Griffigkeit ist die Reibungskraft, die das Rutschen eines Reifens auf einer Fahrbahnoberfläche verhindert. Sie ist entscheidend für sicheres Bremsen und Fahrzeugkontrolle – insbesondere auf nassen Startbahnen. Gesteuert durch Mikrotextur und Makrotextur der Fahrbahn wird die Griffigkeit mit Blockierrad-Messgeräten, kontinuierlichen Reibungsmessgeräten (CFME) und dem Britischen Pendelgerät gemessen. Behandelt ICAO-Reibungsanforderungen, Messstandards, Texturbeziehungen und KI-gestützte Proxy-Bewertung.
Griffigkeit ist definiert als die Kraft, die entsteht, wenn ein an der Rotation gehinderter Reifen über eine Fahrbahnoberfläche rutscht, ausgedrückt als dimensionsloser Reibungskoeffizient (μ) oder als Griffigkeitszahl (SN = μ × 100). Diese Reibungskraft ist die wichtigste Fahrbahnoberflächeneigenschaft, die die Fähigkeit eines Flugzeugs – oder eines beliebigen Fahrzeugs – zum Bremsen, Beschleunigen und zur Richtungskontrolle bestimmt. Auf Flughafenstartbahnen übersetzt sich Griffigkeit direkt in den Bremsweg, und jeder Meter zusätzlicher Bremsweg bei einem abgebrochenen Start oder einer Landung kann den Unterschied zwischen einem sicheren Ausgang und einer katastrophalen Startbahnüberschreitung bedeuten.
Die Physik der Griffigkeit spielt sich im Reifen-Fahrbahn-Kontaktfleck ab, einer Fläche etwa von der Größe eines menschlichen Handabdrucks pro Flugzeugreifen. Innerhalb dieser kleinen Kontaktzone werden bei starkem Bremsen Kräfte von 100 kN oder mehr übertragen. Die verfügbare Reibung wird nicht durch eine einzelne Eigenschaft bestimmt, sondern durch ein komplexes Zusammenspiel zweier unterschiedlicher Fahrbahntextur-Skalen – Mikrotextur und Makrotextur –, die gleichzeitig mit den viskoelastischen Eigenschaften der Reifengummimischung, dem Vorhandensein von Grenzflächenflüssigkeiten (Wasser, Schnee, Schneematsch, Gummiablagerungen), der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Reifenschlupf und der Normallast wirken.
Startbahnüberschreitungen – bei denen Flugzeuge seitlich von der befestigten Fläche abkommen oder das Ende der Startbahn überrollen – gehören nach wie vor zu den häufigsten und schwerwiegendsten Kategorien von Flugunfällen. Analysen der International Air Transport Association (IATA) und der Flight Safety Foundation identifizieren unzureichende Startbahn-Oberflächenreibung durchgängig als beitragenden oder ursächlichen Faktor bei einem erheblichen Anteil dieser Vorfälle. Der tödliche Überrollunfall von Southwest Airlines Flug 1248 am Chicago Midway Airport im Jahr 2005, der Überrollunfall von Air France Flug 358 in Toronto Pearson im Jahr 2005 und zahlreiche andere Zwischenfälle haben die internationale Luftfahrtgemeinschaft dazu veranlasst, die Reibungsmessung, -meldung und -wartungsstandards durch das ICAO Global Reporting Format (GRF) und damit verbundene regulatorische Rahmenwerke zu stärken.
Über die unmittelbare Sicherheitsnotwendigkeit hinaus ist Griffigkeit auch eine wirtschaftliche Frage für Flughafenbetreiber. Vorzeitige Fahrbahnsanierungen, erhöhte Wartungshäufigkeiten, Betriebsbeschränkungen bei Nässe und Haftungsrisiken sind alles Folgen eines unzureichenden Reibungsmanagements. Ein umfassendes Griffigkeitsmanagementprogramm – das regelmäßige Messungen, Trendanalysen, vorbeugende Wartung und rechtzeitige korrigierende Oberflächenbehandlungen umfasst – ist ein wesentlicher Bestandteil des modernen Flughafen-Anlagenmanagements.
