Wenn Zugvögel ihre Reise Richtung Süden antreten, fliegen sie oft in einer V-Formation. Die hinterherfliegenden Tiere nutzen so den Aufwind der Wirbelschleppen des Leitvogels. Dadurch sinkt der induzierte Widerstand, und die Vögel benötigen weniger Energie, um eine bestimmte Geschwindigkeit zu halten. Warum sollte dieses Prinzip nicht auch in der Verkehrsluftfahrt funktionieren?
Airbus forscht mit zwei A350 an Formationsflügen
Mit einer Reihe von Flugtests will Airbus in diesem Jahr unter dem Projektnamen "fello’fly" die technische, flugbetriebliche und wirtschaftliche Machbarkeit der sogenannten Wirbelschleppenenergie-Rückgewinnung in der kommerziellen Luftfahrt belegen. Der Flugzeughersteller will dafür zwei A350 im Abstand von 1,5 bis 2 nautischen Meilen (2,8 bis 3,7 km) hintereinander herfliegen lassen. 2021 sollen gemeinsam mit Airlines und Flugsicherungsorganisationen Demoflüge über den Atlantik stattfinden. Eine Einführung in der kommerziellen Luftfahrt hält Airbus noch vor 2025 für möglich. Neu ist das Thema aber nicht. Aus der Militärfliegerei sind Formationen schon lange bekannt, allerdings haben sie dort nicht das primäre Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu verringern. Erste Flugversuche in der zivilen Luftfahrt führte die Technische Universität Braunschweig 1984 mit zwei Dornier Do 28 durch. Dabei wurde gezeigt, dass das hintere Flugzeug bis zu 16,5 Prozent Leistung einsparen kann. Allerdings stellte der manuelle Formationsflug sehr hohe Anforderungen an die Piloten.
Risiko Wirbelschleppen
Für die Verkehrsluftfahrt war das Thema auch deshalb lange uninteressant. Denn die Wirbelschleppen eines vorausfliegenden Flugzeugs können sehr gefährlich sein. Beim Druckausgleich an den Flügelspitzen entsteht nicht nur Auf-, sondern auch Abwind. Gerät ein hinterherfliegendes Flugzeug dort hinein, verliert es an Auftrieb und kommt im schlimmsten Fall in einen unkontrollierbaren Flugzustand. Deshalb gelten für Flugzeuge bestimmte Mindestabstände: im Landeanflug drei nautische Meilen (5,6 km), im Reiseflug bei Radarüberwachung fünf nautische Meilen (9,3 km). "Heutige Autopiloten und Flugkontrolltechnologien verfügen nicht über Funktionen, um die korrekte Position zu identifizieren oder zu halten", sagt Daniel Percy, Projektmanager von "fello’fly". Die Entwicklung solcher Features sei auch Teil des Airbus-Projekts.
Militärische Formationsflüge
In der Vergangenheit wurden immer wieder technische Systeme erprobt, die das Fliegen in Formation für die Piloten einfacher und sicherer machen. Allerdings kamen dafür bislang fast immer Militärflugzeuge zum Einsatz. Beispielsweise zwei McDonnell Douglas F/A-18 im NASA-Projekt "Autonomous Formation Flight", das von 2000 bis 2001 lief. Im recht engen Formationsflug (der Minimalabstand betrug 17 Meter) konnte gezeigt werden, dass der Spritverbrauch des hinteren Flugzeugs um 14 Prozent sank. 2012 und 2013 hat auch das US-Militär selbst die ökonomischen Vorteile der Formation unter die Lupe genommen. Damals führte das Air Force Research Laboratory zusammen mit Boeing und der Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums, DARPA, unter dem Namen "Surfing Aircraft Vortices for Energy" ($AVE) Testflüge mit zwei Boeing C-17 durch. Die beiden Transporter hielten einen horizontalen Abstand zwischen 900 und 2400 Metern. Die Software der hinteren C-17 wurde so modifiziert, dass der Autopilot und das Auto-Throttle-System die vorher festgelegte Position genau hielten.
Viele ungeklärte Fragen
Die zivile Luftfahrt rückte nicht erst mit "fello’fly" im November 2019 wieder in den Fokus. 2017 hat die NASA vier Testflüge mit Gulfstream Business-Jets durchgeführt, um die Herausforderungen bei der Nutzung kommerzieller Avionik zu analysieren. Boeing verwendete im Rahmen seines ecoDemonstrator-Programms 2018 zwei 777-Frachter für Formationsexperimente. Der Autopilot des hinteren Flugzeugs nutzte laut einem Medienbericht einen modifizierten ADS-B-Datenlink (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), über den Position, Gewicht und Geschwindigkeit des vorderen Flugzeugs gesendet wurden, sowie ein Wirbelschleppen-Vorhersagemodell, um die beste Position in etwa 1,2 Kilometern Abstand zu halten. Die Flugversuche haben eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs zwischen zehn und 15 Prozent bestätigt, je nach Abstand zwischen den Flugzeugen (je größer die Distanz, desto geringer die Einsparung). Zudem wurde gezeigt, dass weder der Passagierkomfort noch die Lebensdauer der Zelle oder der Triebwerke beeinträchtigt werden. Warum fliegen Fracht- und Verkehrsflugzeuge trotz dieser Vorteile nicht längst in Formation? Neben offenen technischen Fragen (Verfeinerung von Wirbelschleppen-Vorhersagemodellen, Modifikationen am Autopiloten) sind auch rechtliche Aspekte noch ungeklärt. Nötig wären eine Neuregelung der Sicherheitsabstände sowie dezidierte Notverfahren (z. B. Auflösung der Formation bei Problemen, Verfahren bei Triebwerksausfall). Unklar ist zudem, wie der Formationsflug im echten Betrieb aussehen könnte. Unter welchen Bedingungen würden sich Flugzeuge verschiedener Airlines zusammenschließen? Oder wäre es eher denkbar, dass ein Passagier- und ein Frachtflugzeug derselben Fluggesellschaft in Formation fliegen? Es ist also noch einiges an Forschung und Überzeugungsarbeit bei den potenziellen Beteiligten nötig.
