Wirbelschleppen – die unsichtbare Gefahr

Wirbelschleppen 4

Von Hans-Ulrich Ohl

In aller Regel kann man sie weder sehen, noch riechen und schon gar nicht anfassen und doch weiß jeder Pilot um ihre Existenz. Was man ebenfalls nicht verlässlich einschätzen kann ist das Zeitfenster, in dem sie gefährlich existent sind. So können sie besonders kleineren Flugzeugen während der Start- oder Landephase an Verkehrsflughäfen zu einer kaum noch kalkulierbaren Gefahr werden.

Gemeint sind die von Großflugzeugen generierten Wirbelschleppen, auch Wirbelzöpfe, Wake Turbulente oder Wingtip Vortices genannt. Sie entstehen auf grund von unterschiedlichen Druckverhältnissen an einem Tragflächenprofil, sobald dort Auftrieb erzeugt wird. Ein atmosphärischer Unterdruck an der Tragflächenoberseite steht einem höheren atmosphärischen Druck auf der Tragflächenunterseite gegenüber. Dabei ist es unerheblich, ob dieses Flugzeug groß oder klein, leicht oder schwer ist, erzeugt werden sie immer, wenn auch in unterschiedlicher Ausprägung und Intensität. Es handelt sich dabei um zopfförmige, gegenläufig nach innen drehende Luftschläuche, die sich primär an den Randbögen und oder Auftriebshilfen einer Tragfläche bilden. An Verkehrs-flugzeugen mit aufwendigen Auftriebsklappensystemen, wie beispielsweise die „Fowler“ – Klappen, können sich zusätzliche, individuelle Wirbelzopfsysteme ausbilden. Die Intensität einer Wirbelschleppe hängt zu aller erst vom Gewicht des sie generierenden Flugzeugs ab. Aber auch die Tragflächenstreckung, die unterschiedlichen Auftriebsklappensysteme, sowie das Tragflächenprofil einschließlich eventuell vorhandene „Winglets“ nehmen Einfluss auf Intensität und Ausbildung einer oder mehrerer Wirbelschleppen. Ihre voraus-sichtliche Lebensdauer wird maßgeblich von den vorherrschenden Windverhältnissen in der Atmosphäre, sowie den jeweiligen klimatischen Wettervoraussetzungen beeinflusst.

Lebensdauer eines Wirbelzopfs bis zu 15 Minuten

So kann ein Wirbelzopf bei geringer Luftbewegung und hoher relativer Luftfeuchte, durchaus eine Lebensdauer von bis zu 15 Minuten aufweisen. Schon aus diesem Grund besteht eine nicht unerhebliche Gefahr an Flughäfen mit einem sogenannten „Traffic Mix“ von Flugzeugen unterschiedlicher Gewichtsklassen. Da Wirbelschleppen in Bodennähe, bedingt durch Wind- und Klimaeinflüsse zusätzlich schwer vorhersagbare Verhaltens-parameter aufweisen, können Fluglotsen auf den Towern Wirbelschleppen weder identi-fizieren, noch deren genaue Wanderung oder Lebensdauer vorhersagen. Außer allge-meinen Hinweisen und der Beachtung aller von der ICAO (International Civil Aviation Organisation) veröffentlichten Stafflungs- und Verfahrenskriterien, hat er nichts Greifbares in der Hand, um den Flugzeugführern hilfreich zur Seite stehen zu können. Selbst bei Beachtung aller anzuwendenden Stafflungskriterien, gibt es keine Garantie für einen absolut störungsfreien Flugbetrieb. Man ist letztlich nur in der Situation, auf ein möglicher Weise bestehendes Gefahrenpotential hinzuweisen. Umso wichtiger ist es für Flugzeug-führer besonders kleinerer, leichtgewichtiger Flugzeuge sich mit dieser Problematik vertraut zu machen, um auf eigene, der jeweiligen Situation angepasste Verhalten-sparameter zurückgreifen zu können.

