Heutige Verkehrsflugzeuge werden innerhalb der Standardverfahren stets mit einem sehr großen Abstand zum Grenzbereich betrieben. Die Forschungen des Instituts FT zielen daher auf die Annäherung an den Grenzbereich zur Verbesserung der Effizienz bei mindestens gleich bleibender Sicherheit. In diesem Zusammenhang sind die Flugzeugreaktionen beim Einflug in Wirbelschleppen sowie neue Start- und Landeverfahren von Bedeutung. Im Bereich der Hochleistungskampfflugzeuge sind in diesem Zusammenhang das Fliegen im Post-Stall-Bereich oder Konfigurationen mit reduziertem Seitenleitwerk zu nennen.
Wirbelschleppen
Bereits jetzt sind aufgrund der begrenzten Start- und Landekapazitäten an Flughäfen, insbesondere zu Verkehrsspitzenzeiten, Probleme bei der Bewältigung des Luftverkehrs zu erkennen. Ein wesentlicher Grund für diesen Engpass sind die derzeit gültigen Wirbelschleppenstaffelungen. Aufgrund der prognostizierten hohen Zuwachsraten von jährlich etwa fünf Prozent im Personenluftverkehr und durch den Einsatz immer größerer und schwererer Flugzeuge ist weltweit ein großes Interesse an der Wirbelschleppenproblematik zu beobachten. Ziel ist die Erhöhung der Flughafenkapazitäten durch Verringerung der Wirbelschleppenstaffelung bei mindestens gleich bleibendem Sicherheitsniveau. Für die Bereitstellung zuverlässiger und belastbarer Fakten ist es wichtig, die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zu verstehen und die primären Einflussparameter zu identifizieren.
Diese Grundlagen wurden mit den DLR-Projekten „Wirbelschleppe I + II“ geschaffen. In einem ersten Schritt wurde zunächst ein komplexes Simulationssystem aufgebaut, das alle wesentlichen Elemente der Wirkungskette von der Wirbelerzeugung, ihrem zeitlichen Verhalten, dem Begegnungsszenario für ein in das Strömungsfeld einfliegendes Flugzeug sowie dessen Reaktion auf diese Störung enthält. Umfassende und detaillierte Studien aller relevanten Faktoren haben zu einem Erkenntnisgewinn geführt, der das DLR national und international als kompetenten und gefragten Ansprechpartner ausweist, wie die Beteiligungen an zahlreichen EU-Projekten und Industrieaufträgen deutlich macht.
Im Rahmen der DLR-internen Projekte wurde ein Wirbelschleppenvorhersage- und beobachtungssystem (WSVBS) für die Bestimmung dynamischer Staffelungsabstände entwickelt. In jedem Fall sind die Staffelungsabstände dabei so zu bestimmen, dass der Anflugkorridor bezogen auf Wirbelschleppen gefährdungsfrei ist. Von grundlegender Bedeutung in diesem Zusammenhang war die Klärung der Frage, was „gefährdungsfrei“ bedeutet. Für die zivile Transportfliegerei können Situationen als gefährdungsfrei gelten, wenn die durch eine Wirbelschleppe verursachten Effekte einen sicheren operationellen Flugbetrieb nicht beeinflussen. Eine wichtige Komponente im WSVBS ist das von FT entwickelte Modell SHAPe (Simplified Hazard Area Prediction) zur Bestimmung des Gefährdungsraums, den eine Wirbelschleppe umgibt. Mit Hilfe von offline Simulationen, bemannten Simulator Studien und Flugversuchen mit dem DLR Flugversuchsträger ATTAS wurden diese Gefährdungsraumabmessungen mit Hilfe von Pilotenbewertungen festgelegt. SHAPe ermöglicht die Berechnung der Gefährdungsraumabmessungen für beliebige Flugzeugpaarungen. Diese universelle Anwendungsmöglichkeit von SHAPe beruht auf der Parametrisierung aller für eine Wirbelschleppe charakteristischen Kenngrößen von Flugzeugen. Für die Bestimmung der erforderlichen Staffelungsabstände werden basierend auf dem Flugkorridor unter Berücksichtigung der Flugbahnabweichungen die Position der Wirbel und deren Transport vorhergesagt. Diesem Aufenthaltsraum der Wirbel wird für eine spezifische Flugzeugpaarung beziehungsweise Kombination von Flugzeugklassen entsprechend der prognostizierten Wirbelstärke ein Gefährdungsraum überlagert. Dieses Gesamtgefährdungsgebiet muss den Flugkorridor freigeben, damit das nächste Flugzeug passieren kann. Diese Bedingung wird entlang des gesamten Anfluges geprüft.
