Wirbelschleppe

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Dieser Artikel behandelt die Wirbel hinter Tragflächen. Für die Wolkenspur hinter einem hoch fliegenden Flugzeug siehe Kondensstreifen
Mit Rauch sichtbar gemachte Wirbelschleppe (NASA)
Kondensstreifen mit sichtbarer Wirbelschleppe

Bei Wirbelschleppen (engl. wake turbulence), auch Wirbelzöpfe oder Randwirbel genannt, handelt es sich um zopfartige, gegenläufig drehende Luftverwirbelungen hinter fliegenden Flugzeugen. Ihre Intensität ist vom Gewicht des Flugzeuges abhängig. Die Lebensdauer wird von Wind und Atmosphäre beeinflusst. Im Zentrum der Wirbel ist der Luftdruck vermindert. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann dort Kondensation einen sichtbaren Streifen erzeugen (engl. wing tip trails).

Es gibt Wirbelschleppen auch hinter anderen, nicht fliegenden Fahrzeugen, wo sie aufgrund der geringeren Intensität und der Luftreibung am Boden jedoch nur sehr viel geringere Auswirkungen besitzen.

Entstehung und Auswirkungen[Bearbeiten]

Im Zentrum der Wirbel ist der Luftdruck deutlich vermindert. Das führt bei hoher Luftfeuchtigkeit zur Kondensation von Wasserdampf. Es entstehen zwei an den Flügelspitzen ansetzende Kondensstreifen

Wirbelschleppen sind eine Begleiterscheinung des dynamischen Auftriebs. Sie treten unvermeidlich bei jedem Flugzeug auf, sobald die Luft schnell an der Tragfläche entlang strömt. Ihre Intensität wird von der Geometrie der Tragflächen und von ihrem Anstellwinkel beeinflusst. Indirekt sind damit auch Größe und Masse eines Flugzeugs verbunden: Je größer die ersten beiden Werte, desto stärker werden auch die Wirbelschleppen. Man kann zwei Entstehungsursachen für Wirbelschleppen unterscheiden, wobei die erste dominierend ist:

  • Damit ein Flugzeug Auftrieb erzeugen kann, muss Luft an den Tragflächen nach unten beschleunigt werden. Da diese Beschleunigung außerhalb des Flugzeugbereiches nicht erfolgt, entsteht ein Drehimpuls, und es bilden sich hinter dem Flugzeug zwei gegenläufig drehende Wirbel. Zwischen den beiden Wirbeln entsteht eine starke, vertikal abfallende Luftströmung, die für nachfolgende Flugzeuge gefährlich ist.
  • Da an der Flügeloberseite bei der Erzeugung von Auftrieb Unterdruck herrscht, kommt es an den Flügelspitzen zu einem Druckausgleich, bei dem Luft von der Flügelunterseite zur -oberseite strömt. Die Luft hat dabei das Bestreben, sich vom höheren zum niedrigeren Druck zu bewegen, um die Druckdifferenz auszugleichen. Wegen der hohen Geschwindigkeit ist dies jedoch nicht über Vorder- oder Hinterkante des Tragflügels möglich. Am Ende des Tragflügels besteht jedoch die Möglichkeit zum Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite des Flügels. Dies beschleunigt die Luft um das Flügelende herum von oben nach unten und trägt damit zum Randwirbel bei.

Bei ausgefahrenen Auftriebshilfen, also bei Start oder Landung, verstärkt sich in Abhängigkeit vom Gewicht des Flugzeuges die Intensität der hinter dem Flugzeug verbleibenden schlauchartigen Wirbel. In ungünstigen Fällen können die Wirbelschleppen so lange anhalten und eine solche Stärke erreichen, dass sie z. B. am Boden ganze Hausdächer abdecken. Speziell im Gebiet eines Flughafens kommen sich Flugzeuge zwangsläufig so nahe, dass schon in der Warteschleife, aber besonders im Landeanflug und beim Start auf die Abstände der Maschinen geachtet werden muss, um Turbulenzen und Steuerungsprobleme durch Wirbelschleppen für nachfolgende Maschinen zu vermeiden. Hier gilt eine Richtzeit von zwei bis drei Minuten. Diese Staffelung limitiert die maximale Kapazität eines Flughafens.