Aus der Aerodynamik weiß man,  dass die erforderliche Auftriebskraft mindestens der Gewichtskraft eines Flugzeuges entsprechen muss. Weiter ist bekannt, dass eine bestimmte erforderliche Auftriebskraft ein Produkt aus Anstellwinkel und Geschwindigkeit ist. Um diesen Auftrieb zu erzeugen, kann man entweder schnell und mit kleinem oder langsam und mit großem Anstellwinkel fliegen, solange man sich dabei im positiven Bereich der flugzeugspezifischen Leistungskurve bewegt. Darüber hinaus kann ein bestehendes Tragflächenprofil durch Verwendung zusätzlicher Auftriebshilfen an Vorder- und Hinterkannten sowohl die Oberfläche als auch die Form des Profils und damit den effektiven Anstellwinkel verändern. Daraus resultiert, dass sich der erforderliche Anstell-winkel immer umgekehrt proportional zur jeweiligen Fluggeschwindigkeit verhalten muss oder anders ausgedrückt, je langsamer ein Flugzeug fliegt, um so größer muss der dafür erforderliche Anstellwinkel gewählt werden, um eine gleichbleibende Auftriebskraft zu erzeugen. Je größer nun der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Reise- und Lande-geschwindigkeit eines Flugzeuges wird, um so aerodynamisch aufwendiger muss dann der Tragflügel nebst allen verfügbaren Auftriebshilfen konstruiert sein, damit er auch noch während der Langsamflugphase einen genügend großen Auftrieb erzeugt. Das führt über zusätzliche Vorflügel, bis hin zu einer Oberflächenvergrößerung der Tragfläche durch ausfahrbare Klappensysteme, wie beispielsweise die zweifach geteilte „Fowler Klappe“. Die so  vorhandenen unterschiedlichen Druckverhältnisse versuchen sich nun auszu-gleichen und sie tun es primär dort, wo es für sie auf dem aerodynamischen einfachsten Weg möglich ist, vorzugsweise über die Randbögen am Tragflächenende, sowie über die ausgefahrenen Klappensysteme .

Unstreitig hängt die Wirbelschleppenintensität vom Fluggewicht des sie erzeugenden Flugzeuges ab. Je höher das Flugzeuggewicht, umso größer ist auch die kinetische Energie, die einer Wirbelschleppe innewohnt. Darüber hinaus nehmen auch die Tragflächenformen Einfluß auf die Intensität. Kurze kastenförmige Tragflächen mit einer großen, vorhandenen Profitiefe führen zu einer intensiveren Wirbelschleppenbildung, als solche mit einer großen Streckung und einer sich verjüngenden Profiltiefe. Um der Wirbel-schleppenentstehung zusätzlich entgegen zu wirken, hat man verschiedene, konstruktive Lösungen entwickelt. Angefangen hat es mit den Tragflächenendtanks, den sogenannten „Tiptanks“, bis hin zu den Flügelohren, auch als „Winglets“ bekannt. Airbus verwendet an einigen seiner Flugzeugmuster ein senkrechtgestelltes Profil am hinteren Ende des Tragflächenrandbogens. Diese konstruktiven Maßnahmen können die Bildung einer Wirbelschleppe zwar nicht verhindern, sie jedoch merklich in ihrer Intensität schwächen. Einen weiteren Vorteil haben diese Einrichtungen allemal. Sie führen zu einer erfreulichen Verringerung des induzierten Widerstands und helfen so den Treibstoffverbrauch erkennbar zu reduzieren.

Flugtests der amerikanischen Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) haben ergeben, dass eine Wirbelschleppe ihre größte Intensität während des Langsamfluges bei großem Anstellwinkel in Reiseflugkonfiguration erreicht. Dabei weisen alle Wirbelzöpfe ganz bestimmte Verhaltensmuster auf. Sie sinken mit etwa 400 bis 500 Fuß/Min (rund 150 m/Min) zwischen 500 und 900 Fuß (150 bis 280m) unter den Flugweg des sie erzeugenden Flugzeuges ab. Danach werden sie stationär und lösen sich unter Berücksichtigung der atmosphärischen Wetterverhältnisse nach spätestens 15 Min. auf. Bei Flugzeugen oberhalb von 50 to MTOW (Maximum Takeoff Weight), weisen Wirbelschleppen direkt hinter der Tragfläche einen Durchmesser von etwa einem Meter auf. Der maximal mögliche Durchmesser eines Wirbelzopfes entspricht mit zuneh-mendem Abstand etwa der Spannweite, der horizontale Abstand der beiden Wirbelzöpfe zueinander, der doppelten Spannweite des sie erzeugenden Flugzeugs. Beträgt der vertikale Abstand eines Flugzeugs zur Erdoberfläche weniger als 1000 Fuß oder 300 Meter, so sinken die Wirbelzöpfe auf etwa die halbe Spannweite des sie generierenden Flugzeuges ab, um danach mit einer horizontalen Geschwindigkeit von etwa 6 Knoten oder 9 km/h nach rechts und links auszuwandern.

