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Der Artikel Wirbelschleppe gehört zur Kategorie: Aerodynamik
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Mit Rauch sichtbar gemachte Wirbelschleppe (NASA). Bildherkunft |
Bei Wirbelschleppen (engl. wake turbulence), auch Wirbelzöpfe genannt, handelt es sich um zopfartige, gegenläufig drehende Luftverwirbelungen hinter fliegenden Flugzeugen. Ihre Intensität ist vom Gewicht (MTOW) des Flugzeuges abhängig. Die Lebensdauer wird von Wind und Atmosphäre beeinflusst. Der Begriff „Wirbelschleppen“ bezieht sich dabei sowohl auf die an sich unsichtbaren Luftverwirbelungen, als auch auf die im Zuge von Kondensationsprozessen sichtbar werdenden Wolkenspuren in ihrem Zentrum (engl. wing tip trails).
Entstehung und Auswirkungen
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Wirbelschleppen einer langsam fliegenden F-15 nach einer Luftbetankung durch einen KC-10 Extender. Bildherkunft |
Wirbelschleppen sind eine Begleiterscheinung des Auftriebs. Daher treten sie bei einem startenden Flugzeug erstmals am Rotationspunkt auf, wenn das Bugrad abhebt. Ihre Intensität ist wesentlich von der Masse (Gewicht) des Flugzeugs und dessen Anstellwinkel beeinflusst. Wirbelschleppen bilden sich nach dem Aufsetzpunkt, wenn das landende Flugzeug auf der Landebahn aufgesetzt hat, nicht neu. Man kann zwei Entstehungsursachen für Wirbelschleppen unterscheiden, wobei die erste dominierend ist:
- Damit ein Flugzeug Auftrieb erzeugen kann, muss Luft an den Tragflächen nach unten beschleunigt werden. Da diese Beschleunigung außerhalb des Flugzeugbereiches nicht erfolgt, entsteht ein Drehimpuls, und es bilden sich hinter dem Flugzeug zwei gegenläufig drehende Wirbel, deren Lebensdauer von Wind und Atmosphäre beeinflusst wird. Zwischen den beiden Wirbeln entsteht eine starke, vertikal abfallende Luftströmung, die für nachfolgende Flugzeuge gefährlich ist. Bei ausgefahrenen Klappen, also bei Start oder Landung, verstärkt sich in Abhängigkeit vom Gewicht (MTOW) des Flugzeuges die Intensität der hinter dem Flugzeug verbleibenden schlauchartigen Wirbel. In ungünstigen Fällen können die Wirbelschleppen so lange anhalten und eine solche Stärke erreichen, dass sie am Boden ganze Häuser abdecken. Speziell im Gebiet eines Flughafens kommen sich Flugzeuge zwangsläufig so nahe, dass schon in der Warteschleife, aber besonders im Landeanflug und beim Start auf die Abstände der Maschinen geachtet werden muss, um Turbulenzen und Steuerungsprobleme durch Wirbelschleppen für nachfolgende Maschinen zu vermeiden. Hier gilt eine Richtzeit von zwei bis drei Minuten. Diese Staffelung wirkt sich auf die Kapazität eines Flughafens aus.
- Da an der Flügeloberseite bei der Erzeugung von Auftrieb Unterdruck herrscht, kommt es an den Flügelspitzen zu einem Druckausgleich, bei dem Luft von der Flügelunterseite zur -oberseite strömt. Die Luft kühlt sich im Zentrum der Verwirbelung am Flügelende adiabatisch ab, da sich hier ein Bereich besonders niedrigen Drucks befindet. Dabei erreicht die Luft oft Temperaturen unterhalb der Taupunkttemperatur, wodurch es zur Kondensation des in der Luft enthaltenen Wassers zu Wasserdampf/Nebel kommt und ein Wirbelzopf sichtbar wird. Für die Konstruktion von Flugzeugen sind die Fragen des Auftriebs entscheidend, wobei der durch Wirbelschleppen bedingte Auftriebsverlust mit zunehmender Tragflächenlänge abnimmt. Damit ist eine Erhöhung der Abrissgeschwindigkeit und des Treibstoffverbrauchs, aber auch eine Einschränkung der Manövrierfähigkeit verbunden. Gerade bei Kampfflugzeugen nimmt man aber zugunsten der Manövrierfähigkeit kürzere Flügel und verhältnismäßig starke Wirbelschleppen in Kauf. Von diesem Sonderfall abgesehen, wird generell ein hohes Seitenverhältnis bevorzugt und/oder die Tragflächenenden werden mit Winglets versehen.
