölben, erzeugen stehende Verdichtungsstöße und Widerstand.

Die NACA verteilte die Regel ab 1952 geheim an die US-Industrie, sodass sie von Convair und Grumman angewendet wurde, während sie noch unveröffentlicht war.

Optimiere die Größe, die die Kosten bestimmt, nicht die Bauteile vor dir. Ein Rumpf kann für sich genommen vollkommen stromlinienförmig aussehen und dennoch das Problem sein, sobald die Flügel hinzukommen – forme die Kurve des Systems.

Die Flächenregel wurde zu einem festen Werkzeug der transsonischen Auslegung statt zu einer einmaligen Rettung: Sie bewahrte das F-102-Programm, prägte die F-106, F-5 und B-58 und lebt in den Buckelprofilen von Verkehrs- und Geschäftsreiseflugzeugen fort. Robert T. Jones erweiterte sie 1956 zur Überschall-Flächenregel, und sie leitete die Rumpfverlängerung der Concorde. Whitcomb erhielt für 1954 die Collier Trophy und blieb in Langley, um zwei weitere Durchbrüche hervorzubringen, das superkritische Profil und die Winglets. Das tiefere Vermächtnis ist die Gewohnheit: Prüfe die Verteilung der Querschnittsfläche, bevor du ein einzelnes Teil polierst.