mini|Aquaglide 2 des russischen Herstellers ALSIN auf der ILA in Berlin 2006
Ein Bodeneffektfahrzeug, auch Ekranoplan (; ), ist ein Fluggerät, das in geringster Höhe über ebene Oberflächen, meist Wasser, fliegt und dabei den Bodeneffekt ausnutzt. Der russische Name Ekranoplan steht dabei im Russischen nicht nur als Synonym für Bodeneffektfahrzeuge schlechthin, sondern bezeichnet auch eine spezielle russische Entwicklung unter den bisher bekannten Bodeneffektfahrzeugen. Eine Differenzierung zwischen Bodeneffektfahrzeugen, die freiflugfähige Luftfahrzeuge sind, und den tatsächlich an den bodennahen Bereich gebundenen Bodeneffektfahrzeugen ist nötig. Erklärbar wird diese Unterscheidung durch die genaue Beschreibung des Bodeneffektes.
Unter Bodeneffekt versteht man grundsätzlich die speziellen Strömungsverhältnisse eines Tragflügels im bodennahen Bereich. Dort ist die Auftriebskraft größer als bei frei umströmten Flügeln. Mit zunehmender Höhe nimmt der Bodeneffekt ab und ist normalerweise ab einer der halben Spannweite entsprechenden Höhe nicht mehr vorhanden.
Bodeneffektfahrzeuge sind auf Sparsamkeit, große Reichweite oder erhöhte Zuladung ausgelegt und können in ihren Einsatzmöglichkeiten die Lücke zwischen schnellen Luft- und transportstarken Wasserfahrzeugen schließen. Je nach Bauart werden sie unter spezielle Wasserfahrzeuge oder eigentliche Flugzeuge eingeordnet. Bodeneffekt-Luftfahrzeuge sind aber eingeschränkter einsatzfähig als Flugzeuge und weniger effizient als Schiffe.
Grundlagen Der Bodeneffekt beruht zum einen darauf, dass sich unter den Tragflächen und dem Rumpf jedes Luftfahrzeuges in Bodennähe während des Fluges durch die Luft eine Luftrolle („Walze“) bildet, die sich mit dem Flugzeug fortbewegt und auf der es gleiten kann. Der Wirkungsgrad der Tragfläche wird somit verbessert und der Rumpf vieler Bodeneffektfahrzeuge erhält überhaupt erst einen aerodynamischen Wirkungsgrad. Der bei gleichem Luftwiderstand durch den Bodeneffekt deutlich vergrößerte dynamische Auftrieb macht den Bodeneffektflug wirtschaftlicher als den Flug in größeren Höhen.
Ein zweiter Effekt, der den größeren Anteil an der Erhöhung des Wirkungsgrades eines Bodeneffektfahrzeuges hat, ist das Wegfallen des unteren Teils der Wirbelschleppe. Diese bildet sich am Ende einer Tragfläche eines jeden Flugzeuges und ist für einen großen Teil des Luftwiderstands verantwortlich. Bei einigen Flugzeugen versucht man den Widerstandsbeiwert zu verbessern, indem man die Tragflächenenden mit Winglets versieht. Da die Wirbelschleppe sich jedoch nur in der Luft ausbreiten kann, wird im Tiefflug die Bildung des unteren Teils der Wirbelschleppe vom nahen Boden oder der See verhindert. Der verbesserte Wirkungsgrad hat eine erhöhte Reichweite oder deutlich erhöhte Nutzlast zur Folge.
Bauformen Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Bodeneffektfahrzeugen: Die freiflugfähigen Einflügler nach dem Prinzip Alexander Lippisch, Hanno Fischer und Rostislaw Alexejew (Ekranoplan) und die ausschließlich im Bodeneffekt arbeitenden Tandem-Airfoil-Flairboote von Günther W. Jörg. Bei den einflügeligen Bodeneffektfahrzeugen, die auch als Flugzeuge den Bodeneffekt verlassen können, müssen zur Regulierung der Flughöhe im bodennahen Bereich zusätzliche konstruktive Maßnahmen getroffen werden, meist elektronischer Art (Stabilisatoren). Die Tandem-Airfoil-Flairboate arbeiten nach dem Prinzip eines Stauflügelfahrzeuges mit Tandemflügeln völlig eigenstabil ohne zusätzliche Hilfsmittel und können den Bodeneffekt nicht verlassen. Das Problem des plötzlichen Hochschießens der einflügeligen Bodeneffektfahrzeuge tritt hier konstruktionsbedingt nicht auf.
