Physik des Fliegens · Frage 6 von 7
Was sind Wirbelschleppen?
Wirbelschleppen sind zwei gegenläufig drehende Luftwirbel, die jedes fliegende Flugzeug hinter sich herzieht, einen von jeder Flügelspitze. Unter dem Flügel ist der Luftdruck höher als darüber, deshalb strömt Luft um die Flügelspitzen herum und rollt sich zu Wirbeln auf. Am stärksten sind sie, wenn ein Flugzeug schwer und langsam fliegt, nicht schnell.
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Wirbelschleppe, Randwirbel, Wake Turbulence
Randwirbel heißen die beiden Luftwirbel, die sich an den Spitzen eines Flügels aufrollen, der Auftrieb erzeugt. Zusammen bilden sie die Wirbelschleppe, die ein Flugzeug hinter sich herzieht. Im Englischen heißen sie wingtip vortices; „wake turbulence“ meint die Wirkung auf alle, die hineinfliegen: ein plötzliches Rollen, Absacken oder Rütteln.
Jeder Flügel, der Gewicht trägt, erzeugt sie, vom Segelflugzeug bis zum A380. Sie sind kein Konstruktionsfehler und kommen nicht aus den Triebwerken: Die US-Luftfahrtbehörde FAA nennt sie ein Nebenprodukt des Auftriebs, vom Abheben des Bugrads bis zum Aufsetzen (FAA Aeronautical Information Manual, AIM 7-4-4).
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Schritt für Schritt
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Zwei Wirbel hinter jedem Flügel
Im Modell fliegt ein Airbus A320 mit 64 Tonnen in 11.000 m Höhe mit 829 km/h. Seine Flügel tragen sein ganzes Gewicht, 628 kN. Rauchlinien zeigen, wie die Luft um ihn herumströmt: An jeder Flügelspitze biegen sie nach außen und rollen sich zu einer Spirale auf, die das Flugzeug hinter sich herzieht, links und rechts eine, gegenläufig.
Der Rauch ist doppelt so stark verwirbelt gezeichnet wie die echte Strömung, damit man ihn auf dem Bildschirm sieht. In Wirklichkeit sind die Wirbel unsichtbar; zu sehen sind sie nur, wenn feuchte Luft in ihrem Kern kondensiert.
Schritt 2 von 7 · Erklären
Wie entstehen Wirbelschleppen?
Ein Flügel erzeugt Auftrieb, indem er Luft nach unten drückt. Dadurch ist der Luftdruck unter ihm höher als darüber, und dieser Druckunterschied ist der Auftrieb. Fast überall trennt der Flügel die beiden Seiten. An der Spitze nicht: Dort strömt die Luft von unten um die Spitze herum nach oben. Weil das Flugzeug weiterfliegt, bleibt die kreisende Luft als Schlauch zurück, der sich wenige Meter hinter dem Flügel aufrollt.
Von hinten gesehen dreht der linke Wirbel im Uhrzeigersinn, der rechte gegen den Uhrzeigersinn: unter dem Flügel nach außen, um die Spitze hoch, oben nach innen (FAA, AIM 7-4-4). Zwischen den beiden Wirbeln sinkt die Luft ab, die der Flügel nach unten gedrückt hat, der Abwind. Die Wirbel sind die Ränder dieser absinkenden Luft. Deshalb hinterlässt jeder Flügel mit Auftrieb immer zwei davon.
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Schnellere Flugzeuge machen keine stärkeren Wirbel
Oft wird angenommen, ein schnelles Flugzeug hinterlasse die stärkste Wirbelschleppe: mehr Tempo, heftigere Luft. Das stimmt nicht, denn die Wirbel kommen vom Auftrieb, und ein langsamer Flügel muss für denselben Auftrieb mehr leisten. Im Modell fliegt der A320 in 1.000 m Höhe nahe am Flughafen. Bei 600 km/h ist sein Auftriebsbeiwert, also wie stark jeder Quadratmeter Flügel die Luft umlenken muss, 0,33. Zur Landung auf 350 km/h abgebremst, weiter mit 64 Tonnen, braucht er 0,97: fast das Dreifache, um dieselben 628 kN zu tragen.
Im Modell werden die Spiralen weiter und ziehen mehr Luft von hinter dem Flügel mit hinein, und die Luft zwischen ihnen sinkt steiler ab. Beschleunigt das Flugzeug wieder, schrumpfen sie, bis sich die Luft hinter dem Flügel kaum noch mitdreht. Die echte Wirbelstärke (die Zirkulation) wächst mit Gewicht ÷ (Luftdichte × Geschwindigkeit × Spannweite). In gleicher Höhe ist sie bei 350 km/h also etwa 1,7-mal so groß wie bei 600 km/h. Die Zeichnung übertreibt den Unterschied, weil sie zeigt, wie scharf die Luft im Verhältnis zur Fluggeschwindigkeit umgelenkt wird.
