Wirbeldeformierung und ihr Einfluss auf die Gefährdungsbewertung von Wirbelschleppeneinflügen

Während ihres Zerfalls deformieren sich Wirbelschleppen abhängig von den atmosphärischen Bedingungen. Typischerweise durchlaufen Wirbel während ihres Zerfalls verschiedene Deformierungsstadien. Zunächst sorgt die nach ihrem Entdecker benannte CROW-Instabilität für eine sinusförmige Deformierung mit zunehmender Amplitude. Nach einiger Zeit begegnen sich durch die wachsende Amplitude die Wirbellinien beider Wirbel in regelmäßigen Abständen und es kommt zum sogenannten Linking der Wirbellinien. Danach formieren sich die Wirbel zu Ringwirbeln, die mit weiter zunehmender lateraler Ausdehnung zerfallen. Trotz des Wissens um diesen physikalischen Effekt, wurden Wirbelschleppen für Gefährdungsbewertungen von Wirbeldurchflügen in der Vergangenheit jedoch meist als geradlinig angenommen. Ob die Wirbeldeformierung einen Einfluss auf die Gefährdungsbewertung von Wirbelschleppendurchflügen hat und ob die Annahme von geradlinigen Wirbelschleppen hierbei gerechtfertigt ist, wurde bisher nur sehr unzureichend und mit zum Teil widersprüchlichen Ergebnissen untersucht. Außerdem liefert keine der bisherigen Studien Grenzwerte für eine vorhersagbare Gefährdungsmetrik, die in der Praxis angewendet werden kann, um gefährliche Wirbeleinflüge vorherzusehen. Die Notwendigkeit, die Gefährlichkeit von Wirbelschleppen mit allen Effekten zu kennen, ist aufgrund der derzeitigen weltweiten Aktivitäten zur teilweisen Neuordnung der Wirbelschleppenstaffelungen von zusätzlicher Aktualität. Aus diesem Grund soll die vorliegende Arbeit eine Antwort auf die Frage liefern, wie sich der Effekt der Wirbeldeformierung auf Wirbelschleppendurchflüge auswirkt. Für die Untersuchung wurden Ergebnisse von Large-Eddy-Simulationen verwendet, die den Effekt der Wirbeldeformierung realistisch abbilden. Zum Vergleich wurde ein analytisches Modell geradliniger Wirbel verwendet. Es wurde eine umfangreiche Simulationsstudie mit Parametervariation durchgeführt, die Unterschiede zwischen Wirbeldurchflügen mit deformierten Wirbelschleppen und geradlinigen Wirbelschleppen gleicher Stärke aufzeigt. Um Einflüsse der Wirbeldeformierung auf das subjektive Empfinden der Gefährlichkeit durch Piloten zu untersuchen wurden Simulatorversuche in einem A330-Simulator, einem A320-Simulator und Inflight-Simulationen mit dem DLR Forschungsflugzeug ATTAS mit verschieden deformierten Wirbelschleppen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen eine besondere Kritikalität kurz vor und im Bereich des Linkings. Wirbeldeformierung verringert typischerweise die Einwirkdauer der wirbelinduzierten Kräfte und Momente, was grundsätzlich einen positiven Einfluss auf die Auswirkungen eines Durchfluges hat. Während des Linkings können Durchflüge jedoch durchaus heftiger sein, als davor und danach. Gefährdungsgrenzen für das Roll Control Ratio für geradlinige Wirbel können jedoch auf deformierte Wirbelschleppen übertragen werden, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen