Gefährliche Wirbel

20.07.2014

Der Airbus A320 mit dem Kennzeichen D-ATRA ist das größte Luftfahrzeug in der DLR-Flotte. Seit Ende 2008 wird der Jet als  äußerst flexibel nutzbare Flugversuchsplattform eingesetzt. Bild: DLR

Wirbelschleppen sind tückisch, denn sie sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt daher seit geraumer Zeit ein System, das die Position der hinter einem Flugzeug entstehenden gefährlichen Wirbel vorhersagen soll.

Am 12. November 2001 stürzte im New Yorker Stadtteil Queens ein Airbus A300-600 von American Airlines ab. Als Ursache des Unglücks, bei dem alle 260 Menschen an Bord sowie fünf Personen am Boden ums Leben kamen, wurden fehlerhafte Steuereingaben des Kopiloten ausgemacht, die zu einer Überbelastung der Flugzeugstruktur geführt hatten. Mit den starken Ruderausschlägen hatte der Kopilot auf die Turbulenzen, denen das Flugzeug beim Durchfliegen der Wirbelschleppen einer kurz zuvor gestarteten Boeing 747 ausgesetzt war, reagiert.

Wirbelschleppen entstehen hinter jedem fliegenden Flugzeug. Vereinfacht ausgedrückt ist dafür der Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Tragflächen verantwortlich. Die Luftmassen sind bestrebt, diesen Unterschied auszugleichen, weshalb sie an den Flügelspitzen von unten (Überdruck) nach oben strömen. Dabei entstehen – gegenläufig drehende – Randwirbel, die das Flugzeug hinter sich herschleppt und die für nachfolgende Luftfahrzeuge zu einer gefährlichen Bedrohung werden können. Aus diesem Grund müssen bei Start und Landung gewisse Mindestabstände eingehalten werden.

Wirbelschleppen sind vor allem deshalb so unangenehm und gefährlich, weil man sie in der Regel nicht sehen kann. Da sie zudem in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen unterschiedlich schnell zu Boden sinken, lässt sich ihre exakte Position kaum einschätzen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet deshalb bereits seit 2012 im Rahmen der Projekte „Wetter-optimierter Flugverkehr“ (WOLV) sowie „Land-Based and Onboard Wake Systems“ (L-bows) an einem Wirbelschleppenwarnsystem. Unter Leitung des Braunschweiger DLR-Instituts für Flugsystemtechnik wird schrittweise eine Technik entwickelt, die Wirbelschleppen auf der Flugbahn vorhersagt, in ihrer Wirkung einschätzt und gegebenenfalls passende Ausweichmanöver vorschlägt oder nach Bedarf automatisch durchführt. Bis 2017 soll ein vollständiger Demonstrator dieses  „Wake Encounter Avoidance & Advisory Systems“ (WEAA), das die potenziell gefährlichen Verwirbelungen allein aus den (heute schon automatisch versendeten) Positionsdaten des vorausfliegenden Flugzeugs sowie aus vorhandenen Wetterinformationen prognostizieren kann, zur Verfügung stehen.

 

Zwei DLR-Jets im Einsatz

Nachdem bereits im vergangenen Jahr vier Flüge zur Erprobung des Systems durchgeführt worden waren, stand vor wenigen Wochen eine weitere Testserie auf dem Programm, bei der die Forscher die Genauigkeit der Wirbelschleppenvorhersage durch gezielte Einflüge in die Wirbel testeten. 

Zum Einsatz kamen auch 2014 wiederum zwei DLR-eigene Forschungsflugzeuge – die Dassault Falcon 20E und der Airbus A320, das sogenannte „Advanced Technology Research Aircraft“ (ATRA). Geflogen wurden die Manöver im Luftraum über Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg, wobei die Jets am DLR-Standort Braunschweig starteten und landeten.
Auf insgesamt drei Forschungsflügen von jeweils rund drei Stunden Dauer flog die Falcon als „Wirbelerzeuger“ wiederholt quer zur Flugbahn des ATRA. „Bei dem von uns entwickelten System werden an Bord des ATRA über reguläre Flugsicherungssysteme genaue Informationen über Position und Geschwindigkeit der vorausfliegenden Falcon empfangen“, erklärt Dr. Fethi Abdelmoula vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik. „Aus diesen Daten berechnet der Computer, wo sich die ohne Kondensstreifen unsichtbaren Wirbelschleppen im Luftraum befinden.“ Auf einem Bildschirm sehen die Piloten diese Vorhersage (siehe Kasten auf Seite 29). Eine magentafarbene Linie warnt vor den Wirbeln. Die Berechnungen erfolgen unter Berücksichtigung der Wind- und Atmosphärenverhältnisse über eine vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre (mit Sitz in Oberpfaffenhofen) entwickelte Software.

Falcon mit Kondensstreifen

Die Kondensstreifen, die sich an den Wirbelschleppen der Falcon 20E bilden, dienen der ATRA-Besatzung als visuelle Orientierungshilfen. (Bild: Dietmar Plath)

 

„Bei diesen Flugversuchen ist die exakte Koordination der beiden Flugzeuge für die Wirbelschleppeneinflüge eine besondere Herausforderung“, erläutert Flugversuchsingenieur Adrian Müller von der DLR-Forschungsflugabteilung. Die Wissenschaftler sind daher auf geeignete Witterungsbedingungen angewiesen, die die Entstehung von Kondensstreifen (durch Kondensation an den Wirbelschleppen) begünstigen. Diese werden dann genutzt, um die sonst unsichtbaren Luftwirbel im Flug zu erkennen; denn weil ATRA gegenüber der Falcon deutlich größer ist, fällt das Rütteln beim Einflug in die Wirbelschleppen verhältnismäßig gering aus. 

