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Jobporträt: Der Strömung auf der Spur

Wissenschaftler beim DLR untersucht Wirbelschleppen

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Das DLR bietet als Forschungseinrichtung auch Arbeitsplätze mit ausgefallener Jobbeschreibung. Dr. Frank Holzäpfel zum Beispiel kümmert sich in der Abteilung Wolkenphysik und Verkehrsmeteorologie darum, das Verhalten von Wirbelschleppen zu verstehen und vorherzusagen.

Jobporträt: Der Strömung auf der Spur

Dr. Frank Holzäpfel vom DLR kümmert sich in der Abteilung Wolkenphysik und Verkehrsmeteorologie darum, das Verhalten von Wirbelschleppen zu verstehen und vorherzusagen(Foto: DLR).

„Schon während meiner Promotion war mir der Name Schumann als Koryphäe auf dem Ge-biet der Strömungssimulation wohl vertraut“, erinnert sich Dr. Frank Holzäpfel an den ehemaligen Direktor des Instituts für Physik der Atmosphäre, Professor Ulrich Schumann. Da kam eine Stellenanzeige gerade richtig. In der DLR-Abteilung Wolkenphysik und Verkehrsmeteorologie wurde ein Wissenschaftler gesucht, der „ein effizientes mathematisch-physikalisches Modell zur Berechnung der Lebensdauer von Wirbelschleppen hinter Flugzeugen“ aufbauen sollte.

Der frischgebackene Doktor sah die Möglichkeit, die Erkenntnisse seiner Promotionsarbeit zu hochturbulenten Wirbelströmungen in Brennkammern nun in der Luftfahrt auf Flugzeug-Wirbelschleppen anzuwenden. „Mir waren Inhalte immer schon wichtiger als der materielle Verdienst“, sagt Holzäpfel. Und genau mit diesen Inhalten lockte die vakante Stelle in Oberpfaffenhofen. Holzäpfel war sich schnell einig mit Professor Schumann.

„Wenn man jemandem zum Beispiel auf einer Party erzählt, dass man sich mit Turbulenzen in Brennkammern beschäftigt oder dass meine Dissertation den Titel ‚Turbulenzen freier und eingeschlossener Drehströmungen‘ trägt, dann können Sie darauf wetten, dass das Gespräch nach zwei Minuten beendet ist“, erzählt der 51-jährige Wissenschaftler und zieht die Augenbrauen hoch. Da ist das Thema Wirbelschleppen schon viel plastischer. Auch das hat ihn dazu bewegt, aus der Brennkammer an die frische Luft zu gehen: „Es ist ein greifbares Thema, das jeden betrifft, da es um die Sicherheit, um Menschenleben im Luftverkehr geht.“

Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung

Dass der Bogen seiner Tätigkeit sich von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung im und rund um das Flugzeug spannt, macht für den DLR-Wissenschaftler nach wie vor den besonderen Reiz dieses Forschungsbereichs aus.

Seine ersten Jahre beim DLR nutzte Holzäpfel auch, um an der TU München zu habilitieren. Seine Expertise schafft in der Zusammenarbeit mit weiteren DLR-Instituten Synergien im Bereich der Wirbelschleppenforschung. „Ohne eine gute interne Vernetzung kommt man in der Forschung nicht voran“, betont Holzäpfel. „Denn wir müssen das Gesamtsystem immer vor Augen haben – vom Fachwissen zur Fluiddynamik, Flugdynamik und Flugführung bis zu den Nutzern wie Flughäfen, Flugsicherung und Piloten.“ Weiterhin müssten natürlich Luftfahrtbehörden und Hersteller eingebunden werden.

Auch externen Partnern stand Holzäpfel als wissenschaftlicher Berater bei den wohl spektakulärsten Wirbelschleppenflügen zur Seite: Im Jahr 2006 fanden die ersten Wirbelschleppentests des neuen Airbus A380 am Forschungsflughafen Oberpfaffenhofen statt. Nach umfangreichen Untersuchungen der Wirbelschleppen und Beratung durch Frank Holzäpfel teilte Airbus mit, dass Empfehlungen für geeignete Sicherheitsabstände zu anderen Flugzeugen gegeben werden können.

Mit sechs weißen, 2,2 mal 4 Meter großen Platten aus lackiertem Sperrholz ausgerüstet, gingen Holzäpfel und sein Team im April 2013 wieder auf die Start- und Landebahn des For-schungsflughafens Oberpfaffenhofen. „Es geht darum, dass wir Hindernisse am Boden haben, die die Wirbelschleppen stören“, erklärt Holzäpfel das neue Projekt. Die von den parallel zur Anflugrichtung stehenden Platten erzeugten Luftströme bilden selbst kleine Wirbel und beschleunigen so den Zerfall der Wirbelschleppen der Flugzeuge.

Erste Tests

Mit dem Forschungsflugzeug HALO flogen die DLR-Piloten Landeanflüge, um den Einfluss des neuen, patentierten Plattensystems auf die Auflösung der Wirbel hin zu untersuchen (Foto: DLR).

Die bereits patentierte Erfindung zur Reduktion der Wirbelschleppen wurde nun erstmals von den DLR-Wissenschaftlern bei realen Flugbedingungen getestet. Die DLR-Testpiloten steuerten das Forschungsflugzeug HALO durch künstlich erzeugten Rauch, der die sonst unsichtbaren, spiralförmigen Wirbel hinter den Tragflächen sichtbar machte. In 22 Metern Höhe mit etwa 250 Stundenkilometern überflog die modifizierte Gulfstream G550 die weiße Plattenkonstruktion.

Wirbelschleppen stellen nämlich ein Sicherheitsproblem im Luftverkehr dar: Bei Start und Landungen von Flugzeugen muss ein ganz bestimmter Sicherheitsabstand eingehalten werden. Denn hinter den Tragflächen wird die Luft sehr stark verwirbelt. Das kann dazu führen, dass die folgende Maschine kräftige Rollmomente. Besonders gefährlich sind die Verwirbelungen für leichtere Flugzeuge, die hinter schwereren Maschinen landen. Die Flugzeuge müssen deshalb warten, bis sich die Luft wieder beruhigt hat.

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