Griffigkeit entsteht nicht aus einer einzigen Textureigenschaft, sondern aus zwei unterschiedlichen und sich ergänzenden Skalen der Fahrbahnoberflächenrauheit: Mikrotextur und Makrotextur. Das Verständnis der unabhängigen und interaktiven Beiträge jeder dieser Skalen ist grundlegend für die Interpretation von Reibungsmessungen, die Diagnose von Reibungsverlusten und die Auswahl geeigneter Oberflächenbehandlungen.
Mikrotextur beschreibt die feine Rauigkeit einzelner Gesteinskörnungen – die mikroskopischen Unebenheiten auf der Oberfläche jedes Steins in der Fahrbahnmatrix. Diese Unebenheiten interagieren direkt mit dem Reifengummi auf molekularer Ebene, indem sie den dünnen verbleibenden Wasserfilm durchdringen, der selbst auf nassen Oberflächen bestehen bleibt. Die Mikrotextur liefert die sogenannte Adhäsionsreibung – die tatsächliche molekulare Bindung und Hystereseverluste innerhalb des Gummis, während es sich um einzelne Gesteinsvorsprünge verformt.
Mikrotextur ist bei niedrigen Geschwindigkeiten (unter etwa 40–65 km/h) der dominierende Reibungsmechanismus, da bei diesen Geschwindigkeiten ausreichend Zeit für den Reifengummi besteht, sich in und um die mikroskopischen Oberflächenmerkmale zu verformen. Sie ist auch der Mechanismus, der von Niedriggeschwindigkeitsgeräten wie dem Britischen Pendelgerät gemessen wird. Die Mineralogie der Gesteinskörnung ist der primäre Faktor für die Mikrotextur: Harte, kantige, feinkristalline Gesteinskörnungen wie Granit, Basalt und kalzinierter Bauxit behalten ihre Mikrotextur weitaus länger als weichere, leichter polierbare Materialien wie Kalkstein oder Dolomit. Der Polished Stone Value (PSV)-Test, genormt in BS EN 1097-8, quantifiziert direkt den Widerstand einer Gesteinskörnung gegen Mikrotexturverlust durch Verkehrspolieren.
Makrotextur beschreibt die größer skalierte Oberflächenstruktur, die durch die Anordnung, Größe und den Abstand der aus dem Bindemittel herausragenden Gesteinskörnungen entsteht. Im Gegensatz zur Mikrotextur, die auf der Ebene des Gummi-Stein-Kontakts wirkt, fungiert die Makrotextur in erster Linie als Entwässerungssystem. Das miteinander verbundene Hohlraumnetzwerk zwischen den Gesteinskörnungen bietet Abflusskanäle, durch das unter dem Reifenkontaktfleck eingeschlossene Wasser abgeführt werden kann. Ohne ausreichende Makrotextur wird das Wasser an der Reifen-Fahrbahn-Grenzfläche unter Druck gesetzt und hebt den Reifen schließlich von der Oberfläche ab – ein Phänomen, das als Hydroplaning bekannt ist.
Makrotextur trägt auch durch Hysterese zur Reibung bei – der Energieverlust, wenn Reifengummi sich zyklisch um größere Oberflächenvorsprünge verformt. Diese Hysteresekomponente wird mit zunehmender Geschwindigkeit immer wichtiger, genau dann, wenn die Adhäsionsreibung durch die Mikrotextur nachlässt. Das Nettoergebnis ist, dass Fahrbahnen mit hoher Makrotextur ihre Griffigkeit bei zunehmender Geschwindigkeit beibehalten (ein flacher Reibungs-Geschwindigkeits-Gradient), während Fahrbahnen mit geringer Makrotextur einen starken Abfall der Reibung mit zunehmender Geschwindigkeit erleben – ein Profil, das schnell in vollständiges Hydroplaning übergehen kann.
Das Standard-Feldmaß der Makrotextur ist die mittlere Texturtiefe (MTD), bestimmt durch den Sandflecktest (ASTM E965) oder die mittlere Profiltiefe (MPD), gemessen mit Laser-Profilometern (ASTM E1845). ICAO Annex 14 empfiehlt eine minimale durchschnittliche Texturtiefe von 1,0 mm für neue Startbahnoberflächen. Die FAA fordert ebenfalls eine Mindesttexturtiefe von 1,0 mm (0,04 Zoll) für gerillte oder poröse Reibungsbeläge. Typische MTD-Werte für dichtgestufte Asphaltstartbahnen liegen zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, während offengestufte poröse Reibungsbeläge häufig 1,2 mm bis 2,5 mm erreichen.
Das kombinierte Verhalten von Mikrotextur und Makrotextur über das Geschwindigkeitsspektrum erklärt, warum eine Startbahn bei Niedriggeschwindigkeits-Reibungstests gut abschneiden, aber dennoch gefährlich für landende Flugzeuge sein kann. Eine polierte Fahrbahn mit ausreichender Makrotextur kann bei Pendel-Testgeschwindigkeit (~10 km/h äquivalent) akzeptable BPN-Werte aufweisen, aber gefährliche Reibung bei Landegeschwindigkeiten von Flugzeugen (130–280 km/h) zeigen. Umgekehrt kann eine Fahrbahn mit aggressiver Mikrotextur, aber unzureichender Makrotextur bei moderaten Geschwindigkeiten akzeptabel funktionieren, aber bei stehendem Wasser katastrophal versagen. Eine umfassende Reibungsbewertung erfordert daher Messungen sowohl auf der Makrotextur- als auch auf der Mikrotextur-Skala, idealerweise ergänzt durch Reibungs-Geschwindigkeits-Gradienten-Daten von Geräten wie dem Dynamischen Reibungsmesser.
Die Messung der Griffigkeit umfasst eine Reihe von Geräten und Testkonfigurationen, die jeweils darauf ausgelegt sind, verschiedene Aspekte der Reifen-Fahrbahn-Reibungsinteraktion zu isolieren oder zu kombinieren. Die vier wichtigsten Methoden werden im Folgenden detailliert beschrieben.
Das Blockierrad-Messgerät ist das Referenz-Reibungsmessgerät für Autobahn- und Flughafenanwendungen in Nordamerika. Das System besteht aus einem Anhänger oder einem fahrzeugmontierten Testrad, das mechanisch blockiert wird, um die Rotation zu verhindern, und über eine benetzte Fahrbahnoberfläche mit kontrollierter Geschwindigkeit gezogen wird – typischerweise 64 km/h (40 mph) für Autobahntests und 96 km/h (60 mph) für Flughafen-Startbahntests. Ein standardisierter Testreifen – entweder der gerippte ASTM E501-Reifen (G78-15) oder der glatte ASTM E524-Reifen – wird mit einer bekannten vertikalen Last gegen die Fahrbahn gedrückt, während ein Wasserzulaufsystem einen kontrollierten Wasserfilm (0,5 mm bis 0,8 mm Dicke) vor dem Testreifen mit einer Rate von etwa 750 bis 1.900 Litern pro Testlauf aufbringt.
Das Instrument misst die horizontale Zugkraft, die zum Ziehen des blockierten Reifens erforderlich ist, und der Reibungskoeffizient wird als Verhältnis dieser Zugkraft zur vertikalen Normallast berechnet. Das Ergebnis wird als Griffigkeitszahl (SN) angegeben, definiert als SN = 100 × μ. Ein vollständig blockiertes Rad stellt einen Schlupf von 100 % dar – das worst-case Bremsszenario – und die gemessene Reibung stellt somit die minimale verfügbare Reibung für Anti-Schlupf-Bremssysteme dar, die nahe der Vollblockierung arbeiten können.
Die Blockierrad-Methode misst direkt die Gleitreibung bei einer festen Geschwindigkeit und liefert einen einzelnen Datenpunkt pro Testlauf. Mehrere Läufe bei verschiedenen Geschwindigkeiten können den Reibungs-Geschwindigkeits-Gradienten charakterisieren. Die Hauptnachteile sind, dass der Test bei wiederholter Durchführung zerstörerisch für die Fahrbahnoberfläche ist, der Wasserverbrauch hoch ist und der Test nur den Vollblockierungs-Zustand darstellt, nicht die Spitzenreibung bei dem kritischen Schlupf (typischerweise 10–20 % Schlupf).
