Am 30. September absolvierte die AK-X auf dem Flugplatz Giebelstadt ihren Erstflug. Im Cockpit saß Ingmar Meyerbuch, Leiter des Flugbetriebs der Abteilung Flugexperimente beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Tags zuvor hatten Boden- und Rollversuche stattgefunden. Nun herrschten gute Sicht und ruhige Luft – ideale Bedingungen für den Start im Flugzeugschlepp hinter der fs35 der Akaflieg Stuttgart.

Rund eine Stunde blieb der schwanzlose Segler in der Luft. Die Steuerbarkeit wurde bei verschiedenen Geschwindigkeiten erprobt, Systeme wurden getestet, anschließend setzte die AK-X problemlos auf. Für die beteiligten Studierenden dürfte das ein ziemlich langer, spannender Vormittag gewesen sein.

Ein Segler ohne Leitwerk

Die AK-X ist als rückwärts gepfeilter Nurflügler mit Winglets ausgelegt. Einen langen Heckausleger mit Höhen- und Seitenleitwerk gibt es nicht. Stattdessen trägt ein tropfenförmiger Rumpf Cockpit und Fahrwerk; daran schließen zwei stark gepfeilte Flügel mit 15 Metern Spannweite an. Klappen und Querruder an den Hinterkanten übernehmen die Steuerung, große Winglets an den Flügelspitzen enthalten die Seitenruder.

Seit Oktober 2010 entwickelt die Akaflieg Karlsruhe das Flugzeug. Ihr Ziel: ein leistungsstarkes, gutmütiges und einfach handhabbares Segelflugzeug. Die vorläufigen technischen Daten nennen die FAI-15-Meter-Klasse, 10,2 Quadratmeter Flügelfläche, 1,4 Meter hohe Winglets, 25 Grad Pfeilung, 2 Grad V-Form und eine maximale Masse von 550 Kilogramm. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei 265 km/h, die Manövergeschwindigkeit bei 195 km/h.

Die Pfeilung erlaubt leistungsfähige Profile und soll eine mit konventionellen Flugzeugen vergleichbare Nickstabilität ermöglichen. Gleichzeitig bringt sie Tücken mit: Bei hohen Anstellwinkeln kann der Außenflügel der Piste zu nahe kommen. Deshalb entschieden sich die Konstrukteure für eine Mitteldecker-Konfiguration; eine Tiefdeckervariante war anfangs ebenfalls vorgesehen. Wölbklappen unterstützen die Auslegung.

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Die Flügelklappen sind auf jeder Seite dreigeteilt. Sie arbeiten gleichzeitig als Quer-, Höhen- und Wölbklappen. Für die Höhensteuerung schlagen innere und äußere Klappen gegensinnig aus. Im Langsamflug soll das mehr Auftrieb und weniger Widerstand bringen als ein einzelnes Höhenruder hinter dem Schwerpunkt. Differenziert ausschlagende Seitenruder in den Winglets sorgen für Gierstabilität und Seitensteuerung; eine spezielle Profilierung soll deren induzierten Widerstand verringern.

Viele Modelle, viele Generationen

Bevor das manntragende Einzelstück gebaut wurde, entwickelten und testeten die Studierenden mehrere Modelle. Der aerodynamische Entwurf wurde mit Modellen im Maßstab 1:3,75 und 1:2 erprobt und weiterentwickelt. Dabei untersuchten sie Flugeigenschaften und ungewöhnliche Flugzustände – auch Trudeln. Ausgewertet wurden unter anderem die SB-13 und eigene Modellflugversuche.

Die zentralen flugmechanischen Fragen waren schnell klar: Wie lässt sich die Nickdämpfung verbessern? Wie verhält sich die Strömung beim Abriss? Und wie funktioniert die Höhensteuerung? Der Flügel erhielt einen nahezu rechteckigen Grundriss und eine geometrische Schränkung. Die Strömung soll dadurch zuerst am Innenflügel abreißen. Das führt zu einem vergleichsweise harmlosen Abkippen nach vorn und senkt die Gefahr einer vollständig abgelösten Strömung.

Flügelbiegung und -torsion können schon bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten zu Flattern führen. Deshalb wurde die Struktur sehr steif ausgelegt und die Spannweite auf 15 Meter begrenzt. Für die Struktur laufen die im Segelflugzeugbau üblichen Nachweise, darunter Bruchversuche an Flügeln und Winglets. Bei Bauteilen wie den Fahrwerken achten die Entwickler auf Robustheit und Sicherheitsreserven für Erprobung und Normalbetrieb.

