Wirbelschleppen umfliegen

Sind Flugzeuge in der Luft, entstehen hinter ihnen von den Tragflügelspitzen ausgehende starke Wirbel, die Wirbelschleppen. Diese können sicherheits­relevante Auswirkungen auf den nach­folgenden Flug­verkehr haben. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR hat nun in Flug­versuchen die Weiter­entwicklung eines Ausweich­systems erprobt. Das System kann die potentiell gefährlichen Wirbel­schleppen allein aus Wetter­informationen und den Navi­gations­daten des voraus­fliegenden Flugzeugs vorhersagen, mögliche Konflikte ermitteln und dazu Kurs­korrekturen vorschlagen.

Bei insgesamt fünf Versuchsflügen im November und Dezember 2016 war das DLR-Forschungsflugzeug A320 Advanced Technology Research Aircraft ATRA 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.

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 haben wir direkt die Wirbel­schleppen von Flug­zeugen im Linien­verkehr angesteuert“, erzählt Bauer. Diese senden heute erst einen Teil der benötigten Daten an umgebende Flugzeuge, so dass wir weit­reichende Annahmen für die Vorhersage der Wirbel­schleppen treffen mussten.“ 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.

„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.

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.

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 Wake Encounter Avoidance & Advisory System WEAA. Unter der Leitung des DLR-Instituts für Flug­system­technik entwickeln sie schritt­weise eine Technologie, 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. Ein Anschluss­projekt soll die Praxis­taug­lichkeit der einzelnen Module voran­treiben und die Techno­logie­erprobung unter Einsatz­bedingungen weiter abrunden.

DLR / OD