Mitteilungen DMG 01 / 2006 - Deutsche Meteorologische ...
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Frank Holzäpfel<br />
Einleitung<br />
Als unvermeidbare Konsequenz des Auftriebs erzeugt<br />
jedes Flugzeug hinter seinen Tragflächen ein Paar gegensinnig<br />
rotierender und langlebiger Wirbel – die so<br />
genannten Wirbelschleppen. Abbildung 1 zeigt einen<br />
der ansonsten unsichtbaren Wirbel, der hier von einer<br />
B747 im Anflug auf den alten Hongkonger Flughafen<br />
erzeugt und durch eine Abgasfahne sichtbar gemacht<br />
wurde. Die schiere Größe des dargestellten Wirbels<br />
verdeutlicht in anschaulicher Weise die potenzielle<br />
Gefahr, die für ein nachfolgendes Flugzeug bestände,<br />
wenn es in die Wirbelschleppe der B747 einfliegen<br />
würde.<br />
Um diesem Risiko zu begegnen, wurden in den<br />
siebziger Jahren Sicherheitsabstände zwischen Flugzeugpaaren<br />
festgelegt, unter deren Einhaltung bisher<br />
kein Unfall eintrat, die aber auch die Kapazität großer<br />
Flughäfen zunehmend einschränken. Eine EURO-<br />
CONTROL Studie (EUROCONTROL, 2004) prognostiziert,<br />
dass die Zunahme des Luftverkehrs den<br />
Bedarf an Flugzeugbewegungen eines großen europäischen<br />
Flughafens bis zum Jahr 2025 mehr als verdoppeln<br />
könne und somit 60 europäische Flughäfen<br />
an die Grenzen ihrer Kapazität stoßen könnten. Auch<br />
für den Markterfolg des doppelstöckigen Großraumflugzeuges<br />
A380, das in diesem Jahr den kommerziellen<br />
Betrieb aufnehmen wird, sind angemessene Sicherheitsabstände<br />
von maßgeblicher Bedeutung.<br />
Angesichts dieser Entwicklungen etablierte das<br />
<strong>Deutsche</strong> Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)<br />
im Jahre 1999 das Projekt Wirbelschleppe, in dem<br />
nahezu alle Aspekte des Themas bearbeitet werden.<br />
Dabei gilt stets die Maxime, dass Kapazitätssteigerungen<br />
nur bei mindestens gleich bleibender Sicherheit<br />
umgesetzt werden können. Die Themen umfassen<br />
focus<br />
Wirbelschleppen – Forschung zur Optimierung<br />
von Flugzeugstaffelungen<br />
(i) die Minimierung der Stärke und der Lebensdauer<br />
der Wirbelschleppe durch konstruktive Maßnahmen am<br />
Flügel, (ii) die bordseitige Erkennung und Warnung vor<br />
Wirbelschleppeneinflügen sowie deren Kompensation<br />
und (iii) die Entwicklung eines Wirbelschleppenvorhersage-<br />
und beobachtungssystems (WSVBS) zur dynamischen<br />
Reduzierung der Wirbelschleppenstaffelung<br />
im Landeanflug unter geeigneten meteorologischen Bedingung.<br />
Die Komponenten des WSVBS mit dem stärksten<br />
Bezug zur Meteorologie werden in den folgenden<br />
Kapiteln genauer beschrieben.<br />
Wirbelschleppen in der atmosphärischen Grenzschicht<br />
Wind, Windscherung, Konvektion, Turbulenz, Temperaturschichtung<br />
sowie der Boden bestimmen das Verhalten<br />
der Wirbelschleppe. Das WSVBS macht sich diesen<br />
Zusammenhang zu Nutze. Aufbauend auf Kurzfristvorhersagen<br />
des Wetters wird das Wirbelverhalten prognostiziert.<br />
Mit einer Vorhersage der Gefährdungsräume<br />
um die Wirbelzentren herum kann dann der Zeitpunkt<br />
ermittelt werden, an dem nachfolgende Flugzeuge von<br />
Wirbelschleppen unbeeinträchtigt bleiben. Dieser Zeitpunkt<br />
legt die minimale zeitliche Staffelung zwischen<br />
aufeinander folgenden Flugzeugen fest.<br />
Um ein derartiges System zu etablieren, muss jedoch<br />
zunächst die Wechselwirkung der Wirbelschleppe mit<br />
ihrer Umgebung verstanden werden. Die Large Eddy<br />
Simulation (LES) erlaubt es, diese Wechselwirkungen<br />
im Detail zu studieren. Abbildung 2 zeigt als Beispiel<br />
das Zusammenspiel der Aufwinde einer konvektiven<br />
Grenzschicht und dreier Wirbelpaare. Normalerweise<br />
sinken die Wirbel aufgrund gegenseitiger Induktion mit<br />
einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 m/s ab. Die Simulation<br />
(HOLZÄPFEL et al., 2000, Animationen unter www.<br />
pa.op.dlr.de/wirbelschleppe/WakeVortex.html) dagegen<br />
demonstriert eine großskalige Deformation der Wirbel-<br />
Abb. 1: Wirbelschleppe, die von einer B747 im Landeanflug auf den alten Hongkonger Flughafen erzeugt und durch eine Abgasfahne sichtbar<br />
gemacht wird.<br />
<strong>Mitteilungen</strong> <strong>01</strong>/<strong>2006</strong><br />
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