DE102008054107B3

DE102008054107B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Abmindern der Zirkulation in der Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug

Info

Publication number: DE102008054107B3
Application number: DE102008054107A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schröder; Robert Dr. Konrath
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-11-01
Also published as: WO2010049394A3; EP2344388A2; US8528858B2; EP2344388B1; US20110210202A1; WO2010049394A2

Abstract

Zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug werden auf beiden Seiten des Flugzeugs unter einem Winkel zum Boden (4) orientierte Ringwirbel (9) am Boden (4) erzeugt, die die Schleppenwirbel stören, um deren Zerfall zu induzieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem auf einer Rollbahn startenden oder landenden Flugzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9.
STAND DER TECHNIK
Die aktive und verlässliche Abminderung der Zirkulation in den Wirbelschleppen hinter großen Verkehrsflugzeugen direkt an Rollbahnen ist von großem Interesse der Flughafenbetreiber und -kunden, da hierdurch der sicherheitsbedingte Mindestabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flugzeugen verringert werden kann, was eine effektivere Nutzung der Rollbahn ermöglicht und eine Zeitersparnis in der Flugzeugabfertigung bedeutet. In Zeiten kontinuierlich wachsendem Flugverkehrs und dem Erreichen der Kapazitätsgrenzen vieler Flughäfen ist eine lokale Lösung der Wirbelschleppenproblematik, die mit dem Gewicht und damit der möglichen Passagierzahl der Verkehrsflugzeuge zunimmt, ein wesentlicher Schritt zur Minimierung der Gefahren und Kosten des Flughafenbetriebs.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9 zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug sind aus der DE 10 2005 025 004 A1 bekannt. Hier wird an dem von dem Flugzeug überflogenen Ende der jeweiligen Rollbahn in zwei einander über eine Bahnmittelebene der Rollebene gegenüberliegenden und von dieser Bahnmittelebene beabstandeten Bereichen Luft in den Boden eingesaugt und in zwei anderen, näher an der Bahnmittelebene liegenden Bereichen wieder aus dem Boden ausgeblasen. Auf diese Weise entstehen auf beiden Seiten der Bahnmittelebene umlaufende Luftströmungen, deren Umlaufrichtungen gegenläufig zu den Umlaufrichtungen der Schieppenwirbel eines von der Rollbahn startenden oder auf dieser landenden Flugzeugs sind. Hierdurch wird die Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang der Schieppenwirbel hinter dem Flugzeug verändert, und spiralförmige Instabilitäten werden in die Schieppenwirbel induziert. Diese spiralförmigen Instabilitäten breiten sich entlang der Kerne der Schieppenwirbel aus, und zwar mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die etwa 20% der Flugzeuggeschwindigkeit entspricht.
Damit das bekannte Verfahren bzw. die bekannte Vorrichtung wirksam ist, müssen erhebliche Luftmengen in den Boden eingesaugt und wieder aus dem Boden ausgeblasen werden. Nur dann wird eine Änderung der Umfangsgeschwindigkeit der Schieppenwirbel hinter dem Flugzeug hervorgerufen, die erforderlich ist, um die gewünschten spiralförmigen Instabilitäten zu induzieren. Konkret muss ein überwiegender Teil der Zirkulation umgelenkt werden. D. h., die am Boden erzeugte Luftströmung muss mehr als 50% der Zirkulation der zu störenden Schieppenwirbel entsprechen. Im Ergebnis sind sehr leistungsstarke Gebläse erforderlich, um die Luftströmung zum Stören der Schieppenwirbel am Boden zu erzeugen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9 aufzuzeigen, die mit geringerem Aufwand eine aktive und verlässliche Störung von Wirbelschleppen hinter großen Verkehrsflugzeugen erlauben.