Wirbelschleppe

Mit farbigem Rauch sichtbar gemachte Wirbelschleppe hinter einem Flugzeug

Kondensstreifen eines zweiten Flugzeugs mit sichtbarer Wirbelschleppe

Bei Wirbelschleppen (engl. wake turbulence), auch Wirbelzöpfe oder Randwirbel genannt, handelt es sich um zopfartige, gegenläufig drehende Luftverwirbelungen hinter fliegenden Flugzeugen. Ihre Intensität ist vom Gewicht des Flugzeuges abhängig. Die Lebensdauer wird von Wind und Atmosphäre beeinflusst. Im Zentrum der Wirbel ist der Luftdruck vermindert. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann dort Kondensation einen schmalen, sichtbaren Streifen erzeugen, der direkt hinter den Flügelspitzen beginnt.

Die Wirbel der Wirbelschleppe hinter einem großen Flugzeug sind stark genug, nachfolgende Flugzeuge zu gefährden. Das gilt insbesondere, wenn das nachfolgende Flugzeug deutlich leichter und kleiner ist. Deswegen muss bis zum nächsten Start auf derselben Startbahn abgewartet werden, bis die Wirbel entweder vom Wind davon getragen wurden, oder sich durch Luftreibung am Boden ausreichend abgeschwächt haben. Das Gleiche gilt für die Landung. Diese Wartezeit ist ein wesentlicher Faktor für die maximale Kapazität eines Flughafens.

Entstehung und Auswirkungen

Im Zentrum der Randwirbel ist der Luftdruck deutlich vermindert. Das führt bei hoher Luftfeuchtigkeit zur Kondensation von Wasserdampf. Es entstehen zwei an den Flügelspitzen ansetzende Kondensstreifen

Wirbelschleppen sind eine Begleiterscheinung des dynamischen Auftriebs. Sie treten unvermeidlich bei jedem Flugzeug auf, sobald die Luft schnell an der Tragfläche entlang strömt. Ihre Intensität wird von der Geometrie der Tragflächen und von ihrem Anstellwinkel beeinflusst. Indirekt sind damit auch Größe und Masse eines Flugzeugs verbunden: Je größer die ersten beiden Werte, desto stärker werden auch die Wirbelschleppen. 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. Es bilden sich hinter dem Flugzeug zwei gegenläufig drehende Wirbel.
• 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 hat dabei das Bestreben, sich vom höheren zum niedrigeren Druck zu bewegen, um die Druckdifferenz auszugleichen. Wegen der hohen Geschwindigkeit ist dies jedoch nicht über Vorder- oder Hinterkante des Tragflügels möglich. Am Ende des Tragflügels besteht jedoch die Möglichkeit zum Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite des Flügels. Dies beschleunigt die Luft um das Flügelende herum von oben nach unten und trägt damit zum Randwirbel bei.

Die bei Start und Landung ausgefahrenen Auftriebshilfen verstärken die Intensität der Wirbelschleppe. In ungünstigen Fällen können die Wirbelschleppen so lange anhalten und eine solche Stärke erreichen, dass sie Hausdächer 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 begrenzt die Kapazität eines Flughafens.

Wirbelschleppen können derart starke Strömungen bzw. Turbulenzen quer zur Flugbahn eines nachfolgenden Flugzeuges erzeugen, dass die Belastungsgrenzen von Bauteilen überschritten werden. So ist es schon vorgekommen, dass einem mit zu geringem Abstand gestarteten Flugzeug, in dem der Pilot dieser Störung entgegenwirken wollte, das Seitenleitwerk abgerissen wurde. Wirbelschleppen können so stark sein, dass sie den Flug eines nachfolgenden Flugzeuges gefährden.

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 auch eine Verringerung 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 eine hohe Streckung 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 folgende Tabelle zeigt die Einteilung gemäß ICAO

vorausgehendes Flugzeug		folgendes Flugzeug	Abstand	Wartezeit	Beispiel
L	Light (MTOW <7 t)	light	3 NM	N/A	Cessna 182 folgt Cessna 182
		medium	3 NM	N/A	Airbus A320 folgt Cessna 182
		heavy	3 NM	N/A	Boeing 747 folgt Cessna 182
M	Medium (MTOW 7 t bis 136 t)	light	5 NM	3 min	Cessna 182 folgt Airbus A320
		medium	3 NM	N/A	Airbus A320 folgt Airbus A320
		heavy	3 NM	2 min	Boeing 747 folgt Airbus A320
H	Heavy (MTOW >136 t)	light	6 NM	3 min	Cessna 182 folgt Boeing 747
		medium	5 NM	2 min	Airbus A320 folgt Boeing 747
		heavy	4 NM	N/A	Boeing 747 folgt 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 Großbritannien hat die Civil Aviation Authority die Klassen Heavy, Upper Medium, Lower Medium, Light und Small; weiterhin genießt der Airbus A380 in einigen Aspekten eine Sonderbehandlung. Kontinentaleuropa verwendet die ICAO Klassen.

Um die Kapazitätsvorteile (Passagiere/Zeit) teilweise erhalten zu können, schlägt Airbus für die A380 bei der Landebahnbenutzung eine Unterschreitung der Mindestabstände zum vorausfliegenden Flugzeug vor, dadurch verlängert sich die Zeitspanne für das nachfolgende Flugzeug.

