Wenn Flugzeuge fliegen, entstehen hinter ihnen von den Tragflügelspitzen ausgehende starke Wirbel, so genannte Wirbelschleppen. Diese können sicherheitsrelevante Auswirkungen auf nachfolgende Flugzeuge haben. Das Deutsche Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR) hat in Flugversuchen die Weiterentwicklung eines Wirbelschleppenausweichsystems erprobt.
Das System kann die potenziell gefährlichen Wirbelschleppen allein aus Wetterinformationen und den Navigationsdaten des vorausfliegenden Flugzeugs vorhersagen, mögliche Konflikte ermitteln und dazu Ausweichmanöver vorschlagen.
Unsichtbare Wirbel auf dem Display
Bei insgesamt fünf Versuchsflügen im November und Dezember 2016 war das DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) für den Praxistest des neuen Ausweichsystems in der Luft. „Zunächst haben wir mit Hilfe des gleichzeitig fliegenden DLR-Versuchsflugzeugs Falcon erprobt, wie präzise die vorgeschlagenen Ausweichmanöver dessen Wirbelschleppen umgehen“, erklärt der Projektleiter Tobias Bauer vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik.
„Dafür haben wir von der Falcon genaue Informationen über Position, Geschwindigkeit sowie meteorologische Parameter empfangen, aus denen der Computer berechnet, wie sich die Wirbelschleppen im Luftraum bewegen.“ Als Schnittstelle zum Piloten dient ein Display, das die Position der Wirbelschleppe anzeigt und eine alternative Flugbahn mit möglichst geringer Bahnabweichung vorschlägt.
Testfall Linienflug
Eine Software zur Wirbelprognose, entwickelt am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, berechnet unter Berücksichtigung des Winds, der Temperaturverteilung und der Turbulenz, wie sich die Wirbelschleppen hinter einem Flugzeug verhalten. Je weniger lokale Wetterdaten dafür bereitstehen, desto schwieriger wird die Berechnung. Bei vier von fünf Versuchsflügen wurden die Wirbelschleppen von Flugzeugen im Linienverkehr direkt angesteuert.
Weil diese Flugzeuge bisher erst einen Teil der benötigten Daten an umgebende Flugzeuge übermitteln, mussten weitreichende Annahmen für die Vorhersage der Wirbelschleppen getroffen. Die gesammelten Daten aus dem operationellen Linienverkehr bilden daher eine wertvolle Grundlage, um das System weiter zu präzisieren, nach dem die Tests mit der Falcon bereits gezeigt haben, dass der gewählte Ansatz prinzipiell gute Wirbelprognosen liefert und das Situationsbewusstsein der Piloten schärft.
Exakte Koordination
„Die Testflüge erforderten eine exakte Koordination mit dem jeweils vorausfliegenden Flugzeug“, sagt DLR-Testpilot Jens Heider von der DLR-Forschungsflugabteilung. „Mit der Falcon war das eingespielt, aber bei den kurzfristig ausgewählten Linienflugzeugen waren wir auf die Kooperation mit den Piloten verschiedenster Fluggesellschaften sowie den Fluglotsen angewiesen, die sehr gut funktionierte.“ Geflogen wurden die Ausweichmanöver im Luftraum über Nordostdeutschland. Die Forschungsflugzeuge starteten und landeten am DLR-Standort Braunschweig.
Sicherheitsabstand 15 km
Wirbelschleppen, die auch Wirbelzöpfe oder Randwirbel genannt werden, sind gegenläufig drehende Luftwirbel hinter fliegenden Flugzeugen. Ihre Intensität ist von Größe und Gewicht eines Flugzeugs abhängig. Besonders kräftig fallen daher die Wirbelschleppen der Großflugzeuge wie etwa des Airbus A380 oder der Boeing 747 aus. Hinter diesen Giganten der Lüfte müssen kleinere Maschinen einen erweiterten Sicherheitsabstand von bis zu fünfzehn Kilometern einhalten.
Die Lebensdauer von Wirbelschleppen wird von Windverhältnissen, Turbulenz und Temperaturschichtung in der Atmosphäre beeinflusst. In der Regel sinken die Wirbel langsam ab, bevor sie sich auflösen. Wirbelschleppen rühren von der Aerodynamik der Tragflächenspitzen her. Dort treffen der Unterdruck der Tragflächenoberseite und der Überdruck der Tragflächenunterseite zusammen, was zu einem Aufrollen der Wirbel führt.
Warn- und Ausweichsystem gegen Wirbelschleppen
In verschiedenen Projekten, aktuell dem DLR Projekt Land-Based and Onboard Wake Systems (L-bows), beschäftigen sich DLR-Wissenschaftler seit 2012 mit den Basisfunktionalitäten des DLR-Warn- und Ausweichsystems für Wirbelschleppen, genannt WEAA (Wake Encounter Avoidance & Advisory System). Unter der Leitung des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik wird schrittweise eine Technologie entwickelt, die Wirbelschleppen entlang der Flugbahn vorhersagt, in ihrer Wirkung einschätzt, passende Ausweichmanöver vorschlägt und diese bei Bedarf automatisch durchführt.
Das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre hat die Software zur Zusammenführung der Wetterdaten aus verschiedenen Quellen und zur Wirbelschleppenvorhersage beigesteuert; ein Teil der Arbeiten wurde im Auftrag von Airbus durchgeführt. In einem Anschlussprojekt soll die Praxistauglichkeit der einzelnen Module vorangetrieben und die Technologieerprobung unter Einsatzbedingungen weiter abgerundet werden.
Auf den Bildern
- Forschungsflugzeug A320 ATRA: Das DLR-Forschungsflugzeug Airbus A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) ist eine moderne und flexible Flugversuchsplattform, die nicht nur größenmäßig einen neuen Maßstab für fliegende Versuchsträger in der europäischen Luftfahrtforschung setzt.
- Display des Wirbelschleppenwarnsystems: Die Schnittstelle des Warnsystems zum Piloten ist ein Display, das die Position der Wirbelschleppe anzeigt und eine Ausweichflugbahn mit möglichst geringer Bahnabweichung vorschlägt.
- ATRA und Falcon vor dem DLR-Hangar in Braunschweig: Die Forschungsflugzeuge ATRA (hinten) und Falcon (vorne) starteten und landeten für die Erprobung des Wirbelschleppenwarnsystems am DLR-Standort Braunschweig.