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß werden mit ihren Wirbelachsen unter einem Winkel zum Boden orientierte, vom Boden aufsteigende Ringwirbel als die Schleppenwirbel störende Luftströmungen erzeugt. Wenn dies so geschieht, dass sich die Ringwirbel auf die einzelnen Schleppenwirbel der Wirbelschleppe zu bewegen und mit diesen interagieren, was leicht zu realisieren ist, kommt es zu einem schnellen Zerfall der Schleppenwirbel durch starke Störungsanfachung und daraufhin erfolgende turbulente Dissipation. Hierfür sind vergleichsweise kleine Zirkulationen der Ringwirbel ausreichend. Die lokale Störung der Schleppenwirbel breitet sich mit ca. 20% der Geschwindigkeit des Wirbelerzeugenden Flugzeugs entlang der Achse der Schleppenwirbel aus und zerstört mit gleicher Geschwindigkeit in beiden Richtungen die Wirbelschleppe. Bei z. B. 300 km/h Landegeschwindigkeit des Flugzeugs breitet sich die Zerstörung der Wirbelschleppe mit 60 km/h in positiver und negativer Richtung der Wirbelachse aus, und 30 Sekunden nach der Störungsinteraktion ist die Wirbelschleppe bereits über eine Länge von 1 km zerstört.
Die aufsteigenden Ringwirbel können mit in ihrem Zentrum aufsteigender oder absteigender Luftströmung erzeugt werden.
Der Winkel, unter dem die Ringwirbel mit ihren Wirbelachsen zum Boden orientiert erzeugt werden, ist vorzugsweise ein stumpfer Winkel, d. h. ein Winkel in dem Bereich von 45° bis 135°, insbesondere in dem Bereich von 60° bis 130°; ganz insbesondere kann er nahe 90° liegen. Vorzugsweise verläuft der Winkel orthogonal zu den Achsen der zu störenden Schleppenwirbel.
Die Zirkulation der Ringwirbel liegt typischerweise in einem Bereich von 5 bis 50% der zu störenden Schleppenwirbel, vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 30% dieser Zirkulation. Sie kann insbesondere weniger als ein Viertel der Zirkulation der zu störenden Schleppenwirbel betragen und damit vergleichsweise klein sein.
Je zu störendem Wirbelpaar wird bei dem neuen Verfahren mindestens ein Paar von Ringwirbeln zur Störungsentfachung erzeugt. Es können auch mehrere Paare von Ringwirbeln an gleichen oder verschiedenen Orten gleichzeitig oder hintereinander erzeugt werden, wobei sich die einzelnen Paare der Ringwirbel hinsichtlich der Störungsentfachung möglichst konstruktiv aufaddieren.
Der Ort der Erzeugung der Ringwirbel liegt vorzugsweise unter den Achsen der zu störenden Schleppenwirbel. Dabei kommt es nicht zwingend auf die Lage der Achsen der zu störenden Schleppenwirbel zum Zeitpunkt ihrer Entstehung an, sondern auf den Zeitpunkt der Störungsinteraktion. So kann ausgenutzt werden, dass die wesentlichen Schleppenwirbel hinter einem Flugzeug absteigen und sich durch Wechselwirkung mit dem Boden seitlich von dem Flugzeug weg verlagern. Es ist allerdings von Interesse, die Schleppenwirbel möglichst frühzeitig, d. h. vor einer starken Ausbreitung der Wirbelschleppe zu stören.
Konkret können die Ringwirbel in einem Bereich am Boden erzeugt werden, den das Flugzeug niedrig überfliegt.
Eine Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug setzt sich typischerweise aus mehreren Wirbelpaaren zusammen, insbesondere den Flügelspitzenwirbeln und den Klappenwirbeln. Da sich die gleichsinnig orientierten Wirbel dieser Wirbelpaare üblicherweise in einem Abstand zwischen 4 und 8 Flügelspannweiten hinter dem Fugzeug vereinigen und eine erhöhte Sensitivität der Wirbelschleppe gegenüber Störungen nach ca. 25–30 Flügelspannweiten erreicht ist, ist es 20 bis 50 Spannweiten, vorzugsweise 25 bis 30 Spannweiten, hinter dem Flugzeug besonders effektiv möglich, die gewünschten Störungen mit den erfindungsgemäßen Ringwirbeln zu entfachen. Insbesondere ist die effektive Störungsinteraktion hier durch Ringwirbel relativ kleiner Zirkulation möglich. Außerdem hat sich die Wirbelschleppe noch nicht weit ausgebreitet. Eine sehr frühzeitige Interaktion der Ringwirbel binnen 4–8 Spannweiten nach dem Flugzeug ist allerdings auch in Betracht zu ziehen.