Wirbelschleppen können derart starke Strömungen bzw. Turbulenzen quer zur Flugbahn eines nachfolgenden Flugzeuges erzeugen, dass die Belastungsgrenzen von Bauteilen überschritten werden. So ist es schon vorgekommen, dass einem mit zu geringem Abstand gestarteten Flugzeug, in dem der Pilot dieser Störung entgegenwirken wollte, das Seitenleitwerk abgerissen wurde. Wirbelschleppen können so stark sein, dass sie den Flug eines nachfolgenden Flugzeuges gefährden.

Die Luft kühlt sich im Zentrum der Verwirbelung am Flügelende adiabatisch ab, da sich hier ein Bereich besonders niedrigen Drucks befindet. Dabei erreicht die Luft oft Temperaturen unterhalb der Taupunkttemperatur, wodurch es zur Kondensation des in der Luft enthaltenen Wassers zu Wasserdampf/Nebel kommt und ein Wirbelzopf sichtbar wird. Für die Konstruktion von Flugzeugen sind die Fragen des Auftriebs entscheidend, wobei der durch Wirbelschleppen bedingte Auftriebsverlust mit zunehmender Tragflächenlänge abnimmt. Damit ist auch eine Verringerung der Abrissgeschwindigkeit und des Treibstoffverbrauchs, aber auch eine Einschränkung der Manövrierfähigkeit verbunden. Gerade bei Kampfflugzeugen nimmt man aber zugunsten der Manövrierfähigkeit kürzere Flügel und verhältnismäßig starke Wirbelschleppen in Kauf. Von diesem Sonderfall abgesehen, wird generell eine hohe Streckung bevorzugt und/oder die Tragflächenenden werden mit Winglets versehen.

Kategorien[Bearbeiten]

Durch Einteilung der Flugzeuge in Gewichtsklassen werden die benötigten Abstände (engl. wake turbulence separation minima) definiert, um die Gefahren der Wirbelschleppen zu vermeiden. Die folgende Tabelle zeigt die Einteilung gemäß ICAO[1]

vorausgeh. Flugzeug folgendes Flugzeug Abstand - Radar Abstand - Zeit Beispiel
L Light (MTOW <7 t) light 3 NM N/A Cessna 182 <- Cessna 182
medium 3 NM N/A Cessna 182 <- Airbus A320
heavy 3 NM N/A Cessna 182 <- Boeing 747
M Medium (MTOW 7 t bis 136 t) light 5 NM 3 min Airbus A320 <- Cessna 182
medium 3 NM N/A Airbus A320 <- Airbus A320
heavy 3 NM 2 min Airbus A320 <- Boeing 747
H Heavy (MTOW >136 t) light 6 NM 3 min Boeing 747 <- Cessna 182
medium 5 NM 2 min Boeing 747 <- Airbus A320
heavy 4 NM N/A Boeing 747 <- Boeing 747

Die Boeing 757 wird auf Grund von verstärkt auftretenden Wirbelschleppen nach Beinaheunfällen trotz ihres Gewichtes von weniger als 136 Tonnen beinahe immer in die Kategorie Heavy einsortiert. In den USA besteht eigens für die 757 eine weitere Klasse, die sog. Klasse MH (Medium-Heavy). In Großbritannien hat die Civil Aviation Authority die Klassen Heavy, Upper Medium, Lower Medium, Light und Small; weiterhin genießt der Airbus A380 in einigen Aspekten eine Sonderbehandlung. Kontinentaleuropa verwendet die ICAO Klassen.

Um die Kapazitätsvorteile (Passagiere/Zeit) teilweise erhalten zu können, schlägt Airbus für die A380 bei der Landebahnbenutzung eine Unterschreitung der Mindestabstände zum vorausfliegenden Flugzeug vor,[2] dadurch verlängert sich die Zeitspanne für das nachfolgende Flugzeug.