Das DLR führte im Jahre 2006 umfangreiche Untersuchungen dazu durch und kam zu dem Schluss, dass sich die Wirbelschleppen einer A380 im Reiseflug nicht signifikant von denen einer Boeing 747 unterscheiden. Für Start und Landung allerdings wurde eine vergrößerte Separation als Empfehlung an die ICAO herausgegeben, wobei der Abstand für die A380 als nachfolgendes Flugzeug bei 3 NM bleibt:

vorausgehendes Flugzeug		folgendes Flugzeug	Abstand	Wartezeit	Beispiel
J	Super	light	8 NM	3 min	Cessna 182 folgt Airbus A380
		medium	5 NM	3 min	Airbus A320 folgt Airbus A380
		heavy	4 NM	2 min	Boeing 747 folgt Airbus A380
		super	4 NM	N/A	Airbus A380 folgt Airbus A380

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 Flugverkehrskontrolllotse auf dem Turm 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 Grund 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:
  "kurze" Landung, also am Beginn der Landebahn.
• Abflug hinter einem startenden großen Flugzeug auf derselben Landebahn:
  Abheben (rotieren), bevor der Rotationspunkt des vorangehenden Flugzeugs erreicht ist und über dessen Steigweg bleiben.

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 und -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 Erdatmosphäre 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:

• Die Turbinen von Strahltriebwerken versetzen die hinten austretende Luft in Rotation. Wenn diese Luft sich mit den Randwirbeln der Tragfläche vereint, entsteht je nach Drehsinn ein schwächerer, oder ein stärkerer Wirbel. Da die Randwirbel der Tragflächen einen entgegengesetzten Drehsinn haben, müssten die Turbinen ebenfalls links und rechts einen entgegengesetzten Drehsinn haben, um beide Randwirbel abzuschwächen. Es entstehen allerdings erhebliche zusätzlichen Kosten für die Bereitstellung von Turbinen mit unterschiedlichem Drehsinn.
• Ein speziell verkleidetes Fahrwerk wird schon frühzeitig ausgefahren. Auch das schwächt die problematischen Wirbel.
• Landeklappen und Querruder 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.

Unfälle

Am 12. November 2001 gegen 9:15 Uhr Ortszeit stürzte kurz nach dem Start vom John F. Kennedy-Flughafen, New York, ein Airbus A300 auf dem Flug 587 nach Santo Domingo der American Airlines in der Nähe von Rockaway Beach, Queens, NY, in dicht besiedeltes Gebiet. Ursache war die Reaktion des Copiloten auf Wirbelschleppen einer vorher abgeflogenen Boeing 747 mit übermäßigen Ruderbewegungen.

Hörbarkeit

Datei:2011-06-05 19-32 Berlin TXL Airplane Flyover plus Wingtip Vortex.ogg

Wirbelschleppen können unter bestimmten Voraussetzungen hörbar sein. Vor allem an windstillen Tagen können Wirbelschleppen hinter schweren Flugzeugen als dumpfes Brausen und Zischen wahrgenommen werden. Stabile Wirbelschleppen sind als breitbandiges tieffrequentes Geräusch hörbar. Ist die Wirbelschleppe schwächer, kann sie mit einem Geräusch wie reißendes Papier abbrechen. Der hörbare Schall der Wirbelschleppe tritt meist auf, wenn das Flugzeug bereits vorüber ist, und nimmt erst dann an Intensität zu. Dabei ist das Geräusch deutlich hinter dem Flugzeug am Himmel zu orten, manchmal scheint es dem Flugzeug sogar entlang seiner Fluglinie zu folgen. Das Geräusch kann für dreißig Sekunden oder länger anhalten, wobei sich seine Klangfarbe fortwährend ändert, manchmal mit raschelnden und reißenden Anteilen, bis es schließlich erstirbt.

Literatur

• Peter Bachmann, Gerhard Faber, Dietrich Sanftleben: Gefahrenhandbuch für Piloten. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1981, ISBN 3-87943-656-8.
• Peer Böhning: Akustische Lokalisierung von Wirbelschleppen. Technische Universität Berlin, Berlin 2006 (online)
• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik. Motorbuchverlag, Stuttgart 2000, ISBN 3-613-02006-8.
• Jeppesen Sanderson: Private Pilot Study Guide. Eigenverlag, 2000, ISBN 0-88487-265-3.
• Jeppesen Sanderson: Private Pilot Manual. Eigenverlag, 2001, ISBN 0-88487-238-6.
• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Grundlagen aus der Strömungsmechanik : Aerodynamik des Tragflügels (Teil 1). (= Aerodynamik des Flugzeugs. Band 1). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67374-1.
• Hermann Schlichting, Erich Truckenbrodt: Aerodynamik des Tragflügels (Teil 2), des Rumpfes, der Flügel-Rumpf-Anordnung und der Leitwerke. (= Aerodynamik des Flugzeugs. Band 2). Springer Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-540-67375-X.

Siehe auch

• Liste der Flugzeugtypencodes (Angabe der Wirbelschleppenkategorie)

Weblinks

 Commons: Wirbelschleppe – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Wiktionary: Wirbelschleppe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Untersuchung von Wirbelschleppen am Institut für Physik der Atmosphäre im DLR, Oberpfaffenhofen