Da eine Wirbelschleppe immer auch integraler Bestandteil einer Luftmasse ist, nehmen die jeweiligen Windverhältnisse ebenfalls Einfluss auf eine mögliche seitliche Versetzung. Beträgt beispielsweise die Querwindkomponente zur Landebahnausrichtung 6 Knoten oder 11 km/h, so kann eine der beiden Wirbelzöpfe durchaus über der Piste stationär werden, während sich der andere Zopf dann mit rund 12 Knoten oder 22 km/h in die andere Richtung entfernt. Das kann für ein nachfolgend leichteres Flugzeug im Landeanflug durchaus zu einem Problem werden. Aber auch, wenn der seitliche Abstand zu einer Parallelpiste weniger als 750 Meter beträgt, kann der seitlich auswandernde Wirbelzopf für eine nachfolgend landende Maschine auf dieser Piste eine ernsthafte Gefahr darstellen. Da Wirbelschleppen jedoch immer nur dann entstehen, wenn an den Tragflächen Auftrieb erzeugt  wird, kann man seine eigenen Verhaltensparameter bei aufmerksamer Beobachtung des Verkehrsgeschehens durchaus darauf abstimmen. So entwickeln sich Wirbelschleppen bei einem startenden Flugzeug immer erst dann, wenn es genügend Geschwindigkeit aufgenommen hat und rotiert. Während eines Landeanflugs hört dieses Phänomen auf zu existieren, sobald das Fahrwerk vollen Bodenkontakt hat, also kein Auftrieb mehr erzeugt wird. Diese Erkenntnisse sind ein wesentliches Kriterium für eine eigene „Do or Don’t“- Entscheidung. Das alles gilt in gleicher Weise auch beim Betrieb von Hubschraubern.

Wie nun sollte sich ein Pilot einer kleineren Maschine an einem Flughafen mit einem entsprechenden „Traffic Mix“ verhalten? Schon vor Einflug in die Platzrunde sollte er den Sprechfunkverkehr daraufhin analysieren, welche anderen Flugzeuge sich vor ihm im Anflug befinden oder eine Freigabe für den Start erhalten haben. Wird er dann selbst für den Landeanflug freigegeben, bestimmen diese Faktoren das eigene Anflugverhalten.

Verhaltensmuster bei Start und Landung (Wirbelschleppenstafflung) „A“ Aufsetzpunkt nach hinten verlegen „B“ Aufsetzpunkt nach vorne verlegen „C“ Abheben nach vorne verlegen „D“ Abheben nach hinten verlegen
Verhaltensmuster bei Start und Landung (Wirbelschleppenstafflung)
„A“ Aufsetzpunkt nach hinten verlegen
„B“ Aufsetzpunkt nach vorne verlegen
„C“ Abheben nach vorne verlegen
„D“ Abheben nach hinten verlegen

 

 

Landet vor ihm ein größeres Flugzeug, so muss der eigene Flugweg definitiv oberhalb des Gleitwegs dieser Maschine verlaufen und der eigene Aufsetzpunkt mehr zur Pistenmitte hin verlagert werden, also weiter Bahneinwärts vom Aufsetzpunkt der vorher gelandeten Maschine. Da es sich bei größeren Flugzeugen meistens um Instrumentengeführte – Landeanflüge handelt, sind die schwarzen Gummiabriebspuren ein deutlicher Indikator für deren Aufsetzzone. Auch sollten kleinere Flugzeuge an Verkehrsflughäfen nicht die gleiche Anflugtechnik, wie an normalen Landeplätzen praktizierten. Wenn die vorhandene Pistenlänge zwei oder mehr Kilometer beträgt, kann beim Landeanflug auf voll ausge-fahrene Auftriebshilfen mit Sicherheit verzichtet werden. Eine 10° bis maximal 15° ausgefahrene Klappe bei leicht überhöhter Anfluggeschwindigkeit wird den Anforderungen in Bezug auf Sicherheit weitaus besser gerecht. Ein Ausfahren über eine 25°- Stellung hinaus, erzeugt ohnehin kaum noch ein mehr an Auftrieb, vergrößert jedoch den Gesamtwiderstand erheblich. Darüber hinaus verschlechtert sich auch das Reaktions-verhalten eines Flugzeugs in Bezug auf notfalls erforderlich werdende Steuer- oder Kurskorrekturen. Erfolgt eine Landung hinter einem startenden Großflugzeug, verlagert sich der eigene sichere Aufsetzpunkt mehr an den Pistenanfang. Sind mehr als eine halbe Minute zwischen dem Anrollen für den Start und dem eigenen Überfliegen der Pisten-schwelle vergangen, so stellen die ursprünglichen Abgasturbulenzen der Düsentriebwerke keine unmittelbare Gefahr mehr für den eigenen Landevorgang dar. Wegen einer extremen Wirbelschleppengefahr darf der eigene Aufsetzpunk jedoch niemals hinter dem Rotationspunkt einer vorher gestarteten schwereren Maschine liegen.

