Flugzeug: Flügelspitzenwirbel - Airplane: Wingtip Vortices

Bildung von Wirbeln

Die Wirkung des Tragflächenprofils, das einem Flugzeug Auftrieb verleiht, verursacht auch einen induzierten Luftwiderstand. Wenn ein Schaufelblatt mit einem positiven AOA geflogen wird, existiert eine Druckdifferenz zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Schaufelblatts. Der Druck über dem Flügel ist kleiner als der atmosphärische Druck und der Druck unter dem Flügel ist gleich oder größer als der atmosphärische Druck. Da sich Luft immer von hohem Druck zu niedrigem Druck bewegt und der Weg des geringsten Widerstands zu den Spitzen des Schaufelblatts führt, gibt es eine Luftbewegung in Spannweitenrichtung von der Unterseite des Schaufelblatts nach außen vom Rumpf um die Spitzen herum. Dieser Luftstrom führt zu einem „Verschütten“ über die Spitzen, wodurch ein Luftstrudel entsteht, der als Vortex bezeichnet wird. 

Gleichzeitig hat die Luft auf der oberen Fläche die Tendenz, in Richtung des Rumpfes und von der Hinterkante weg zu strömen. Dieser Luftstrom bildet einen ähnlichen Wirbel am inneren Abschnitt der Hinterkante des Tragflügels, aber da der Rumpf die nach innen gerichtete Strömung begrenzt, ist der Wirbel unbedeutend. Folglich ist die Abweichung der Strömungsrichtung an den äußeren Spitzen am größten, wo die ungehinderte seitliche Strömung am stärksten ist.

Wenn sich die Luft um die Spitze nach oben kräuselt, verbindet sie sich mit dem Abwind zu einem sich schnell drehenden nachlaufenden Wirbel. Diese Wirbel erhöhen den Luftwiderstand aufgrund der Energie, die zum Erzeugen der Turbulenz aufgewendet wird. Immer wenn ein Tragflügel Auftrieb erzeugt, tritt ein induzierter Widerstand auf und Flügelspitzenwirbel werden erzeugt. 

So wie der Auftrieb mit zunehmendem AOA zunimmt, nimmt auch der induzierte Widerstand zu. Dies tritt auf, weil bei zunehmendem AOA eine größere Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Strömungsprofils und eine größere seitliche Luftströmung besteht; Folglich werden dadurch heftigere Wirbel aufgebaut, was zu mehr Turbulenzen und mehr induziertem Widerstand führt.  

In der Abbildung ist die Bildung von Flügelspitzenwirbeln gut zu erkennen. Die Intensität oder Stärke der Wirbel ist direkt proportional zum Gewicht des Flugzeugs und umgekehrt proportional zur Spannweite und Geschwindigkeit des Flugzeugs. Je schwerer und langsamer das Flugzeug, desto größer die AOA und desto stärker die Flügelspitzenwirbel. Somit erzeugt ein Flugzeug Flügelspitzenwirbel mit maximaler Stärke, die während der Start-, Steig- und Landephasen des Fluges auftreten. Diese Wirbel führen zu einer besonders gefährlichen Fluggefährdung, den Wirbelschleppen.

Vermeidung von Wirbelschleppen

Flügelspitzenwirbel sind am größten, wenn das erzeugende Flugzeug „schwer, sauber und langsam“ ist. Dieser Zustand tritt am häufigsten bei Anflügen oder Abflügen auf, da der AOA eines Flugzeugs am höchsten ist, um den zum Landen oder Abheben erforderlichen Auftrieb zu erzeugen. So minimieren Sie die Wahrscheinlichkeit, durch die Wirbelschleppe eines Flugzeugs zu fliegen:

• Vermeiden Sie es, durch die Flugbahn eines anderen Flugzeugs zu fliegen. 

• Rotieren Sie vor dem Punkt, an dem sich das vorausfahrende Flugzeug drehte, als es hinter einem anderen abhob. Flugzeug. 

• Vermeiden Sie es, einem anderen Flugzeug auf einer ähnlichen Flugbahn in einer Höhe von weniger als 1.000 Fuß zu folgen.

• Nähern Sie sich der Landebahn über dem Weg eines vorausfahrenden Flugzeugs, wenn Sie hinter einem anderen Flugzeug landen, und landen Sie nach dem Punkt, an dem die Räder des anderen Flugzeugs die Landebahn berührten.

Ein schwebender Helikopter erzeugt von seinem/seinen Hauptrotor(en) einen Abwind, ähnlich den Wirbeln eines Flugzeugs. Piloten von Kleinflugzeugen sollten einem schwebenden Helikopter um mindestens drei Rotorscheibendurchmesser ausweichen, um die Auswirkungen dieses Abwinds zu vermeiden. Beim Vorwärtsflug wird diese Energie in ein Paar starker Hochgeschwindigkeits-Schleppwirbel umgewandelt, ähnlich den Flügelspitzenwirbeln größerer Starrflügelflugzeuge. Helikopterwirbel sollten vermieden werden, da die Vorwärtsfluggeschwindigkeiten von Helikoptern oft sehr langsam sind und außergewöhnlich starke Nachlaufturbulenzen erzeugen können.

Wind ist ein wichtiger Faktor zur Vermeidung von Nachlaufturbulenzen, da Flügelspitzenwirbel mit der Windgeschwindigkeit mit dem Wind treiben. Beispielsweise bewirkt eine Windgeschwindigkeit von 10 Knoten, dass die Wirbel mit etwa 1.000 Fuß in einer Minute in Windrichtung driften. Wenn ein Pilot einem anderen Flugzeug folgt, sollte er die Windgeschwindigkeit und -richtung berücksichtigen, wenn er einen beabsichtigten Start- oder Landepunkt auswählt. Wenn sich ein Pilot bezüglich des Start- oder Landepunkts des anderen Flugzeugs nicht sicher ist, bieten ungefähr 3 Minuten einen Sicherheitsspielraum, der die Auflösung von Wirbelschleppen ermöglicht. Weitere Informationen zu Wirbelschleppen finden Sie im Advisory Circular (AC) 90-23, Aircraft Wake Turbulence.