Neben der Vermeidung kommt der Entschärfung von Phänomenen wie Wirbelschleppeneinflügen durch den Einsatz von aktiven Steuerungen zur Verbesserung der Flugzeugreaktion eine entscheidende Rolle zu. Hier konnte das große Potenzial solcher Systeme bereits aufgezeigt werden.
Ziel des DLR-Projekts „Wetter und Fliegen“ ist die Umsetzung der grundsätzlich möglichen Verbesserung der Flugzeugreaktion durch eine automatische Steuerung in ein realisierbares Systemkonzept unter Beachtung realer Randbedingungen. Es soll der Einfluss von Windböen, Windscherungen und Wirbelschleppen auf das Flugverhalten durch die Entwicklung und Erprobung von Ausweichverfahren sowie automatischer Flugsteuerungssysteme unter Verwendung bordgestützter Sensoren minimiert werden. Es wird ein integriertes automatisches Steuerungs- und Regelungssystem entwickelt, das zur Verbesserung des Flugverhaltens und zu einer Belastungsreduktion von Pilot, Passagieren und Fluggerät bei extremen Atmosphärenbewegungen beitragen soll. Dabei sollen neuartige vorausschauende Sensoren spezifiziert und deren Einsetzbarkeit geprüft werden. Außerdem sollen auch vorausschauend taktische Ausweichflugbahnen generiert werden, die es dem Piloten ermöglichen, gefährliche Phänomene zu umfliegen. Die entwickelten Verfahren und Systeme werden in Simulatoren und im Flugversuch demonstriert und unter dem Gesichtspunkt einer Pilotenbeurteilung erprobt.
Lärmarme Flugverfahren
Eingebunden in die DLR Projekte „Leiser Flugverkehr I/II“, das nationale Projekt „Lärmoptimierte An- und Abflugverfahren“ und das EU-Projekt „AWIATOR“ wurden lärmreduzierte An- und Abflugverfahren, beginnend mit dem Jahr 2000, intensiv untersucht. Die Arbeiten haben auf den Entwicklungsebenen Rechnersimulation, Simulator und Flugversuch stattgefunden. Neuartige Flugverfahren sind so unter Einhaltung von Randbedingungen, wie Sicherheit, Fliegbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Lärmreduktion entstanden. Die Untersuchungen haben sich dabei auf das Vertikalprofil beschränkt. Beim Start und Steigflug sind die Möglichkeiten, den Lärm durch andere Bahnen und anderen Schubverlauf zu senken, sehr beschränkt. Beim Landeanflug kann dagegen durch striktes Einhalten von Leerlaufschub und einer Anflugbahn mit größerer Höhe beziehungsweise steilerem Winkel eine deutliche Lärmreduktion erreicht werden. Das Bild zeigt den Verlauf von Flugzeugzustandsgrößen und den dazugehörigen maximalen Schalldruckpegel direkt unterhalb der Flugbahn aus Rechnersimulationen für die Verfahren Low Drag Low Power (LDLP), Late Continuous Descent Approach (LCDA), Steep Low Drag Low Power (SLDLP) und Segmented Continuous Descent Approach (SCDA). Bezogen auf das Referenzverfahren (LDLP) sind deutliche Lärmreduktionen über einen weiten Bereich des Landeanflugs zu sehen. Beim SCDA wurden Fliegbarkeit und Pilotenbelastung erfolgreich in den Flugsimulatoren A320 und A330 untersucht. Weiterhin konnten alle im Bild dargestellten Verfahren in umfangreichen Flugversuchen mit einem Lufthansa Airbus A319 in Bezug auf die Verfahreneinhaltung, Fliegbarkeit und Lärmminderung (13 Messstellen im Anflugbereich) validiert werden.