Im Bodeneffekt halten einflügelige Bodeneffektfahrzeuge, abgesehen vom Problem des plötzlichen Hochschießens, ihre Flughöhe bedingt eigenstabil. Beim „Kaspischen Seemonster“ der Sowjetunion (siehe unten) ist die Auswirkung des Bodeneffekts so groß, dass, wenn der Bodeneffekt einmal erreicht worden ist, nur noch zwei der zehn Triebwerke arbeiten müssen, um das Fluggerät voll beladen und höhenstabil auf Reisefluggeschwindigkeit zu halten. Die anderen Triebwerke werden nach Erreichen des Bodeneffekts und der Reisefluggeschwindigkeit abgeschaltet. Nur Langstreckenflüge ohne Zwischenlandung sind effizienter.
Bei erhöhter Antriebsleistung können die meisten einflügeligen Bodeneffektfahrzeuge kurzfristig auch in den freien Flug übergehen, zum Beispiel um Hindernisse zu überwinden. Die mögliche Zeit des Freiflugs und somit auch die zwischen zwei bodeneffektfähigen Untergründen überbrückbare Strecke ist durch die mitgeführten Kraftstoffreserven limitiert, die ohne Bodeneffekt deutlich schneller zur Neige gehen als bei echten Flugzeugen mit vergleichbarer Masse. Ökonomische Einsparungen hängen deshalb vor allem von der Routenplanung bzw. dem bestimmungsmäßigen Gebrauch ab.
Mit den meisten großen einflügeligen Bodeneffektfahrzeugen wie den russischen Ekranoplanen ist das Landen und Starten an Land aufgrund der langen Start- und Landestrecken nicht möglich, ohne die existierenden Start- und Landebahnen der Landflugplätze deutlich auszubauen. Sie sind fast alle ausschließlich auf die Wasserung ausgelegt. Kleinere Hybridmaschinen können oft landen.
Strömungsabriss Bei allen Bodeneffektfahrzeugen, den Delta-Flüglern und den Tandem-Flüglern, ist die Tragfläche im Verhältnis zur Rumpflänge kürzer als bei Fluggeräten, die für größere Flughöhen konstruiert wurden. Da die Wirbelschleppe sich von den Tragflächenspitzen der Flügel aus nach hinten kegelförmig ausbreitet, können sich bei einem Bodeneffektfahrzeug mit nur einem Flügel, wie Ekranoplan, Lippisch X-113 und Nachfolger, die Kegel der Wirbelschleppen der beiden Tragflächenenden noch vor dem Rumpfende treffen. Wenn das geschieht, sinkt das Heck schlagartig ab, das Fahrzeug steigt erst steil nach oben, um dann, den Bodeneffektflug verlassend, seine Mindestfluggeschwindigkeit zu unterschreiten und durch einen Strömungsabriss an den Tragflächen abzustürzen.
Die Anordnung von Tandemflügeln nach dem Prinzip des Ingenieurs Günther W. Jörg bewirkt dagegen eine gezielte Ausnutzung der Strömung der Vorderflügel mit einer konstruktiven Hinführung zu einem Zusatzauftrieb der Hinterflügel. Die gefürchtete Druckpunktwanderung der oben aufgeführten einflügeligen / deltaflügeligen „Bodeneffektflugzeuge“, die zu einem unkontrollierten Verhalten des Fahrzeuges führt, wird bei dieser Konstruktion vermieden. Das Zusammenspiel beider Tandemflügelkonfigurationen bewirkt eine reibungslose stabile Fortbewegung über die Wasseroberfläche in definierter Höhe.
Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, um dem gefürchteten Effekt der Druckpunktwanderung beim Bodeneffektflugzeug mit nur einem Tragflügelpaar zu begegnen: Das Heckleitwerk so hoch bauen, dass das Zusammentreffen der Wirbelschleppen das Höhen- und Seitenruder nicht erreicht. Die Spannweite vergrößern, damit die Wirbelschleppen sich erst hinter dem Bodeneffektfahrzeug treffen. Das würde allerdings die Manövrierfähigkeit negativ beeinflussen und das Leergewicht stiege deutlich an. Die Steuerflächen mit sogenannten „Entenflügeln“ vom Heck an den Bug verlegen. Den Gewichtsschwerpunkt nach vorne verlegen. Die Tragflächen so formen, dass die Wirbelschleppe sich nicht kegelförmig, sondern verzwirbelt nach hinten ausbreitet und dieser Zwirbel das Heck des Bodeneffektfahrzeuges nicht berührt. Schließlich kann eine Elektronik das Fahrzeug steuern, um dem plötzlichen Aufsteigen rechtzeitig zu begegnen.
Im Westen war es üblich, rein aerodynamische Wege zu finden. Im Osten brachte man alle Triebwerke nach vorne, verlagerte also das Gewicht, baute das Heckleitwerk möglichst hoch und ließ die Elektronik (analoge Rechner, noch mit Elektronenröhren) den Piloten unterstützend das Fliegen übernehmen.
