Forschung zu Windeffekten und Überschallflugrouten: DLR-Institut für Luftverkehr auf der AIAA AVIATION 2024
5. August 2024
Forschung zu Windeffekten und Überschallflugrouten: DLR-Institut für Luftverkehr auf der AIAA AVIATION 2024
Forschungsergebnisse zur Optimierung der Reichweite in der Flugzeugentwicklung und Vermeidung der Lärmbelastung von Überschallflugzeugen präsentiert
Das Institut für Luftverkehr des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat auf dem diesjährigen AIAA AVIATION Forum in Las Vegas zwei Forschungsarbeiten präsentiert.
Forschungsergebnisse zur Optimierung der Reichweite in der Flugzeugentwicklung und Vermeidung der Lärmbelastung von Überschallflugzeugen präsentiert
Ein Schwerpunkt lag auf einer Methodik zur Untersuchung langfristiger Windeffekte auf die zu fliegende Distanz gegenüber der Luft. Diese Methodik kann beispielsweise für die windoptimierte Reichweitenauslegung im Flugzeugentwurf genutzt werden, sowie zur langfristigen Bewertung der Effekte von operationellen Maßnahmen für einen klimaverträglichen Luftverkehr.
Präsentationen zu langfristigen Windeffekten auf die Flugdistanz und zu Überschallflugrouten
Erkenntnisse zur Flugreichweitenoptimierung und Lärmreduktion
Präsentation auf dem AIAA AVIATION Forum 2024
Vom 29. Juli bis 2. August 2024 fand das AIAA AVIATION Forum in Las Vegas statt. Das DLR-Institut für Luftverkehr stellte dort zwei Forschungsarbeiten vor, die neue Ansätze für die Luftfahrt aufzeigen.
Quantifizierung langfristiger Windeffekte auf die Flugdistanz
Eine der Präsentationen stellte eine Methodik zur effizienten Quantifizierung langfristiger Windeffekte auf die Flugdistanz vor1. Mit dieser Methodik können Windeinflüsse entlang von Flugrouten für langfristige Untersuchungen berücksichtigt werden. Für aussagekräftige Ergebnisse müssen die betrachteten Zeiträume in der Regel mindestens 30 Jahre umfassen. Zur Demonstration der Methodik wurden globale Atmosphärendaten zunächst über einen exemplarischen Zeitraum von drei Jahren analysiert, um die Einflüsse von Wind auf die statistische Reichweite verschiedener Flugzeugtypen zu untersuchen. Zudem sind die Windeffekte auf ein Netzwerk von globalen Routen mit besonders hoher Nachfrage quantifiziert worden.
Quantifizierung langfristiger Windeffekte auf die Flugdistanz
Die in der Beispiel-Karte dargestellten Kurven kennzeichnen die Reichweite über Grund, die ausgehend vom Flughafen San Francisco für eine Flugdistanz von 6.900 km (innere Kurve) bzw. 10.300 km (äußere Kurve) statistisch erreicht werden kann. Die Analyse ist auf Basis von Luftdistanzen des 85. Perzentils erstellt worden, sodass die eingezeichneten Kurven in 85% aller beobachteten Windsituationen die Mindestreichweite innerhalb des Untersuchungszeitraums repräsentieren. Die Farbgebung visualisiert die kumulierten Windeffekte: Rötliche Gebiete entsprechen einer Gesamtsituation, die einem anhaltenden Gegenwind gleichkommt, während bläuliche Gebiete einer kumulierten Rückenwindsituation entsprechen. Aufgrund der Reichweitenreduktion durch Gegenwind sind die Kurven in rötlichen Gebieten nach innen gebogen, wohingegen in bläulichen Gebieten die Reichweitenerhöhung durch Rückenwind eine Biegung des Kurvenverlaufs nach außen verursacht. Als Referenz sind zudem internationale Flughäfen in Asien (Hong Kong, Tokyo), Europa (Oslo, Dublin, München) und Amerika (New York, Bogotá, São Paulo) markiert.
Die Methodik kann beispielsweise im Flugzeugentwurf genutzt werden, um die Reichweite von Flugzeugen unter Berücksichtigung langfristiger Windeffekte optimal an die Bedingungen entlang von Routen mit hohem Passagieraufkommen anzupassen. Zudem gestattet die Methodik eine effiziente, langfristige Bewertung operationeller Maßnahmen, beispielsweise um den Nutzen von Konzepten zum klimaverträglichen Fliegen mit geringerem Aufwand quantifizieren zu können.
Optimierung von Überschallflugrouten – Schallknallvermeidung durch automatisierte Planung
Die zweite Präsentation stellte eine Methodik zur automatisierten Optimierung von Überschallflugrouten vor2. Ziel ist es, den Schallknall von Überschallflugzeugen nicht auf Land treffen zu lassen und dadurch eine Lärmbelastung für die Bevölkerung vollständig zu vermeiden. Das Verfahren besteht aus vier verketteten Rechenmodulen: Flugpfad-Entwurf, Trajektorien-Simulation, Knallteppich-Berechnung und Küstenpuffer-Modifikation. Die Methodik ermöglicht es, die optimale Route für Überschallflüge unter Berücksichtigung der Wetterbedingungen zu bestimmen und dabei die Schallknall-Lärmemissionen zu berücksichtigen.
Optimierung von Überschallflugrouten
Durch eine automatisierte Methodik wird sichergestellt, dass der von Überschallflugzeugen beständig erzeugte Schallknall nicht auf Land trifft. Mit Hilfe einer Simulationskette und realistischer 3-D-Wetterdaten werden optimierte Flugrouten unter Berücksichtigung der jeweiligen Wetterbedingungen bestimmt, um eine geringstmögliche Lärmbelastung der Bevölkerung bei kürzest möglicher Flugzeit zu erreichen.
Die Ergebnisse sind besonders zuverlässig, da reale 3-D-Wetterdaten, einschließlich Windinformationen, verwendet werden. Mit der kompletten Simulationskette kann automatisiert eine optimierte Überschallroute nur durch die Eingabe von Städte-Paaren ausgegeben werden. Damit können Betreiber von potentiellen, zukünftigen Überschallflugrouten unter beliebigen atmosphärischen Bedingungen die optimale Route mit maximaler Zeitersparnis finden.
Das AAIA AVIATION Forum
Das AIAA AVIATION Forum 2024 ausrichtet vom „American Institute of Aeronautics and Astronautics“ (AIAA) bot eine internationale Plattform für den Austausch von Wissen zwischen Forschenden, Ingenieuren und Industrieexperten. Mit über 2900 Teilnehmern aus 41 Ländern und mehr als 1350 technischen Präsentationen war auch das diesjährige Forum ein wichtiger Termin für die Luftfahrtindustrie.
1 Swaid, M., Linke, F. (DLR-Institut für Luftverkehr) und Gollnick, V. (Technische Universität Hamburg), "A Methodology for Efficient Statistical Analysis of Air Distance in Aviation," AIAA Aviation Forum 2024, Las Vegas, USA.
2 Liebhardt, B., Ehlers, T. (DLR-Institut für Luftverkehr) und Shah, R. (Technische Universität Hamburg), "Methodology for Automated Supersonic Flight Path Routing and Optimization, " AIAA Aviation Forum 2024, Las Vegas, USA.