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Schwer, sauber, langsam: die stärksten Wirbelschleppen
Das Gewicht ist die andere Hälfte der Regel. Voll beladen mit 78 Tonnen und bei 350 km/h muss der Flügel des A320 765 kN tragen und die Luft 22 % kräftiger umlenken: Der Auftriebsbeiwert steigt von 0,97 auf 1,19, die Wirbel werden 22 % stärker. Schwer und langsam zusammen sind sie etwa doppelt so stark wie beim 64-t-Flugzeug mit 600 km/h.
Piloten lernen das als einen Satz der FAA: Am stärksten sind die Wirbel, wenn das Flugzeug schwer, sauber und langsam fliegt (AIM 7-4-3). Sauber heißt: Klappen und Vorflügel eingefahren; ausgefahren lassen sie die Wirbelschleppe schneller zerfallen. Das Modell berechnet die Strömung nur aus dem Auftriebsbeiwert und zeigt diesen Effekt nicht, deshalb bleiben die Klappen in der Tour eingefahren. Die schwersten Verkehrsflugzeuge machen die stärksten Wirbelschleppen. Darum bekommt der Airbus A380 bei der Flugsicherung eine eigene Kategorie: Super.
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Was die Wirbel hinter dem Flugzeug tun
Von oben laufen die beiden Wirbel nebeneinander hinter dem Flugzeug her, im Modell etwa 30 m auseinander: etwas weniger als seine Spannweite von 34 m, weil die Wirbelkerne ein Stück innerhalb der Flügelspitzen liegen. Die FAA nennt dieselbe Faustregel: etwas weniger als eine Spannweite (AIM 7-4-4).
Das Modell zeichnet nur die ersten gut 100 m. Dahinter sinken echte Wirbel mit einigen hundert Fuß pro Minute ab, werden langsamer und mit Zeit und Entfernung schwächer (AIM 7-4-4); in Reiseflughöhe pendeln sie sich etwa 150–270 m unter der Flugbahn des Flugzeugs ein, das sie erzeugt hat (Wikipedia, Wake turbulence). Nahe am Boden sinken sie nicht weiter, sondern wandern mit wenigen Knoten zur Seite, und leichter Seitenwind kann einen Wirbel über der Landebahn halten. Hinter einem großen Flugzeug können sie drei Minuten und länger bestehen (DLR).
Wirbelschleppenstaffelung: Warum Flugzeuge Abstand halten
Fliegt ein Flugzeug in den Wirbel eines anderen, wird es in Drehrichtung der Luft gerollt. Bei Flugzeugen mit kleiner Spannweite kann diese Rollbewegung schneller sein, als die Querruder sie abfangen können (FAA, AIM 7-4-3). 2001 stürzte American-Airlines-Flug 587, ein Airbus A300, in New York ab, nachdem er in die Wirbelschleppe einer Boeing 747 geraten war; die heftigen Ruderausschläge des Copiloten rissen das Seitenleitwerk ab. Im Januar 2017 flog eine Challenger 604 rund 300 m unter einem Airbus A380 hindurch, drehte sich mehrmals um die Längsachse und verlor etwa 3.000 m Höhe, bevor die Piloten sie abfingen; das Flugzeug war danach ein Totalschaden (Wikipedia, Wirbelschleppe).
Deshalb staffelt die Flugsicherung Flugzeuge nach Wirbelschleppenkategorien. Die ICAO teilt sie nach höchstzulässiger Startmasse ein: Light (bis 7 t), Medium (7 bis 136 t, dazu gehört der A320) und Heavy (ab 136 t), der A380 gilt als Super. Hinter einem schwereren Flugzeug bekommt das folgende mehr Abstand, im Anflug grob 3 bis 6 Seemeilen, oder eine Wartezeit von zwei bis drei Minuten (Wikipedia, Wirbelschleppe). Für Starts schreibt die FAA 3 Minuten hinter einem Super und 2 Minuten hinter einem Heavy vor, wenn beide von derselben Bahn, einer nahen Parallelbahn oder über einen kreuzenden Weg starten, und 4 bzw. 3 Minuten bei einem Start von einer Rollwegeinmündung mitten auf der Bahn (Intersection) oder in Gegenrichtung (AIM 7-4-9).
Die Gefahr besteht nicht nur am Flughafen. In Reiseflughöhe ist die Luft etwa dreimal dünner als in 1.000 m, und je dünner die Luft, desto stärker der Wirbel. Im Modell haben die Wirbel des 64-t-A320 in 11 km Höhe bei 829 km/h eine Zirkulation von 280 m²/s, mehr als die 217 m²/s im Anflug mit 350 km/h. Langsamer heißt stärker in gleicher Höhe; der Fall von 2017 zeigt, dass auch die dünne Luft oben zählt.
