Wirbelschleppe

Mit Rauch sichtbar gemachte Wirbelschleppe (NASA).

Bei Wirbelschleppen (engl. wake turbulence), auch Wirbelzöpfe 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. Der Begriff „Wirbelschleppen“ bezieht sich dabei sowohl auf die an sich unsichtbaren Luftverwirbelungen, als auch auf die im Zuge von Kondensationsprozessen sichtbar werdenden Wolkenspuren in ihrem Zentrum (engl. wing tip trails).

Inhaltsverzeichnis

1 Entstehung und Auswirkungen
2 Kategorien
3 Verhalten bei Gefahr von Wirbelschleppen
4 Wissenschaftliche Untersuchungen
5 Tatsächliche Unfälle
6 Literatur
7 Siehe auch
8 Weblinks

Entstehung und Auswirkungen

Wirbelschleppen einer langsam fliegenden F-15 nach einer Luftbetankung durch einen KC-10 Extender.

Boeing 747 mit Wirbelschleppen in Basel

Wirbelschleppen sind eine Begleiterscheinung des Auftriebs. Daher treten sie bei einem startenden Flugzeug erstmals am Rotationspunkt auf, wenn das Bugrad abhebt. Ihre Intensität ist wesentlich von der Masse (Gewicht) des Flugzeugs und dessen Anstellwinkel beeinflusst. Wirbelschleppen bilden sich nach dem Aufsetzpunkt, wenn das landende Flugzeug auf der Landebahn aufgesetzt hat, nicht neu. 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, deren Lebensdauer von Wind und Atmosphäre beeinflusst wird. Zwischen den beiden Wirbeln entsteht eine starke, vertikal abfallende Luftströmung, die für nachfolgende Flugzeuge gefährlich ist. Bei ausgefahrenen Klappen, 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 wirkt sich auf die Kapazität eines Flughafens aus.

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 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 eine Erhöhung 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

Durch Einteilung der Flugzeuge in Gewichtsklassen werden die benötigten Abstände (engl. wake turbulence separation minima) definiert, um die Gefahren der Wirbelschleppen zu vermeiden. Die Daten in der abgebildeten Tabelle entsprechen den Angaben im Lufthansa Flight Training Manual.

vorausgeh. Flugzeug		folgendes Flugzeug	Abstand - Radar	Abstand - Zeit	Beispiel
L	Light (MTOW bis 7 t)	light	3 NM	N/A	Dornier Do 28 <- Dornier Do 28
		medium	3 NM	N/A	Cessna 182 <- Boeing 737
		heavy	3 NM	N/A	Dornier Do 28 <- Boeing 747
M	Medium (MTOW 7 t bis 136 t)	light	5 NM	3 min	Boeing 737 <- Cessna 172
		medium	3 NM	N/A	Boeing 737 <- Airbus A320
		heavy	3 NM	N/A	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 <- Boeing 737
		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 Europa gibt es diese besondere Klasse nicht.

Um die Kapazitätsvorteile bei der Landebahnnutzung (Passagiere/Zeit) teilweise erhalten zu können, schlägt Airbus für den A380 eine "Unterschreitung" der Mindestabstände zum vorausfliegenden Flugzeug vor [1].

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

Der Tower-Controller 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 Grunde 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:
Landung am Beginn der Startbahn und kurze Landung.
Abflug hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
Abheben (rotieren) bevor der Rotationspunkt des vorangehenden Flugzeugs erreicht ist. Dann unbedingt über dessen Steigweg bleiben. Unbedingt Kursänderungen, die unter oder hinter dem Weg eines großen Flugzeuges entlangführen vermeiden.

Wissenschaftliche Untersuchungen

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 u. -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 Atmosphäre 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.
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, wie oben erwähnt, schon vorgekommen ist.

Tatsächliche Unfälle

Am 12.11.2001 gegen 9:15 Uhr Ortszeit, nur zwei Monate nach den Anschlägen auf das World Trade Center in New York City, stürzte kurz nach dem Start vom dortigen JFK-Flughafen ein Airbus A300 auf dem Flug 587 nach Santo Domingo der American Airlines (Details über Unfallhergang und Anzahl der Toten siehe dort) in der Nähe von Rockaway Beach, Queens, NY, aufgrund von Wirbelschleppen einer vorher abgeflogenen Boeing 747 in dicht besiedeltes Gebiet.

Literatur

Bachmann, Faber, Sanftleben - Gefahrenhandbuch für Piloten, Motorbuch Verlag Stuttgart, ISBN 3-87943-656-8
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 - Privat Pilot Manual 2001, ISBN 0-88487-238-6
Lufthansa Flight Training, Pilot School, BRE OS1/A - International Air Traffic Regulations and Procedures, 2003
Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt - Aerodynamik des Flugzeugs 1 (Klassiker der Technik), Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3540673741
Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt - Aerodynamik des Flugzeugs 2 (Klassiker der Technik), Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 354067375X