Simulation der Eisbildung auf Basis des VOF-Modells für Radaufspritz und Wasseransammlung an der Fahrwerksstruktur

Warum nasse Start- und Landebahnen im Winter wichtig sind

Jeder kommerzielle Flug ist auf ein robustes Fahrwerk angewiesen, das beim Rollen, Steuern sowie beim Starten und Landen das Flugzeug trägt. Auf nassen oder schneematschigen Bahnflächen bei Kälte können sich rotierende Räder Wasser in Richtung des Fahrwerks schleudern. Gefriert dieses Wasser, könnte es prinzipiell bewegliche Teile blockieren oder die Einzieh- und Ausfahrmechanik beeinträchtigen – ein offenkundiges Sicherheitsrisiko. Diese Untersuchung nutzt Computersimulationen, um eine sehr praktische Frage zu stellen: Können unter realistischen Worst‑Case‑Bedingungen durch Räder erzeugte Wassertröpfchen so viel Eis am Fahrwerk anlagern, dass die Flugsicherheit gefährdet wird?

Vom Pfützenfilm zum Sprühnebel bis zur gefrorenen Schicht

Die Autoren beginnen damit zu beschreiben, wie sich Wasser auf Bahnen ansammelt. Bei Regen oder schmelzendem Schnee bildet sich ein dünner Film über die Oberfläche oder es sammeln sich flache Pfützen in leicht unebenem Belag. Wenn ein Flugzeug beim Rollen durch dieses Wasser fährt, wirken die Räder wie schnell rotierende Schaufeln, die Tropfen hochschleudern. Frühere Arbeiten betrachteten dies meist als einfache Wechselwirkung zwischen Rad und Wasser, während in Wirklichkeit auch die Umströmung durch die Luft die Flugbahnen und die Geschwindigkeit dieser Tropfen beeinflusst. Weil großskalige Tests mit realen Flugzeugen teuer und schwer exakt zu messen sind, verwenden die Forschenden detaillierte Strömungssimulationen, um die Vorgänge vom Bahnbelag bis zum Fahrwerk nachzuzeichnen.

Ein digitales Windkanalmodell für Wasser und Eis bauen

Um diesen Prozess rechnerisch nachzustellen, erstellen die Forschenden ein dreidimensionales Modell, das die Bahn, ein rotierendes Rad und einen vereinfachten Fahrwerksstreben umfasst. Sie verwenden eine Methode namens Volume of Fluid (VOF), die verfolgt, wie Wasser und Luft jede einzelne Zelle des simulierten Volumens teilen, sodass der Rechner Verspritzen, Ausbreiten und Zusammenfließen von Wasserfilmen auf Metallflächen abbilden kann. Eine spezielle "sliding mesh"-Technik erlaubt es dem Rad, sich schnell durch das ruhende Fluid zu drehen und dennoch mit der umgebenden Luft und dem Wasser zu interagieren. Das Team kalibriert diesen Ansatz, indem es ein separates Experiment reproduziert, bei dem eine rotierende Scheibe einen dünnen Ölfilm auswirft; ihre Simulation erfasst die beobachteten Muster und gibt damit Zuversicht, dass auch vom Flugzeugrad ausgeworfenes Wasser korrekt dargestellt wird.

Dünne Wasserschichten in potenzielles Eis verwandeln

Sobald bekannt ist, wie dick der Wasserfilm an verschiedenen Stellen des Fahrwerks wird, fragen die Autoren, wie viel dieses Wassers bei kalter Luft gefrieren könnte. Sie betrachten den Start von einer wasserbedeckten Bahn eines typischen Verkehrsflugzeugs und wählen konservative Annahmen: relativ hohe Wassertiefen am Boden bis zur regulatorischen Grenze, niedrige Umgebungstemperaturen und eine volle Rollenzeit von 12 Sekunden. Ein einfaches Wärmebilanzmodell schätzt dann, wie schnell Wärme aus dem Wasser durch die Metallwand in die Umgebungsluft abgeführt werden kann. Wichtig ist, dass sie annehmen, jede verfügbare Kühlleistung fließt vollständig in das Gefrieren und nicht nur in das Abkühlen des Wassers. Abfluss, teilweises Gefrieren oder Wiederauftauen werden ebenfalls vernachlässigt – Annahmen, die alle dazu führen, dass die Ergebnisse eher eine Überschätzung als eine Unterschätzung der Eisdicke liefern.

Wo sich Wasser und Eis tatsächlich ansammeln

Die Simulationen zeigen, dass vom Rad ausgeworfenes Wasser das gesamte Fahrwerk nicht gleichmäßig benetzt. Stattdessen konzentriert es sich an der unteren Hälfte der Hauptstrebe, besonders in Ecken, an Halterungen und kleinen Vertiefungen, wo strömendes Wasser dazu neigt, sich zu verlangsamen und zu sammeln. Dort kann der Wasserfilm zeitweise dicker werden, bevor die Umströmung Teile davon abreißt, was ein stacheliges, zeitlich variierendes Muster erzeugt. Selbst unter den wasserreichsten Fällen ist die resultierende Eisschicht stets dünner als die Flüssigkeitsfilmschicht, aus der sie entstanden ist, was zeigt, dass nicht alles erfasste Wasser Zeit zum Gefrieren hat. Wenn das Team die Beiträge jedes Moments der 12‑Sekunden‑Rolle aufsummiert – wiederum unter bewusst pessimistischen Annahmen – verbleibt das Eis als lokale Beschichtung und bildet keinen festen Mantel um das gesamte Fahrwerk.

Was das für die Flugsicherheit bedeutet

Für Aufsichtsbehörden und Flugzeugkonstrukteure ist das entscheidende Ergebnis nicht die exakte Form jeder einzelnen Tröpfchenanlagerung, sondern die maximal realistisch zu erwartende Eisdicke. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass selbst bei starker Kälteeinwirkung und tiefen Wasserfilmen das entstehende Eis an kritischen Fahrwerksteilen dünn bleibt – im Bereich von wenigen Millimetern höchstens und üblicherweise deutlich darunter. Die vollständig konservative Abschätzung der Autoren liegt weiterhin unter den Niveaus, die Mechanismen blockieren oder die Ein- und Ausfahrsicherheit gefährden würden; in der Praxis ist die tatsächliche Eisdicke wahrscheinlich deutlich geringer. Vereinfacht gesagt deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass bei modernen Verkehrsflugzeugen, die innerhalb der bestehenden Grenzen für Bahnwassertiefen betrieben werden, Radsprühnebel beim Start in Frostbedingungen allein kaum ausreichend Eis am Fahrwerk ansammeln dürfte, um ein sicheres Ein- oder Ausfahren zu beeinträchtigen.

Zitation: Dai, J., Zhang, L., Chen, Q. et al. Simulation of icing calculation based on VOF model for wheel spray and landing gear water accumulation. Sci Rep 16, 12174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42513-z

Schlüsselwörter: Flugzeugvereisung, Fahrwerk, nasse Start- und Landebahn, Radauswurf, Flugsicherheit