Das DLR führte im Jahre 2006 umfangreiche Untersuchungen dazu durch und kam zu dem Schluss, dass sich die Wirbelschleppen einer A380 im Reiseflug nicht signifikant von denen einer Boeing 747 unterscheiden.[3] Für Start und Landung allerdings wurde eine vergrößerte Separation als Empfehlung an die ICAO herausgegeben, wobei der Abstand für die A380 als nachfolgendes Flugzeug bei 3 NM bleibt:

vorausgeh. Flugzeug folgendes Flugzeug Abstand - Radar Abstand - Zeit Beispiel
J Super (A380) light 8 NM 3 min Airbus A380 <- Cessna 182
medium 5 NM 3 min Airbus A380 <- Airbus A320
heavy 4 NM 2 min Airbus A380 <- Boeing 747
super 4 NM N/A Airbus A380 <- Airbus A380

Trotz gleichem oder höherem Gewicht als die A380 wurden C-5 Galaxy und An-124 bisher wie eine B747 behandelt.

Verhalten bei Gefahr von Wirbelschleppen[Bearbeiten]

Der Flugverkehrskontrolllotse auf dem Turm gibt üblicherweise bei Gefahr von Turbulenzen und Wirbelschleppen eine Warnung aus. Dennoch steht letztendlich der Pilot in der Verantwortung, sicher zu landen und einen Unfall zu vermeiden. Aus diesem Grund haben sich unter anderen folgende Verfahren als sinnvoll erwiesen:

  • Landung hinter einem landenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
    Über dem Gleitweg des vorhergehenden Flugzeugs bleiben und nach dessen Aufsetzpunkt landen.
  • Landung hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
    "kurze" Landung, also am Beginn der Landebahn.
  • Abflug hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
    Abheben (rotieren), bevor der Rotationspunkt des vorangehenden Flugzeugs erreicht ist und über dessen Steigweg bleiben.

Wissenschaftliche Untersuchungen[Bearbeiten]

Airbus musste für den Airbus A380 wegen des großen Gewichts und der dadurch sehr intensiven Wirbel neue Technologien entwickeln, welche die Wirbelschleppen bei diesem großen Flugzeug in Grenzen halten.

Die Forschung zu diesem Thema lässt sich in drei Bereiche aufteilen:

1. Wirbelerkennung und -vorhersage

Die Entwicklung von Methoden zur Abschätzung des Wirbelverhaltens, z.B. in Abhängigkeit meteorologischer Kennwerte, lassen eine theoretische Wirbelvorhersage z.B. in Computermodellen zu. Die physikalischen Prozesse des Transports und Zerfalls der Wirbel in der Erdatmosphäre sind verstanden. Wirbelschleppen und ihre meteorologischen Parameter können mittels eines gepulsten LIDARs vorhergesagt und beobachtet werden.

2. Wirbelvermeidung

Durch Entwicklung von Flugzeugen mit günstiger Wirbelcharakteristik wird versucht, die Wirbelstärke zu verringern. Es ist außerdem nachgewiesen, dass Flugzeugwirbelschleppen durch die Erzeugung von Mehr-Wirbel-Systemen abgeschwächt werden können.

Um direkt am Flugzeug konstruktiv die Wirbelschleppenbildung zu vermindern, gibt es folgende Überlegungen:

  • Am rechten und linken Flügel werden verschieden drehende Triebwerke eingebaut. Die Turbinen rotieren jeweils gegenläufig, so dass entgegengesetzte, nach innen und außen drehende Wirbel entstehen. So wird die Wirbelschleppe gestört und klingt früher ab. Dieser Ansatz ist allerdings eher theoretischer Natur: die Kosten, Triebwerke quasi doppelt zu entwickeln, einmal für die rechte und die linke Tragfläche, sind kaum zu finanzieren. Die gesamte Logistikkette für Ersatzteile von kleinen Schaufeln bis zu kompletten Triebwerken würde sich nahezu verdoppeln.
  • Ein speziell verkleidetes Fahrwerk wird schon frühzeitig ausgefahren. Auch das schwächt die problematischen Wirbel.
  • Die Klappen werden nicht ganz an den Rumpf herangeführt. So entsteht an dieser Stelle ebenfalls ein gegenläufiger Wirbel, der die Wirbelschleppe schwächt.

