Critical wake vortex encounter scenarios

A simulation-based method was developed to investigate the severity of Wake Vortex Encounters (WVEs). This paper describes an important part of this method: the determination of worst-case WVE conditions, which is referred to as Worst-Case Search (WCS). The WCS results permit to reduce time and costs of WVE severity related piloted simulator tests and allow the comparison of the hazard that vortices of different generator aircraft exert on a follower aircraft.The WCS is based on a high fidelity, offline simulation of the follower aircraft that includes the interacting wake vortex, a hazard criterion that rates the severity of each WVE, and a pilot model. It can be formulated as an optimisation problem that is solved with the optimisation tool MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis). MOPS varies the encounter geometry until the simulation yields maximum values of the WVE hazard criterion.Worst-case encounter conditions for different parameters were investigated and sensitivity studies performed. The influence of the height above ground, the core radius, and the models for the wake vortex velocity profiles on the severity of a WVE was examined. To show the capability of the method, a comparison of the severity of a WVE behind two different heavy transport aircraft for a 20 t aircraft was made. The WCS method demonstrated its applicability and delivered the worst-case encounter geometry.

Zusammenfassung

Zur Untersuchung der Heftigkeit von Wirbelschleppen wurde eine simulationsbasierte Methode entwickelt. Dieser Beitrag beschreibt einen wichtigen Bestandteil dieser Methode: die Bestimmung der ungünstigsten (worst case) Einflugbedingungen in die Wirbelschleppe. Die Kenntnis dieser Bedingungen gestattet eine Zeit- und Kostenreduzierung bei wirbelschleppenbezogenen Simulatorversuchen mit Piloten und ermöglicht gleichzeitig einen Vergleich der vom Wirbel ausgehgehenden Gefährdung für verschiedene Kombinationen voraus- und einfliegender Flugzeuge.Die Worst-Case-Bedingungen werden mit einer Offline-Simulation des Folgeflugzeugs bestimmt, die Modelle für die Wechselwirkung mit der Wirbelschleppe und für das Pilotenverhalten sowie Kriterien für die Gefährdung durch den Wirbel umfasst. Für die Steuerung der Simulation und die Worst-Case-Suche wird die Optimierungssoftware MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis) verwendet. MOPS variiert die Geometrie des Wirbelschleppendurchflugs bis die Simulation die maximalen Kriterienwerte für die Gefährdung durch den Wirbel liefert.Die Worst-Case-Bedingungen wurden für unterschiedliche Parameter untersucht. Der Einfluss der Höhe über Grund, des Kernradius' und der unterschiedlichen Modelle für das Wirbelgeschwindigkeitsprofil auf die von den Wirbelschleppen ausgehenden Gefährdung wurde dabei ermittelt. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, wurde die Gefährdung von Wirbelschleppen zweier generierender Flugzeuge (heavy class) auf ein nachfolgendes 20 t Transportflugzeug verglichen. Die Anwendbarkeit der Methode wurde bestätigt und die ungünstigsten Einflugbedingungen berechnet.