Auch das Gefahrenpotenzial auf dem Vorfeld von Verkehrsflughäfen darf unterschätzt werden. Laufende Düsentriebwerke sind leider immer nur am eingeschalteten Zusammenstoßwarnlicht zu erkennen. Sie gefährden kleinere Flugzeuge unter 2000 kg MTOW (maximales Startgewicht) in besonderem Maße. Bei einem zu dichten Heran- oder Vorbeirollen, wird der Turbinenabgasstrahl zu einer erheblichen Gefahrenquelle. So manchen unbesorgten Piloten in einer Cessna oder Piper hat es da schon aufs Kreuz gelegt, wenn er mit einem zu geringen Abstand an Jets mit laufenden Triebwerken vorbei-rollte. Sollte es trotz aller Vorsicht doch einmal zu einer solchen Situation kommen, so muss unverzüglich in den Abgasstrahl der Turbine hineingedreht, das Höhenruder gedrückt und das Flugzeug abbremst werden. Auch ist es keinesfalls falsch, sich dem anderen Piloten über Funk mitzuteilen, wenn sich eine solche Situation erkennbar anbahnt. Nicht immer sind derartig kritische Situationen durch die Rollverkehrs- oder Vorfeldlotsen sofort zu erkennen. Auch die Sichtverhältnisse aus den Cockpits von Verkehrsmaschinen sind oft recht eingeschränkt, so dass besonders kleinere Flugzeuge erst nach einem entsprechenden Hinweis über Funk wahrgenommen werden. Wird es beim Rollen zur Piste erforderlich einem Flugzeug mit Strahlantrieb zu folgen, so sollte der erforderliche Abstand mindestens 100 m betragen, um auf der sicheren Seite zu sein. Auch sollte man vermeiden die Piste hinter einem zum Start freigegebenen Strahlflugzeug zu kreuzen, wenn der Abstand zum  startenden Flugzeug weniger als 300 m beträgt. Vorsicht und Umsicht bei Flügen mit kleineren Flugzeugen zu und von Verkehrsflughäfen, sowie eine solide Kenntnis über das mögliche Auftreten von Gefahrenquellen sind die beste Schadensprävention. Es gilt der Grundsatz: „Eine erkannte Gefahr, ist bekanntlich immer nur noch eine halbe Gefahr“.

Bilder: Hans-Ulrich  Ohl

Der Autor Hans-Ulrich Ohl war Fluglotse, Ausbildungsleiter für das Flugsicherungs-Kontrollpersonal am Frankfurter Flughafen, ist Inhaber der Privatpilotenlizenz PPL-A, Privatpiloten-Ausbilder, war Projektleiter für die Einführung einer digitalisierten Radar-darstellung in der Flugsicherung der Bundesrepublik (Multi Radar Tracking), war Pressesprecher und Koordinator der Flugsicherung. 1993 wurde er in die Arbeitsgruppe (Aircraft Proximity Evaluation Group > Airprox) des  Verkehrsministeriums zur Unter-suchung von gefährlichen Begegnungen in deutschem  Luftraum  berufen. Er war viele Jahre Gastdozent an der Flugsicherungsakademie der DFS in Langen/Hessen, um nur einige seiner Tätigkeiten zu nennen. Seit 2008 arbeitet Ohl als freier Luftfahrtjournalist.

 

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