Ausrüstung der ATRA

Messinstrumente statt Passagiersitze: Die A320 ATRA ist ein fliegendes Labor. Während der Wirbelschleppen-Testflüge waren inklusive der Piloten acht Personen an Bord. (Bild: Dietmar Plath)

 

Mehr Informationen gewünscht

Die Ergebnisse der Flugversuche waren durchaus ermutigend. Im Nahbereich, also wenn der Kontakt mit der Wirbelschleppe innerhalb weniger Sekunden bevorsteht, liefert das WEAA nach Aussage von Dr. Abdelmoula bereits sehr präzise Informationen. Je weiter die Falcon entfernt war, umso geringer fiel zwangsläufig die Genauigkeit der Prognose aus. Die DLR-Wissenschaftler sind überzeugt, dass sich auch diese Vorhersage noch deutlich verbessern ließe, wenn zusätzliche Informationen über das vorausfliegende Flugzeug zur Verfügung stünden. So hängt beispielsweise die Stärke einer Wirbelschleppe in erheblichem Maß vom Gewicht eines Luftfahrzeugs ab, aber auch von der Klappenstellung. Bislang muss das DLR auf Datenbanken zurückgreifen, um die entsprechenden Angaben über einen bestimmten Flugzeugtyp während einer bestimmten Flugphase zumindest näherungsweise zu ermitteln. Dr. Fethi Abdelmoula und seine Kollegen würden sich wünschen, dass über das ADS-B-System künftig nicht nur Typ, Flugnummer, Position, Geschwindigkeit, Höhe und geplante Route eines Flugzeugs übermittelt werden, sondern auch das aktuelle Gewicht und die Klappenstellungen. Dann könnte in nicht allzu ferner Zukunft nicht nur das bordeigene Kollisionswarnsystem Warnungen vor potenziell gefährlichen Begegnungen mit anderen Flugzeugen aussprechen und gegebenenfalls eine Ausweichempfehlung geben, sondern auch das Wirbelschleppenwarnsystem in Bezug auf die unsichtbaren Gefahren am Himmel Vergleichbares leisten.

Achim Figgen

 

 

Alles im Blick

Unmittelbar im Blickfeld des ATRA-Kopiloten befindet sich ein zusätzlicher Bildschirm (der da verstaut wird, wo bei einer normalen A320 ein ausklappbares Tischchen installiert ist), auf dem praktisch ein weiteres Primary Flight Display (PFD, rechts, mit künstlichem Horizont, etc.) sowie ein zusätzliches Navigation Display (ND, links) dargestellt werden. Sie werden über die auch auf den normalen Bildschirmen im Cockpit angezeigten Informationen hinaus mit zusätzlichen Daten aus dem „Wake Encounter Avoidance & Advisory System“ (WEAA) gefüttert.

d-atra an bord

Auf dem zusätzlichen Bildschirm werden dem ATRA-Kopiloten Informationen über die Wirbelschleppe angezeigt. (Bild: DLR)
 
 
„Die weiße Raute“, erläutert Thomas Immisch das Prinzip des Systems, „verdeutlicht die Position der vorausfliegenden Falcon 20E, die blaue Linie zeigt deren bereits zurückgelegte Strecke über Grund, die weiße Linie deren voraussichtliche Flugbahn, während die weiße Zahl über der Raute die Höhe der Falcon relativ zum ATRA in 100 Fuß angibt“ (in diesem Fall fliegt sie also 300 Fuß höher). Oben rechts im ND werden hinter den Buchstaben DCMET (sie stehen für das Kennzeichen des Flugzeugs: D-CMET) der Winkel zur und die Entfernung von der Falcon angezeigt, oben links die Geschwindigkeit über Grund (GS, hier 311 Knoten) sowie die tatsächliche Geschwindigkeit (TAS) von ATRA und dazu Windstärke und -richtung.

Der vom WEAA vorhergesagte Bereich der aktuellen Wirbelschleppen ist der magentafarbene Schweif an der weißen Raute, am Ende dieses Bereichs wird wiederum die Differenzhöhe zum nachfolgenden Flugzeug angezeigt (also in diesem Fall 400 Fuß höher als ATRA). Im Übrigen verändert sich die Farbe des Schweifs in Abhängigkeit von der bis zum Konflikt verbleibenden Zeit (von Weiß über Orange zu Magenta).

Das magentafarbene Symbol mit der Bezeichnung „WaCo“ steht für die vorhergesagte Konfliktposition mit der Wirbelschleppe („Wake Conflict“). Da sich die Lage des Luftwirbels mit der Zeit verändert, liegt die WaCo-Position hier noch außerhalb des aktuellen Wirbelschleppenbereichs.

Unten links werden in dem ebenfalls magentafarbenen Kästchen Zeit und Entfernung zum Konflikt angezeigt (22 Sekunden, 1,9 Seemeilen), im PFD wird darüber hinaus zusätzlich blinkend eine Warnung „WAKE AHEAD“ eingeblendet.

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