Ein weiterer problematischer Effekt entsteht durch die Luftrolle, die einen starken Wind entgegen der Flugrichtung erzeugt und beim Flug über festen Untergrund Schäden an Bauwerken und Vegetation hinterlassen kann. Durch aerodynamische Störungen kann es insbesondere beim Wechsel der Bodenart (Wasser, Steppe, Buschland) zu Turbulenzen kommen, die zum Strömungsabriss oder zur Destabilisierung des Fluges führen können. Dies wird theoretisch bei Bodeneffektflugzeugen berücksichtigt, die im Binnenbereich eingesetzt werden und zum Beispiel Landstrecken zwischen zwei Seen überfliegen sollen. Durch zusätzlich benutzte Triebwerke steigt der Treibstoffverbrauch dadurch, dass das Bodeneffektflugzeug dabei wie ein normales Flugzeug zum Einsatz kommt. Solche Fahrzeuge können bei bewaldetem oder bergigem Gelände kurzzeitig in den freien Flug übergehen. Zur Erhöhung der Flugsicherheit können Flugschneisen mit dem Piloten vertrauten Bodenarten benutzt werden.
Flughöhen Die Luftrolle (Walze) wird vom Flugzeug selbst erzeugt und passt sich bei verändertem Flugverhalten innerhalb weniger Sekunden den neuen Flugdaten an. Für einflügelige Bodeneffektfahrzeuge, die grundsätzlich auch freiflugfähig sind, ist diese nicht klar abgegrenzt, sondern ein horizontaler Wirbelwind, in dem es für bestimmte Zwecke jeweils optimale Positionen für die Lage der Maschine gibt. Mit sinkender Flughöhe gerät das Fahrzeug nicht in das Auge des Wirbelwinds, sondern presst die Walze auf einen kleineren Durchmesser zusammen, wobei sie tragfähiger wird. Mit steigender Flughöhe wird auch die Rolle größer, weniger tragfähig und zunehmend instabil. Ab Flughöhen über ca. acht Metern kommt es bei den meisten Bodeneffektfahrzeugen, darunter allen kleineren Typen, zur Auflösung der Rolle. Sie soll aerodynamisch, zum Beispiel durch vergrößerte Tragflächen, bis zu zwölf oder mehr Meter ausgedehnt werden können, wobei aber bereits Freiflugeigenschaften in den Vordergrund treten. Viele Typen können dann zwar weiterhin fliegen, verbrauchen aber viel Kraftstoff. Manche schwere Bautypen können allerdings ihre Rolle überhaupt nicht verlassen und steigen auch bei äußerster Antriebsleistung nur unwesentlich höher. Größe der Rolle, Geschwindigkeit und mögliche Flughöhen hängen von technischen Daten der Typen sowie vom Verhalten des Piloten ab. Für jeden Typ und Verwendungszweck gibt es unterschiedliche Spezifikationen, die vom Piloten erlernt werden müssen. Wie überall in der Luftfahrt bietet dann auch bei einflügeligen Bodeneffektfahrzeugen größere Höhe mehr Sicherheit.
Kleinere Maschinen werden oft so konstruiert, dass die Optimalhöhen für Effektivität oder Sparsamkeit zwischen zwei und drei Metern liegen. Die Maschinen werden so geflogen, dass sie möglichst oft auf ihre Optimalhöhe sinken. Größere Maschinen werden oft so konstruiert, dass die Optimalhöhe über Wasser für Sparsamkeit oder bei hoher Zuladung zwischen 5 und 8 Meter liegt. Es gibt jedoch über spiegelglattem, hindernislosem Boden keine aerodynamisch festgelegte Mindestflughöhe. Technisch wären auch Optimalhöhen von deutlich unter einem Meter bis hin zu knapp über dem Boden liegendem Rumpf möglich, was aber Konflikte mit Wellen, Seezeichen oder Menschen häufiger macht. Beim Wassern bleibt die Luftrolle auch noch erhalten, wenn der Rumpf bereits im Wasser gleitet, und bricht erst mit sinkender Geschwindigkeit zusammen. Auch sehr große Maschinen von 75 bis über 100 Meter Länge, die auch fälschlicherweise trotz Freiflugeigenschaften als „fliegende Schiffe“ bezeichnet werden, könnten prinzipiell so konstruiert werden, dass die optimalen Flughöhen unter einem Meter Flughöhe (Rumpf) liegen, was aber durch die schwere Lenkbarkeit dieser Maschinen mit einem hohen Risiko behaftet ist. Hinzu kommt, dass bei dieser Optimierung der Langzeitflug über offene See ineffizient wird, weil die Reiseflughöhe bei Wellengang über dem wirtschaftlichen Optimum liegt.