Kategorien
Durch Einteilung der Flugzeuge in Gewichtsklassen werden die benötigten Abstände (engl. wake turbulence separation minima) definiert, um die Gefahren der Wirbelschleppen zu vermeiden. Die Daten in der abgebildeten Tabelle entsprechen den Angaben im Lufthansa Flight Training Manual.| vorausgeh. Flugzeug | folgendes Flugzeug | Abstand - Radar | Abstand - Zeit | Beispiel | |
|---|---|---|---|---|---|
| light | 3 NM | N/A | Dornier Do 28 <- Dornier Do 28 | ||
| L | light (MTOW bis 7 t) | medium | 3 NM | N/A | Cessna 182 <- Boeing 737 |
| heavy | 3 NM | N/A | Dornier Do 28 <- Boeing 747 | ||
| light | 5 NM | 3 min | Boeing 737 <- Cessna 172 | ||
| M | medium (MTOW 7 t bis 136 t) | medium | 3 NM | N/A | Boeing 737 <- Airbus A320 |
| heavy | 3 NM | N/A | Airbus A320 <- Boeing 747 | ||
| light | 6 NM | 3 min | Boeing 747 <- Cessna 182 | ||
| H | heavy (MTOW >136 t) | medium | 5 NM | 2 min | Boeing 747 <- Boeing 737 |
| heavy | 4 NM | N/A | Boeing 747 <- Boeing 747 | ||
Die Boeing 757 wird auf Grund von verstärkt auftretenden Wirbelschleppen nach Beinaheunfällen trotz ihres Gewichtes von weniger als 136 Tonnen beinahe immer in die Kategorie Heavy einsortiert. In den USA besteht eigens für die 757 eine weitere Klasse, die sog. Klasse MH (Medium-Heavy), in Europa gibt es diese besondere Klasse nicht.
Um die Kapazitätsvorteile bei der Landebahnnutzung (Passagiere/Zeit) teilweise erhalten zu können, schlägt Airbus für den A380 eine "Unterschreitung" der Mindestabstände zum vorausfliegenden Flugzeug vor [LINK].
Trotz gleichem oder höherem Gewicht als die A380 wurden C-5 Galaxy und An-124 bisher wie eine B747 behandelt.
Verhalten bei Gefahr von Wirbelschleppen
Der Tower-Controller gibt üblicherweise bei Gefahr von Turbulenzen und Wirbelschleppen eine Warnung aus. Dennoch steht letztendlich der Pilot in der Verantwortung sicher zu landen und einen Unfall zu vermeiden. Aus diesem Grunde haben sich unter anderen folgende Verfahren als sinnvoll erwiesen:- Landung hinter einem landenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
Über dem Gleitweg des vorhergehenden Flugzeugs bleiben und nach dessen Aufsetzpunkt landen. - Landung hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
Landung am Beginn der Startbahn und kurze Landung. - Abflug hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
Abheben (rotieren) bevor der Rotationspunkt des vorangehenden Flugzeugs erreicht ist. Dann unbedingt über dessen Steigweg bleiben. Unbedingt Kursänderungen, die unter oder hinter dem Weg eines grossen Flugzeuges entlangführen vermeiden.
wissenschaftliche Untersuchungen
Airbus musste für den Airbus A380 wegen des großen Gewichts und der dadurch sehr intensiven Wirbel neue Technologien entwickeln, welche die Wirbelschleppen bei diesem großen Flugzeug in Grenzen halten.Die Forschung zu diesem Thema lässt sich in drei Bereiche aufteilen:
1. Wirbelerkennung u. -vorhersage
Die Entwicklung von Methoden zur Abschätzung des Wirbelverhaltens, z.B. in Abhängigkeit meteorologischer Kennwerte lassen eine theoretische Wirbelvorhersage z.B. in Computermodellen zu. Die physikalischen Prozesse des Transports und Zerfalls der Wirbel in der Atmosphäre sind verstanden. Wirbelschleppen und ihre meteorologischen Parameter können mittels eines gepulsten LIDARs vorhergesagt und beobachtet werden.
2. Wirbelvermeidung
Durch Entwicklung von Flugzeugen mit günstiger Wirbelcharakteristik wird versucht, die Wirbelstärke zu verringern. Es ist außerdem nachgewiesen, dass Flugzeugwirbelschleppen durch die Erzeugung von Mehr-Wirbel-Systemen abgeschwächt werden können.
Um direkt am Flugzeug konstruktiv die Wirbelschleppenbildung zu vermindern, gibt es folgende Überlegungen:
- Am rechten und linken Flügel werden verschieden drehende Triebwerke eingebaut. Die Turbinen rotieren jeweils gegenläufig, so dass entgegengesetzte, nach innen und außen drehende Wirbel entstehen. So wird die Wirbelschleppe gestört und klingt früher ab.
- Ein speziell verkleidetes Fahrwerk wird schon frühzeitig ausgefahren. Auch das schwächt die problematischen Wirbel.
- Die Klappen werden nicht ganz an den Rumpf herangeführt. So entsteht an dieser Stelle ebenfalls ein gegenläufiger Wirbel, der die Wirbelschleppe schwächt.
3. Wirbelverträglichkeit
Der dritte Teil der Forschung bezieht sich auf die Entwicklung von Methoden zur Erhöhung der Sicherheit bei Einflug in eine Wirbelschleppe, damit es z.B. bei Einflug in solche Wirbel nicht zu Klappenabrissen kommt, was, wie oben erwähnt, schon vorgekommen ist.
