Am 03. Januar 2017 startete eine Bombardier CL-604 auf dem Flughafen von Malé, Malediven, zu einem Flug nach Al-Bateen, Vereinigte Arabische Emirate. Die CL-604 flog in einer Flughöhe von 34.000 ft (FL340). Auf dem Flughafen von Dubai startete ein Airbus A380, mit dem Ziel Sydney, Australien. Die A380 flog in einer Flughöhe von 35.000 ft (FL350). Über der Arabischen See begegneten sich beide Flugzeuge auf Gegenkurs, mit einem vertikalen Abstand von 1000 ft. Etwa eine Minute später flog die CL-604 in die Wirbelschleppen des A380 und geriet in eine unkontrollierte Fluglage. Nach einem Höhenverlust von etwa 9.000 ft erlangten die Piloten die Kontrolle über das Flugzeug und landeten außerplanmäßig in Muscat, Oman.

Der Flugzeughersteller stellte fest, dass die Flugzeugstruktur durch die aufgetretenen Beschleunigungen stark beschädigt wurde. Deswegen war eine Reparatur nicht mehr möglich und die Maschine musste als Totalschaden abgeschrieben werden.

Vergleichbare Vorfälle mit Wirbelschleppen in der Reiseflughöhe erfasst das ASRS, dem Incident Reporting System der NASA, seit 1995, im Auftrag der FAA.

Was sind nun die Gefahren durch Wirbelschleppen?

Entstehung von Wirbelschleppen

Durch den Überdruck unterhalb und dem Unterdruck oberhalb einer endlichen Tragfläche wird eine Zirkulation an der Hinterkante erzeugt. Die kontinuierlich erzeugte Wirbelfläche rollt sich infolge ihrer Instabilität schnell zu einem Paar von Wirbelzöpfen auf. Bereits drei Spannweiten hinter dem Flugzeug sind die Wirbelzöpfe voll ausgebildet. (Abb. 1)

Jeder Wirbelzopf hat einen Wirbelkern, in dem die Umfangsgeschwindigkeit vom Wert Null an der Achse linear mit dem Radius ansteigt. Die größte Geschwindigkeit wird an der äußeren Grenze des Wirbelkerns erreicht. Großraum Flugzeuge erzeugen Rotationsgeschwindigkeiten von 100 - 300 km/h, der Durchmesser beträgt dabei 20 - 50 Meter. Die Wirbelzöpfe drehen sich entgegengesetzt und bewirken an ihrer Berührungsseite einen verstärkten Abwind. In großer Höhe sinken die Wirbel mit ca. 130 m/min, bis auf 300 m unter der Entstehungshöhe. Der Vertikalabstand zwischen zwei Flugzeugen sollte deshalb mindestens 2.000 ft betragen. In Bodennähe  verringert sich die Vertikalgeschwindigkeit, gleichzeitig bewegen sich die Wirbel in horizontaler Richtung auseinander. (Abb. 2 und 3)

Die Wirbelschleppenstärke wird durch das Gewicht des Flugzeuges, durch die Streckung, die Flügelfläche, die Luftdichte und einen Turbulenzindikator bestimmt. Der Turbulenzindikator gibt die Verwirbelung der Luft im Grenzschichtbereich an der Tragfläche wieder. Ist die Tragfläche "clean" (die Triebwerke am Heck), verstärkt sich der Wirbel. Ist die Tragflächenstreckung klein (also die Tragfläche kurz und die Flügelfläche klein) ist der Wirbel stark. Sind Triebwerke an den Tragflächen befestigt, unterbrechen sie den Aufrollvorgang und die Wirbelstärke verringert sich. Auch sogenannte "Winglets" und "Sharklets" verringern in der Wirkung die Wirbelstärke.

Lebensdauer der Wirbelschleppen

a) Die atmosphärische Schichtung

Ist die Luft stabil geschichtet (warme Luft, Hochdruckgebiet) bleiben Wirbelschleppen bis zu 20 Minuten erhalten. Ist die Luft instabil geschichtet (kalte Luft, Tiefdruckgebiet) bleiben die Wirbel nur kurz in der Luft. Die turbulente Luft, durch Thermik erzeugt, zerstört die Wirbel relativ schnell (2 - 3 Minten).

b) Wind

Bei Seitenwind wird die Wirbeldrehung einerseits verstärkt, andererseits verringert. Dami verlagern sich die Wirbel horizontal mit der Windrichtung. Bei Parallelwind werden die Wirbel entlang der Startbahn zum Aufsetzpunkt verschoben.

Einwirkung auf die Fluglage und Struktur des Flugzeuges

Im Fall Nr. 1 fliegt das nachfolgende Flugzeug genau in den Wirbelkern eines vorausfliegenden Flugzeuges. Die entstehenden Rollgeschwindigkeiten können so groß sein, dass selbst mit vollem Querruderausschlag keine Gegenwirkung erzielt werden kann. (Abb. 4)

Fall Nr. 2 zeigt die Wirkung auf ein zwischen den Wirbelzöpfen fliegendes Flugzeug. Durch die Abwärtsbewegung zwischen den Wirbeln wird die Maschine deart stark nach unten gedrückt, dass selbst die volle Steigleistung kein Steigen ermöglicht (bei Sportflugzeugen). (Abb. 5)

Im dritten Fall kreuzt ein Flugzeug die Wirbelschleppe im Winkel von 90°. Hierbei entstehen Nickmomente und Vertikalbeschleunigungen, die beträchtliche Lastvielfache hervorrufen. (Abb. 6) 

 

 Literatur:

"Bulletin - Unfälle und Störungen beim Betrieb ziviler Luftfahrzeuge, Januar 2017", Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung, Braunschweig, Teil 1, S. 7

"Wake Vortex Hazard at Cruise Altitudes, ASRS Callback No. 255", NASA ASRS, Mountain View, CA, USA, November 2000.

"Wake Turbulence Encounters  -  ASRS Database Report Set", NASA ASRS, Mountain View, CA, USA, November 2018, 116 Seiten.

"Aircraft Wake Turbulence and Its Detection", J.H. Olsen et al., Proceedings of a Symposium on Aircraft Wake Turbulence, Seattle, Washington, September 1-3, 1970.

"Aircraft Wake Turbulence", FAA Advisory Circular, No. 90-23G, October 2014.

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