Die technische Komplexität zog sich über mehrere Studentengenerationen. Anfang November 2018 stellte die Karlsruher Akaflieg den Rohbau öffentlich vor. Zu den dokumentierten Arbeiten am Prototyp gehören das Einlegen der Flügelschalen, der Einbau der Steuerstangen im Flügel, das Entformen des Rumpfes, die Harzinfusion der Wingletschalen, das Verkleben des Flügels und ein Bruchversuch des Flügels. Der Projektfortschritt wurde über Blogartikel, YouTube-Videos und eine jährliche Zeitleiste von 2010 bis 2023 festgehalten.

In der anschließenden Flugerprobung untersuchen Studierende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit dem DLR das Flugverhalten und die Flugleistung des leitwerkslosen Konzepts. Zusammen mit dem DLR hatten sie zuvor unter anderem Schwingungsverhalten und Flatterneigung analysiert. Schließlich soll die AK-X als Einzelstück beim Luftfahrt-Bundesamt zugelassen werden. Ein Nachfolgeprojekt mit der Bezeichnung AK-11 ist bereits in Planung.

Seltenes Prinzip mit langer Vorgeschichte

Nurflügler verzichten auf ein separates Höhen- und Seitenleitwerk; Rumpf und Tragflächen gehen meist fließend ineinander über. Beim „reinen Nurflügel“ liegen Antrieb, Treibstoff, Fracht und Besatzung vollständig im Tragflügel. Die Begriffe Nurflügler und schwanzloses Flugzeug werden allerdings oft synonym verwendet: Schwanzlose Flugzeuge können einen separaten Rumpf und sogar ein Seitenleitwerk besitzen. International heißen solche Konstruktionen unter anderem Flying Wing, Ailes Volantes oder Ala Volante.

Ganz scharf ist die Abgrenzung nicht. Die XB-35 gilt als Nurflügel, die mit vertikalen Stabilisierungsflossen versehene YB-49 dagegen als schwanzloses Flugzeug. Auch Winglets lassen sich entweder als aerodynamische Flügelverlängerungen oder als vertikale Stabilisierungsflächen einordnen. Deltaflügel und Nurflügel überschneiden sich ebenfalls; ein Beispiel für einen Delta-Nurflügel ist das Projekt McDonnell Douglas/General Dynamics A-12. Ein reiner Nurflügel braucht zudem eine gewisse Größe, damit wenigstens der Pilot im Flügel Platz findet – viele Horten-Konstruktionen erfüllten diese Bedingung nicht.

Vergleichbare Nurflügler sind selten. Die Horten HX-2 flog 2018 als motorisiertes Ultraleichtflugzeug. Das letzte Nurflügel-Segelflugzeug war die SB 13 der Akaflieg Braunschweig, die 1988 erstmals flog.

Die Geschichte reicht weit zurück: Am 16. Februar 1876 meldeten Alphonse Pénaud und Paul Gauchot ein Patent für ein zweimotoriges Fluggerät mit Eigenschaften eines modernen Nurflügels an. Friedrich Ahlborn beschrieb 1897 die stabilen Flugeigenschaften der Samen von Zanonia macrocarpa. Ignaz „Igo“ Etrich entwickelte 1903 einen davon inspirierten Nurflügel, patentierte ihn 1905 und flog 1906 erstmals einen bemannten Gleiter mit dieser Tragflächenform. José Weiss entwarf in England ebenfalls Gleiter nach diesem Prinzip.

Hugo Junkers meldete 1910 ein Nurflügelpatent an, das Motoren, Nutzlast und Treibstoff innerhalb der Tragfläche vorsah, aber nicht zwingend auf ein Höhenleitwerk verzichtete. Die Junkers G 38 setzte das Konzept mit einem konventionellen Kastenleitwerk um. Vor dem Ersten Weltkrieg flogen unter anderem Nurflügel von René Arnoux und John William Dunne. Beim Rhönwettbewerb 1921 absolvierte das Nurflügel-Segelflugzeug Weltensegler wahrscheinlich den ersten Segelflug über einen reinen Gleitflug hinaus.

Weiterentwickelt wurde die Idee unter anderem von Alexander Lippisch, den Brüdern Horten, Alexander Leo Soldenhoff, Jack Northrop, Boris Tscheranowski, Charles Fauvel, Geoffrey T. R. Hill und der Handley Page Aircraft Company. Im Zweiten Weltkrieg entstanden die Me 163, die Northrop N-9M und die Horten H IX. Nach 1945 folgten unter anderem die de Havilland DH.108, Northrop X-4, Chance Vought F7U Cutlass, Northrop YB-35, YB-49 und Armstrong Whitworth A.W.52. Serienreif wurde der reine Nurflügel erst mit der Northrop B-2.

Was Nurflügel schwierig macht

Für stabilen Flug muss der vordere Teil der horizontalen Fl