Literatur
- Bachmann, Faber, Sanftleben - Gefahrenhandbuch für Piloten, Motorbuch Verlag Stuttgart, ISBN 3-87943-656-8
- Jeppesen Sanderson - Private Pilot Study Guide 2000, ISBN 0-88487-265-3
- Jeppesen Sanderson - Privat Pilot Manual 2001, ISBN 0-88487-238-6
- Lufthansa Flight Training, Pilot School, BRE OS1/A - International Air Traffic Regulations and Procedures, 2003
Siehe auch
- Liste der Flugzeugtypencodes (Angabe der Wirbelschleppenkategorie)
Weblinks
- http://www.asy.faa.gov/safe... (engl.)
- Wirbelschleppen am Institut für atmosphärische Physik DLR, Oberpfaffenhofen
Diskussion der Autoren über den Artikel: Wirbelschleppe
Hinweis: ein Großteil des Artikels ist ausgeklammert und erscheint daher nur im Quelltext, da die Richtigkeit der Angaben umstritten ist und sich niemand zur Überarbeitung der entsprechenden Abschnitte gefunden hat. --Saperaud Saperaud 21:47, 14. Dez 2005 (CET)
Schäden
Für den Abriss des Seitenleitwerks an einem A300 auf Flug AA587 (dies ist bislang der einzige solche Fall) waren nicht Wirbelschleppen ursächlich, sondern die mehrfache Umkehr des Seitenruders bei jeweils maximalem Ruderausschlag; die dabei aufgetretenen Kräfte am Seitenleitwerk überstiegen die konstruktionsbedingten Grenzen und Toleranzen des Bauteils um ein vielfaches. 14:37, 17. Nov 2005 (CET)Ursache = wv encounter + Pilotenfehler führten zu Strukturbelastungen, für die das Leitwerk nicht ausgelegt ist, folglich ist keine Materialermüdung schuld. Siehe auch AIAA 2005-6110
zu entstehung
nehmt den absatz entstehung lieber raus, bis er wissenschaftlich korrekt ist. nur ein paar anmerkungen: die druckdifferenz zwischen ober- und unterseite an tragflügelhinterkante ist immer 0 (kutta´sche abflussbedingung). der druckunterschied hinter dem tragflügel verläuft lateral und resultiert aus der druckverteilung des tragflügels in spannweitenrichtung. deswegen rotieren die trailing vortices starboard auch negativ um die flugzeugfeste x-achse und an port positiv. die druckdifferenz zwischen ober-und unterseite des tragflügels führt zu einer gebundenen Zirkulation (bound vortices) mit positiver drehrichtung um die flugzeugfeste y-achse und ist im wesentlichen nach heutigem stand der technik und dem guten alten Kutta-Joukowsky auch für den Auftrieb zuständig (oder besser gesagt kann so interpretiert werden) ausserdem gibt es abströmend hinter dem tragflügel unendlich viele infinitissimal kleine freie Wirbelfäden, die sich gegenseitig beeinflussen und gegenseitig zu den Randwirbelschleppen aufrollen. die tatsache, daß der tragflügel auch mal zu ende ist - spricht tragflügelspitze - hat zur folge, dass sich ein lateraler druckausgleich auch auf höhe des tragflügels einstellen kann, ist aber nicht in erster linie die ursache der wirbelschleppen so wie es im artikel dargestellt wird. einzig der druckausgleich an der tragflügelspitze sorgt dafür, dass die gebundenen zirkulation an der spitze null beträgt und der klitze kleine freie wirbel an der tragflächenspitze i.d.R. der mit der stärksten Zirkulation ist. daher grupieren sich die anderen klitze kleinen freien wirbel i.d.R. um diesen herum und der eine Randwirbel der schleppe ist (fast) fertig.
- Ich würde es ja bevorzugen wenn du dein Wissen einbringen könntest und Fehler richtig stellst, denn ansonsten wird dieser Artikel auf unabsehbare Zeit komplett unbrauchbar sein. --Saperaud Saperaud 17:00, 9. Dez 2005 (CET)
Abhängigkeit vom Anstellwinkel?
Stimmt es, dass die Intensität der Wirbelschleppen vom Anstellwinkel abhängt? 217.86.0.91 22:15, 16. Sep 2006 (CEST)
- Ja, schließlich wird die Wirbelschleppe von der nach unten beschleunigten Luft erzeugt.Ein Symetrisches Profil ohne Anstellwikel erzeugt auch keine Wirbelschleppe. Kolossos 15:58, 17. Sep 2006 (CEST)
Toter Weblink
Bei mehreren automatisierten Botläufen wurde der folgende Weblink als nicht verfügbar erkannt. Bitte überprüfe, ob der Link tatsächlich down ist, und korrigiere oder entferne ihn in diesem Fall!
- http://www.asy.faa.gov/safe...
- In Wirbelschleppe on 2006-11-08 22:03:51, 404 Object Not Found
- In Wirbelschleppe on 2006-11-28 13:15:10, 404 Object Not Found
--Zwobot 14:15, 28. Nov. 2006 (CET)