Wirbelschleppengeneratoren zur Erzeugung von Ringwirbeln sind grundsätzlich bekannt. Derartige bekannte Ringwirbelgeneratoren (RWG) sind in der Lage, stabile und reproduzierbare Ringwirbel großer Zirkulation auf effiziente Art und Weise mit definierter Ausbreitungsrichtung und Geschwindigkeit sowie bekanntem Wirbel- und Ringdurchmesser zu produzieren. Das Grundprinzip eines solchen Ringwirbelgenerators ist einfach und wird im Folgenden noch beispielhaft erläutert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert uns beschrieben.
1 zeigt die Ausbreitung einer Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug.
2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit vier in eine Rollbahn eingelassenen Wirbelgeneratoren zum Stören der Flügelspitzenwirbel und der Klappenwirbel hinter einem landenden Flugzeug.
3 skizziert den Aufbau einer möglichen Ausführungsform eines der Wirbelgeneratoren gemäß 2; und
4 skizziert den Aufbau einer anderen möglichen Ausführungsform eines Wirbelgenerators.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 skizziert die Wirbelschleppe 1 hinter einem startenden oder landenden Flugzeug 2, wobei von den Schleppenwirbeln hier ausschließlich die Flügelspitzenwirbel 3 berücksichtigt sind. Die Flügelspitzenwirbel 3 treten wie alle Schleppenwirbel als Paar mit gegenläufiger Zirkulation auf. Sie steigen hinter dem Flugzeug 2 zum Boden 4 hin ab, wobei 1 die Lage der Flügelspitzenwirbel 1, 2 und 3 Minuten nach ihrer Entstehung an dem Flugzeug 2 skizziert. Sobald die Flügelspitzenwirbel 3 in die Nähe des Boden 4 gelangen, verlagern sie sich durch Wechselwirkung mit dem Boden 4 seitwärts, so dass die Wirbelschleppe 1 nicht nur eine große vertikale sondern auch eine große horizontale Ausdehnung hinter dem Flugzeug 2 einnimmt, binnen derer sie nachfolgende Flugzeuge gefährdet, bis die Schleppenwirbel zerfallen sind. Dieser Zerfall nimmt bei schweren Flugzeugen 2 und entsprechend starker Zirkulation der Flügelspitzenwirbel 3 einige Minuten in Anspruch. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diesen Zeitraum erheblich zu verkürzen.
2 skizziert den Verlauf von Wirbelachsen 5 der Flügelspitzenwirbel und von Wirbelachsen 6 der Klappenwirbel hinter einem hier nicht dargestellten, auf einer Rollbahn 7 landenden Flugzeug. Die Flügelspitzenwirbel und die Klappenwirbel vereinigen sich unter Addition ihrer Zirkulation binnen 4 bis 8 Spannweiten hinter dem Flugzeug. Unterhalb von Wirbelachsen 15 dieser vereinigten Schleppenwirbel sind neben der Rollbahn 7 Wirbelgeneratoren 8 vorgesehen, um aufsteigende Ringwirbel 9 zu erzeugen, deren Wirbelachsen hier im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Rollbahn 7 ausgerichtet sind, während sie unter einem Winkel kleiner 90° in den Bereich der Wirbelachsen 15 über der Rollbahn 7 aufsteigen. Diese Ringwirbel 9 Wechselwirken mit den Schleppenwirbeln, indem sie eine zum Zerfall des jeweiligen Schleppenwirbels führende Störung induzieren, die sich von dem Ort der unmittelbaren Wechselwirkung in beide Richtungen längs der Wirbelachsen 15 fortpflanzt. In 2 ist dargestellt, dass jeder Wirbelgenerator 8 zwei Ringwirbel 9 ausstößt. Mindestens wird je zu störendem Schleppenwirbel ein Ringwirbel 9 benötigt.
3 skizziert eine mögliche Ausführungsform eines Wirbelgenerators 8 zur Erzeugung eines Ringwirbels 9 mit im Zentrum aufsteigender Luftströmung 10. Ein Kolben 11 wird in einem Druckraum 12 nach oben bewegt und presst dabei Luft aus dem zylindrischen Druckraum 12 durch eine zentrale kreisförmige Öffnung 15 mit gegenüber dem Druckraum reduziertem Durchmesser ins Freie. Die resultierende Ringwirbel 9 steigt in Richtung seiner Wirbelachse 14 nach oben auf.
3 skizziert eine mögliche Ausführungsform eines Wirbelgenerators 8 zur Erzeugung eines Ringwirbels 9 mit im Zentrum absteigender Luftströmung 10. Hier wird die Luft aus dem zylindrischen Druckraum 12 von dem Kolben 11 durch einen Ringspalt 13 ins Freie gepresst. Die resultierende Ringwirbel 9 steigt trotz anderer Drehrichtung bei gleicher Ausrichtung seiner Wirbelachse 14 auch hier nach oben auf.