3. Wirbelverträglichkeit

Der dritte Teil der Forschung bezieht sich auf die Entwicklung von Methoden zur Erhöhung der Sicherheit bei Einflug in eine Wirbelschleppe, damit es z.B. bei Einflug in solche Wirbel nicht zu Klappenabrissen kommt, was schon vorgekommen ist.

Tatsächliche Unfälle[Bearbeiten]

Am 12. November 2001 gegen 9:15 Uhr Ortszeit stürzte kurz nach dem Start vom John F. Kennedy-Flughafen, New York, ein Airbus A300 auf dem Flug 587 nach Santo Domingo der American Airlines in der Nähe von Rockaway Beach, Queens, NY, in dicht besiedeltes Gebiet. Ursache war die Reaktion des Copiloten auf Wirbelschleppen einer vorher abgeflogenen Boeing 747 mit übermäßigen Ruderbewegungen.[4]

Hörbarkeit[Bearbeiten]

Hörbeispiel: Nach dem Überflug einer Passagiermaschine beginnt bei Sekunde 50 ein dumpfes Rascheln und Zischen, das bis zum Ende der Aufnahme anhält.

Wirbelschleppen können unter bestimmten Voraussetzungen hörbar sein. Vor allem an windstillen Tagen können Wirbelschleppen hinter schweren Flugzeugen als dumpfes Brausen und Zischen wahrgenommen werden. Stabile Wirbelschleppen sind als breitbandiges tieffrequentes Geräusch hörbar.[5] Ist die Wirbelschleppe schwächer, kann sie mit einem Geräusch wie reißendes Papier abbrechen. Der hörbare Schall der Wirbelschleppe tritt meist auf, wenn das Flugzeug bereits vorüber ist, und nimmt erst dann an Intensität zu. Dabei ist das Geräusch deutlich hinter dem Flugzeug am Himmel zu orten, manchmal scheint es dem Flugzeug sogar entlang seiner Fluglinie zu folgen. Das Geräusch kann für dreißig Sekunden oder länger anhalten, wobei sich seine Klangfarbe fortwährend ändert, manchmal mit raschelnden und reißenden Anteilen, bis es schließlich erstirbt.

Literatur[Bearbeiten]

  • Bachmann, Faber, Sanftleben - Gefahrenhandbuch für Piloten, Motorbuch Verlag Stuttgart, ISBN 3-87943-656-8
  • Peer Böhning - Akustische Lokalisierung von Wirbelschleppen, Technische Universität Berlin, Berlin 2006 (online)
  • Götsch, Ernst - Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8
  • Jeppesen Sanderson - Private Pilot Study Guide 2000, ISBN 0-88487-265-3
  • Jeppesen Sanderson - Private Pilot Manual 2001, ISBN 0-88487-238-6
  • Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt - Aerodynamik des Flugzeugs 1 (Klassiker der Technik), Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67374-1
  • Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt - Aerodynamik des Flugzeugs 2 (Klassiker der Technik), Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67375-X

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Lufthansa Flight Training, Pilot School, BRE OS1/A - International Air Traffic Regulations and Procedures, 2003
  2. Airbus.com: Airbus A380 Wake Vortex study completed, Meldung vom 28. September 2006
  3. dlr.de: Airbus A380 Wirbelschleppen-Studie abgeschlossen – DLR-Unterstützung bei Messungen erfolgreich, Meldung vom 3. November 2006
  4. Offizieller Unfallbericht der Flugunfalluntersuchungsbehörde NTSB vom 26. Oktober 2004, Seite 160 (siehe Weblink)
  5. Böhning: Akustische Lokalisierung von Wirbelschleppen. 2006, S. 33.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Wirbelschleppe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien