Zoals de wind waait, waait zijn sokje

01/08/2008

Robert Brons

Windzak

De wind neemt een belangrijke rol in de dagelijkse uitvoering van onze vlucht.

Bij flightplanning, bij de baankeuze voor start of landing en bij de performance berekeningen speelt de wind met al zijn facetten een belangrijke rol. Ook bij de besturing van het vliegtuig ondervinden wij zijn invloed. Maar wij zitten hierbij direct in een lastige rol, want de exacte wind is niet bekend.

Wind is een variabel fenomeen, een exacte windmeting of -voorspelling bestaat niet. Ten eerste omdat de wind van nature variabel is en derhalve niet te voorspellen. Ten tweede omdat tussen de actuele wind en de windrapportage fouten, tijdsvertragingen en afrondingen zitten.

In de vluchtuitvoering dient te worden bedacht waar de wind voor wordt gebruikt, wat de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid is van deze wind en wat de risico’s zijn wanneer de wind toch enigszins afwijkt van wat vooraf is aangenomen.

Voor het plannen van de vlucht(duur) zijn gemiddelde windpatronen tegenwoordig goed te voorspellen, afwijkingen kunnen vaak worden weggemiddeld doordat in een verder verloop van de vlucht een tegengestelde afwijking op kan treden. Statistisch springt men dan om het gemiddelde; vandaar dat de KLM CONT fuel berekeningen effectief blijken.

Voor baantoewijzing of performance berekeningen is de situatie echter anders. Vooraf dient een inschatting te worden gemaakt van de heersende wind en de windmaxima teneinde tot een veilige baankeuze of startgewicht/thrust berekening te komen. Overschrijdingen van een bepaald zijwind- of staartwind-maximum dient te worden voorkomen.

Maar garanties bestaan niet in de windmeting. Wind varieert, in tijd en per locatie. Wind op grotere hoogte heeft de bekende eigenschappen, drukverschil en Coriolis-krachten bepalen sterkte en richting. In de grenslaag van de aarde (tot 500-3000 mtr) ligt dit gecompliceerder: wrijving, windveldobstructie en convectie beïnvloeden het krachtenspel. Uitwisseling van windvelden uit hogere luchtlagen kan in het algemeen worden verwaarloosd op deze lage vlieghoogtes.

Het windveld in de grenslaag kan beschreven worden door een stroming gecombineerd met wervels. Deze wervels zijn compleet willekeurig. Hun energie komt grotendeels uit wrijving en convectie. De oorspronkelijke wervels ter lengte van de grenslaag (tiental tot honderdtallen meters) breken op in kleinere wervels tot uiteindelijk hoogfrequente turbulentie.

De uiteindelijke wind kan worden gevisualiseerd door fig. 1, waarbij rond de gemiddelde wind de bovengenoemde wervel wordt gesuperponeerd. Deze gustwervel blijkt in het algemeen geen richtingsvoorkeur te hebben.

Model voor de wind volgens het Beljaars-model (bovenaanzicht)

Meereizend met de wervel geeft dit het beeld van golven met een golf- of vlaaglengte. Stilstaand geeft dit het effect van gusts met een bepaalde amplitude en frequentie. Zo beleven wij de windvariatie in het vliegtuig.

Het windveld kan slechts door statistische eigenschappen goed worden beschreven; één windmeting zegt in feite niets. Meerdere metingen, gecombineerd met kennis van de lokale windomgeving zijn nodig.

Slechts een beschrijving van een windveld met gemeten variaties in tijd en locatie om gemiddelden heen geeft een idee van de te verwachten wind. Maar nogmaals, een uitschieter kan daarmee niet worden voorspeld. En uitschieters zijn regel, geen uitzondering. Een maximum bestaat in deze kansverdeling niet. Een windrapport op final is slechts één (oude) realisatie van het gemeten windveld.

Voor Schiphol kan men door ervaring stellen dat bij een normaal weerbeeld uitschieters van met een zekere waarschijnlijkheid voorkomen ter grootte van de halve steady wind. Wind van 20 kts geven dus uitschieters van 10 kts met grote zekerheid over een bepaalde periode. Uit Fig. 1 kan de te verwachten richtingsvariatie worden afgeleid. Naburige fronten of cb’s kunnen een ander beeld geven, waarbij door meer convectieve energie en verticale impulsen, grotere winduitslagen kunnen worden gegenereerd.

Een andere reden om een windmeting omzichtig te benaderen is gelegen in het feit dat wind eerst moet worden gemeten voordat deze wordt gepresenteerd aan de verkeersleider en vervolgens eventueel (!) aan de vlieger. Bij deze meting worden namelijk allerlei fouten en onnauwkeurigheden geïntroduceerd.

Wind wordt niet op de juiste plaats gemeten, niet op het juiste moment, en is per definitie achterhaald. De meetinterval is beperkt en met verschillende filters strijken de metingen in feite “glad”. Bovendien geldt een rapportage-drempel: onder de 10 kts en binnen de 60 graden maximale richtingsafwijking tussen de meest gekrompen en geruimde windmeting wordt de uitschieter in de regel (volgens ICAO Annex 13) niet gerapporteerd. Door metingen te middelen over een bepaalde periode 3 seconden, 12 sec of 10 minuten vallen windpieken weg die toch relevant kunnen zijn voor de besturing en de prestaties van het vliegtuig. Door een beperkt meetinterval te nemen geven windrapportages een minder betrouwbaar beeld van de wind met een grotere kans van overschrijding. Een windpiek net voor het tien minuten meetinterval wordt niet meegenomen, terwijl deze piek wel degelijk een idee geeft van de mogelijk te verwachten windvariaties in de toekomst.

Voor een performance berekening bij de start wil je een representatieve wind over de gehele baan. Laat niemand ons de illusie geven dat deze wind op de knoop nauwkeurig te voorspellen is of tijdig te rapporteren. In feite wil je jezelf indekken voor de meest ongunstige windverwachting. De marges van 50% headline / 150% tailwind opslag in de performance-berekeningen kunnen geenszins de onzekerheid in de mogelijke windcomponent compenseren. Een headwind kan door bovenstaande effecten zeer goed omslaan in een tailwind tijdens de start of landing.

De VNV heeft een position paper opgesteld inzake de crosswind-operatie. De onzekerheden en beperkingen in de crosswind-operatie worden hierin behandeld in combinatie met de gerelateerde standpunten van de VNV en IFALPA. Besproken wordt de windrapportage, alsmede certificatie, baantoewijzing, windveldverstoring, baangesteldheid, operationele procedures, training en windmodellering.

Een van de belangrijkste conclusies in het TRA-ongevalrapport en een gerelateerde NLR-studie was dat al deze onzekerheden een conservatieve benadering vereisen ten opzichte van crosswind limieten.

Deze zelfde onzekerheden vereisen ook een zeer behoedzaam gebruik bij performance berekeningen. Exacte berekeningen op de knoop en kilogram nauwkeurig dienen per definitie gewantrouwd worden. Gebruik van een “exacte” windmeting voor de maximaal geoptimaliseerde Lintop berekeningen is onzinnig en al gedateerd op het moment van invullen. Een algemene stelregel is niet te geven; op basis van de te verwachten windvariaties dient in ieder geval een conservatieve inschatting van de windcondities te worden gemaakt.

De veiligheidsmarges zijn in de praktijk verkleind door een ruimere crosswind operating limiet, door verruimde baantoewijzingscriteria en door de Lintop-performance berekeningen. De druk op de vlieger is daardoor toegenomen om maatregelen te treffen ter handhaving van een acceptabel veiligheidsniveau. Kennis van de eigenschappen van het windveld en een gedegen risicoanalyse mag hierbij niet ontbreken.