Mitteilungen DMG 01 / 2006 - Deutsche Meteorologische ...

Frank Holzäpfel
Einleitung
Als unvermeidbare Konsequenz des Auftriebs erzeugt
jedes Flugzeug hinter seinen Tragflächen ein Paar gegensinnig
rotierender und langlebiger Wirbel – die so
genannten Wirbelschleppen. Abbildung 1 zeigt einen
der ansonsten unsichtbaren Wirbel, der hier von einer
B747 im Anflug auf den alten Hongkonger Flughafen
erzeugt und durch eine Abgasfahne sichtbar gemacht
wurde. Die schiere Größe des dargestellten Wirbels
verdeutlicht in anschaulicher Weise die potenzielle
Gefahr, die für ein nachfolgendes Flugzeug bestände,
wenn es in die Wirbelschleppe der B747 einfliegen
würde.
Um diesem Risiko zu begegnen, wurden in den
siebziger Jahren Sicherheitsabstände zwischen Flugzeugpaaren
festgelegt, unter deren Einhaltung bisher
kein Unfall eintrat, die aber auch die Kapazität großer
Flughäfen zunehmend einschränken. Eine EURO-
CONTROL Studie (EUROCONTROL, 2004) prognostiziert,
dass die Zunahme des Luftverkehrs den
Bedarf an Flugzeugbewegungen eines großen europäischen
Flughafens bis zum Jahr 2025 mehr als verdoppeln
könne und somit 60 europäische Flughäfen
an die Grenzen ihrer Kapazität stoßen könnten. Auch
für den Markterfolg des doppelstöckigen Großraumflugzeuges
A380, das in diesem Jahr den kommerziellen
Betrieb aufnehmen wird, sind angemessene Sicherheitsabstände
von maßgeblicher Bedeutung.
Angesichts dieser Entwicklungen etablierte das
Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
im Jahre 1999 das Projekt Wirbelschleppe, in dem
nahezu alle Aspekte des Themas bearbeitet werden.
Dabei gilt stets die Maxime, dass Kapazitätssteigerungen
nur bei mindestens gleich bleibender Sicherheit
umgesetzt werden können. Die Themen umfassen
focus
Wirbelschleppen – Forschung zur Optimierung
von Flugzeugstaffelungen
(i) die Minimierung der Stärke und der Lebensdauer
der Wirbelschleppe durch konstruktive Maßnahmen am
Flügel, (ii) die bordseitige Erkennung und Warnung vor
Wirbelschleppeneinflügen sowie deren Kompensation
und (iii) die Entwicklung eines Wirbelschleppenvorhersage-
und beobachtungssystems (WSVBS) zur dynamischen
Reduzierung der Wirbelschleppenstaffelung
im Landeanflug unter geeigneten meteorologischen Bedingung.
Die Komponenten des WSVBS mit dem stärksten
Bezug zur Meteorologie werden in den folgenden
Kapiteln genauer beschrieben.
Wirbelschleppen in der atmosphärischen Grenzschicht
Wind, Windscherung, Konvektion, Turbulenz, Temperaturschichtung
sowie der Boden bestimmen das Verhalten
der Wirbelschleppe. Das WSVBS macht sich diesen
Zusammenhang zu Nutze. Aufbauend auf Kurzfristvorhersagen
des Wetters wird das Wirbelverhalten prognostiziert.
Mit einer Vorhersage der Gefährdungsräume
um die Wirbelzentren herum kann dann der Zeitpunkt
ermittelt werden, an dem nachfolgende Flugzeuge von
Wirbelschleppen unbeeinträchtigt bleiben. Dieser Zeitpunkt
legt die minimale zeitliche Staffelung zwischen
aufeinander folgenden Flugzeugen fest.
Um ein derartiges System zu etablieren, muss jedoch
zunächst die Wechselwirkung der Wirbelschleppe mit
ihrer Umgebung verstanden werden. Die Large Eddy
Simulation (LES) erlaubt es, diese Wechselwirkungen
im Detail zu studieren. Abbildung 2 zeigt als Beispiel
das Zusammenspiel der Aufwinde einer konvektiven
Grenzschicht und dreier Wirbelpaare. Normalerweise
sinken die Wirbel aufgrund gegenseitiger Induktion mit
einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 m/s ab. Die Simulation
(HOLZÄPFEL et al., 2000, Animationen unter www.
pa.op.dlr.de/wirbelschleppe/WakeVortex.html) dagegen
demonstriert eine großskalige Deformation der Wirbel-
Abb. 1: Wirbelschleppe, die von einer B747 im Landeanflug auf den alten Hongkonger Flughafen erzeugt und durch eine Abgasfahne sichtbar
gemacht wird.
Mitteilungen 01/2006
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