Winglets: Verhindern sie Wirbelschleppen?
Nein. Die Wirbel entstehen aus dem Auftrieb selbst, also erzeugt sie jeder tragende Flügel, mit oder ohne Winglets. Was die Wirbel kosten, ist Energie: Die kreisende Luft und der Abwind kippen den Auftrieb des Flügels ein wenig nach hinten, und das wirkt als zusätzlicher Widerstand, der induzierte Widerstand (Smithsonian, How Things Fly). Am größten ist er, wenn der Flügel am meisten leisten muss, beim Start und bei der Landung.
Winglets, die hochgebogenen Flügelenden vieler Verkehrsflugzeuge, verteilen die Strömung an der Spitze und lassen den Flügel wirken, als wäre er länger. So strömt weniger Luft um die Spitze, der induzierte Widerstand sinkt und das Flugzeug verbraucht weniger Treibstoff; der Wirbelkern dreht sich langsamer (Wikipedia, Wirbelschleppe), aber die Wirbelschleppe bleibt. Bei der A320-Familie heißen sie Sharklets. Am A320 im Modell sind sie zu sehen, ihre Wirkung auf die Strömung wird aber nicht berechnet.
Kann man Wirbelschleppen sehen?
Meist nicht: Sie bestehen aus klarer Luft. An feuchten Tagen kühlt der niedrige Druck im Wirbelkern die Luft aber so stark ab, dass Wasser kondensiert. Dann erscheint an jeder Flügelspitze ein dünner weißer Faden oder ein gedrehtes Wölkchen, oft im Landeanflug oder bei Flugshows (Wikipedia, Wingtip vortices). Manchmal verraten sich die Wirbel auch, wenn sie Nebel, Wolken oder Rauch hinter dem Flugzeug aufwirbeln.
Ein Kondensstreifen ist etwas anderes. Er entsteht in Reiseflughöhe vor allem aus dem Wasser im Abgas der Triebwerke, das in der kalten Luft gefriert; unsere Tour zu Kondensstreifen erklärt das.
FAQ
Häufige Fragen
- Was ist der Unterschied zwischen Wirbelschleppe und Randwirbel?
- Randwirbel sind die beiden Wirbel, die sich an den Flügelspitzen aufrollen. Wirbelschleppe nennt man das, was sie zusammen hinter dem Flugzeug bilden: das Wirbelpaar, das noch Minuten später in der Luft liegt. Im Alltag werden beide Wörter oft gleich verwendet.
- Welche Kategorien gibt es bei Wirbelschleppen?
- Die ICAO teilt Flugzeuge nach ihrer höchstzulässigen Startmasse ein: Light (bis 7 t), Medium (7 bis 136 t) und Heavy (ab 136 t); der Airbus A380 gilt als Super. Je schwerer das vorausfliegende Flugzeug und je leichter das folgende, desto größer der vorgeschriebene Abstand.
- Wie lange halten Wirbelschleppen?
- Meist einige Minuten. Mit Zeit und Entfernung werden sie schwächer (FAA, AIM 7-4-4); hinter großen Flugzeugen können sie drei Minuten und länger bestehen (DLR). Bei Windstille halten sie am längsten, weil nichts sie zerstreut.
- Sinken Wirbelschleppen nach unten?
- Ja. Sie sinken mit einigen hundert Fuß pro Minute ab und werden dabei langsamer (AIM 7-4-4); in Reiseflughöhe pendeln sie sich etwa 150–270 m unter der Flugbahn ein. Nahe am Boden sinken sie nicht weiter, sondern wandern mit 2 bis 3 Knoten zur Seite. Darum kann leichter Seitenwind einen Wirbel über der Landebahn festhalten.
- Können Wirbelschleppen Dächer abdecken?
- Ja. Tief anfliegende Flugzeuge können Wirbel bis zum Boden schicken, die Dachziegel anheben oder Solarmodule beschädigen (Wikipedia, Wirbelschleppe). Rund um den Frankfurter Flughafen hat der Betreiber Fraport deshalb in den Anflugschneisen Dächer mit Klammern gesichert (Hessisches Wirtschaftsministerium).
- Warum erzeugt der A380 so starke Wirbelschleppen?
- Weil er so schwer ist. Die Wirbelstärke wächst mit dem Gewicht, und der A380 wiegt beim Start bis zu 575 t (Airbus), mehr als das Siebenfache eines voll beladenen A320. Deshalb bekommt er eine eigene Kategorie, Super, und Flugzeuge dahinter brauchen besonders viel Abstand.
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