1: Wirbelschleppe
2: Flugzeug
3: Flügelspitzenwirbel
4: Boden
5: Achse eines Flügelspitzenwirbels
6: Achse eines Klappenwirbels
7: Rollwagen
8: Ringwirbelgenerator
9: Ringwirbel
10: Luftströmung
11: Kolben
12: Druckraum
13: Ringspalt
14: Wirbelachse
15: Öffnung

Claims

Verfahren zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem startenden oder landenden Flugzeug, wobei auf beiden Seiten des Flugzeugs Luftströmungen am Boden erzeugt werden, die die Schleppenwirbel stören, um deren Zerfall zu induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihren Wirbelachsen (14) unter einem Winkel zum Boden (4) orientierte, vom Boden (4) aufsteigende Ringwirbel (9) als die Schleppenwirbel (3) störende Luftströmungen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel (9) mit in ihrem Zentrum aufsteigender oder absteigender Luftströmung (10) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel (9) so erzeugt werden, dass sie mit ihren Wirbelachsen (14) unter einem Winkel zwischen 45° und 135°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, zum Boden (4) orientiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel (9) mit einer Zirkulation erzeugt werden, die 5 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 30% der Zirkulation der zu störenden Schleppenwirbel (3) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je Paar von gegenläufigen Schleppenwirbeln (3) mindestens ein Paar von Ringwirbeln (9) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel (9) unterhalb der Achsen (5, 6) der zu störenden Schleppenwirbel (3) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel (9) in einem Bereich am Boden (4) erzeugt werden, den das Flugzeug (1) niedrig überfliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbel so hinter dem Flugzeug (2) erzeugt werden, dass sie 20 bis 50 Spannweiten, vorzugsweise 25 bis 30 Spannweiten hinter dem Flugzeug (2) mit den Schleppenwirbeln (3) Wechselwirken.
Vorrichtung zum Abmindern der Zirkulation von Schleppenwirbeln in der Wirbelschleppe hinter einem auf einer Rollbahn startenden oder landenden Flugzeug, wobei auf beiden Seiten der Rollbahn Luftströmungsgeneratoren am Boden vorgesehen sind, um die Schleppenwirbel störende Luftströmungen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmungsgeneratoren unter einem Winkel zum Boden (4) orientierte Ringwirbelgeneratoren (8) sind, die mit ihren Wirbelachsen (14) unter dem Winkel zum Boden (4) orientierte, vom Boden (4) aufsteigende Ringwirbel (9) als die Schleppenwirbel (3) störende Luftströmungen erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) die Ringwirbel (9) mit in ihrem Zentrum aufsteigender Luftströmung (10) erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) unter einem Winkel zwischen 45° und 135°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, zum Boden (4) orientiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) so dimensioniert sind, dass sie die Ringwirbel (9) mit einer Zirkulation erzeugen, die 5 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 30% der Zirkulation der zu störenden Schleppenwirbel (3) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass je Paar von gegenläufigen Schleppenwirbeln (3) mindestens ein Paar von Ringwirbelgeneratoren (8) auf beiden Seiten der Rollbahn (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) unter den Achsen (5, 6) der zu störenden Schleppenwirbel (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) in die Rollbahn (7) eingelassen und/oder neben dieser angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringwirbelgeneratoren (8) in einem Bereich der Rollbahn (7) am Boden (4) angeordnet sind, den das Flugzeug (2) niedrig überfliegt.