Wirbelschleppen

Flugzeuge ziehen Luftwirbel hinter sich her und verhindern damit ein direktes Starten und Landen nachfolgender Maschinen. Martina Preiner sprach für unseren Podcast mit Thomas Gerz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen über diese sogenannten Wirbelschleppen und mögliche Ansätze, um die Start- und Landefrequenz an Flughäfen weiter zu steigern. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

An einem normalen Tag landen am Frankfurter Flughafen über 1300 Flugzeuge. Damit alles glatt läuft, wird der Flugverkehr von einem hoch konzentrierten Fluglotsenteam überwacht und dirigiert. Dabei ist nicht nur wichtig, dass die Einflugschneise und die Landebahn frei von anderen Flugzeugen sind, sondern auch frei von den Luftwirbeln, die die Maschinen hinter sich herziehen – den sogenannten Wirbelschleppen.

Thomas Gerz

Thomas Gerz: „Wirbelschleppen sind die Reaktion der Atmosphäre darauf, dass das Flugzeug in ihr fliegt. An den Flügelspitzen entstehen zwei gegenrotierende Wirbel, die genau die Energie haben, die das Flugzeug benötigt, um Auftrieb zu bekommen, um fliegen zu können. Und diese Wirbel sind gleich stark, wenn das Flugzeug keine Manöver fliegt. Und da sie gleich stark, aber gegenrotierend sind, sinkt die Wirbelschleppe ab – sie verlässt also das Flugniveau und sinkt Richtung Boden.“

Seit Ende der 1960er-Jahre stellen Wirbelschleppen im Flugverkehr ein Sicherheitsrisiko dar. Denn damals wurde die Boeing 747 eingeführt, das bis dahin größte Passagierflugzeug.

„Es ist vorgekommen, dass andere Flugzeuge in Schwierigkeiten gekommen sind, wenn sie hinter dem Flugzeug gelandet sind. Man hat das damals empirisch untersucht und festgestellt, dass Flugzeuge, die einer Wirbelschleppe eines vorausfliegenden Flugzeuges sehr nahe kommen, durch die Schleppe gedreht werden können. Sie erfahren eine Rotation um die Längsachse und wenn das nahe über dem Boden passiert, ist das sehr kritisch und kann zum Absturz führen.“

Einfachste Lösung des Problems

Da Wirbelschleppen nicht sofort zerfallen und sich lange über dem Boden halten können, entschied man sich sehr schnell für die einfachste Lösung des Problems.

„Man hat sich damit beholfen – und das gilt bis heute –, dass man Abstände festgelegt hat, zwischen Flugzeugen die auf einer Piste landen wollen. Je nach Gewichtskategorie müssen diese verschiedene Abstände halten. Das ist die sogenannte ICAO-Staffelungsmatrix.“

Das heißt, je nachdem, ob zwei große Flugzeuge hintereinanderfliegen oder ein kleines hinter einem großen, müssen Mindestabstände von vier bis sechs nautischen Meilen – das entspricht etwa siebeneinhalb bis elf Kilometern – eingehalten werden. Beim stetig zunehmenden Flugverkehr können diese pauschal festgelegten Abstände zum Flaschenhals werden. Ab einer bestimmten Dichte an landenden Fliegern sind die Flughäfen ausgelastet, da die Flieger nicht einfach in kürzeren Abständen landen können.

Simulation einer Wirbelschleppe im Landeanflug

Jahrzehntelang suchten Forscher nach geeigneten Techniken, um die Wirbelschleppen bereits direkt am Flieger zu manipulieren und so einen beschleunigten Zerfall hervorzurufen. Allerdings nur mit mäßigem Erfolg. Deshalb begnügt man sich derzeit damit, ihre Eigenschaften möglichst präzise vorherzusagen – etwa wie und wo sie absinken und wie lange sie sich halten. Dabei müssen die Wissenschaftler mehrere Parameter berücksichtigen. Zum einen solche, die die Stärke der Wirbelschleppen beeinflussen.

„Wir brauchen als Eingangsgrößen die Flugzeugparameter: Masse, Geschwindigkeit, Spannweite.“

Zum anderen spielen meteorologische Parameter, die Einfluss auf die Wirbelschleppen nehmen, eine Rolle.

„Für den Transport und den Zerfall verantwortlich ist zum einen der Wind, der quer zur Anflugrichtung weht. Er verdriftet die Wirbelschleppen weg von der Landebahn – damit ist das Problem erst einmal gelöst. Außerdem die Turbulenzen in der Atmosphäre – je turbulenter es ist, desto schneller zerfällt der Wirbel: Er zersetzt sich durch Interaktionen mit der Turbulenz. Eine weitere Rolle spielt die thermische Schichtung der Atmosphäre, das Temperaturprofil vom Boden bis in, sagen wir mal, dreihundert Meter Höhe.“

Simulationen kommen an die Realität heran

In diesem Höhenbereich fädeln sich die Flugzeuge zum Landeanflug ein. All diese Parameter werden in Simulationen eingespeist, die abhängig von der aktuellen Wetterlage vorhersagen sollen, ob die Wirbelschleppe entweder von der Landebahn abgedriftet oder schon zerfallen ist – also ob auf dieser Landebahn wieder gelandet werden darf. Dass die Simulationen an die Realität herankommen, konnten Gerz und seine Kollegen mithilfe von Lasermessungen an den verschiedensten Flughäfen bestätigen.

„Wir haben mittlerweile, glaube ich, über dreißigtausend Landungen analysiert – das ist schon eine recht große Zahl – und das bei sehr vielen verschiedenen Wettersituationen. Wir haben gezeigt, dass wir konservativ sind, dass wir also keine Fehlvorhersagen machen: Wir sagen nicht ‚Der Korridor ist frei‘ und er ist nicht frei. Das ist nicht passiert. Wir können also sagen, das System ist validiert und man kann es anwenden.“

Sperrholzplatten helfen gegen Wirbelschleppen

Die berechneten Zerfallszeiten für Wirbelschleppen könnten direkt an die Fluglotsen weitergegeben werden. So würde im Gegensatz zu bisher keine Zeit mit starr vorgegebenen Abstandsangaben verschwendet und der Landerhythmus an Flughäfen ließe sich weiter erhöhen. Neben dem theoretischen Ansatz forschen die DLR-Wissenschaftler aber auch weiterhin an neuen Techniken, um die Lebensdauer von Wirbelschleppen zu minimieren. Dabei konzentrieren sie sich nicht mehr auf den Flieger, sondern auf Gebiete kurz vor der Landebahn. Werden auf diesem so genannten Gleitpfad in Längsrichtung dünne, vier mal zwei Meter große Platten am Boden befestigt, zerfallen die Wirbelschleppen am Boden viel schneller.

„Die Platten sind wie ein erhöhter Boden und die Wirbelschleppe spürt zuerst die Platte, bevor sie den Boden spürt. Jede Kante an der Platte erzeugt nun wiederum kleine Sekundärwirbel. Und diese Sekundärwirbel interagieren mit den Primärwirbeln der Wirbelschleppen und lösen sich schneller auf.“

Erst vor einigen Wochen durchgeführte Versuchsreihen bestätigen den Nutzen der Anti-Wirbel-Platten. Detaillierte Auswertungen stehen allerdings noch aus. Das Fernziel solcher Techniken und Vorhersagen ist die sogenannte dynamische Staffelung von Flugzeugen, das heißt: Flugpläne sollen je nach Wetter- oder Verkehrslage flexibel aktualisiert werden. So will man für den Flugverkehr der nächsten Jahrzehnte gerüstet sein.