CFME umfasst eine Familie von eigenständigen Reibungsmessgeräten, die kontinuierlich die Reibung entlang der gesamten Länge einer Startbahn bei Betriebsgeschwindigkeiten, typischerweise 65 km/h bis 96 km/h, aufzeichnen. Anstelle des vollständig blockierten Rads verwenden CFME-Geräte ein Fest-Schlupf-Messprinzip: Ein frei rotierendes Messrad wird abgebremst oder abgewinkelt, um ein konstantes Schlupfverhältnis (typischerweise 10–20 %) beizubehalten, das der Spitze der Reibungs-Schlupf-Kurve nahekommt – dem Zustand, in dem die meisten Anti-Schlupf-Bremssysteme arbeiten.
Die von ICAO Annex 14, Anhang A, anerkannten Haupttypen von CFME-Geräten umfassen:
Jeder CFME-Typ erzeugt seinen eigenen Reibungsindex (Mu, GN, SFC usw.), und die ICAO stellt eine standardisierte Tabelle zur Korrelation dieser gerätespezifischen Messwerte mit der ICAO-Reibungsskala bereit. Diese gerätespezifische Korrelation ist erforderlich, da jeder CFME-Typ aufgrund von Unterschieden in Reifenmischung, Profilmuster, Schlupfverhältnis, Wasserfilmdicke und Messgeschwindigkeit unterschiedlich mit der Fahrbahn interagiert.
Der Dynamische Reibungsmesser ist ein tragbares, punktuell positionierbares Gerät, das die Reibungs-Geschwindigkeits-Beziehung an einem einzelnen Punkt der Fahrbahnoberfläche misst. Der DFT besteht aus einer horizontal rotierenden Scheibe mit drei Gummi-Gleitkörpern auf der Unterseite. Die Scheibe wird auf eine Tangentialgeschwindigkeit von etwa 90 km/h gebracht und dann auf die benetzte Fahrbahnoberfläche abgesenkt. Während die Scheibe aufgrund der Reibung verzögert, werden Drehmoment und Rotationsgeschwindigkeit kontinuierlich aufgezeichnet, wodurch ein Reibungskoeffizient als Funktion der Gleitgeschwindigkeit von etwa 90 km/h bis auf 0 km/h ermittelt wird.
Die wichtigste Ausgabe des DFT ist die Reibungs-Geschwindigkeits-Kurve, die typischerweise durch zwei Parameter zusammengefasst wird: DFT20 – der Reibungskoeffizient, gemessen bei 20 km/h, der als Proxy für die von der Mikrotextur dominierte Niedriggeschwindigkeitsreibung dient – und der Geschwindigkeitsgradient, der beschreibt, wie schnell die Reibung mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Der DFT wird oft mit dem Circular Texture Meter (CTM) kombiniert, das die mittlere Profiltiefe (MPD) an derselben Teststelle misst. Zusammen können DFT- und CTM-Daten verwendet werden, um den Internationalen Reibungsindex (IFI) zu berechnen – einen standardisierten Parameter, der Reibungsmessungen verschiedener Geräte harmonisiert.
Der IFI wird als ein Paar von Werten angegeben: F60 (der geschätzte Reibungskoeffizient bei 60 km/h mit einem Standard-Glattreifen) und Sp (die Geschwindigkeitskonstante, ein Maß für den Reibungs-Geschwindigkeits-Gradienten). ASTM E1960 gibt das standardisierte Berechnungsverfahren für den IFI aus DFT- und MPD-Messungen vor. Das IFI-Rahmenwerk ermöglicht einen sinnvollen Vergleich von Reibungsdaten, die mit verschiedenen Geräten bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erhoben wurden – ein bedeutender Fortschritt für Flughafenbetreiber, die Daten von mehreren CFME-Typen über eine Flotte von Startbahnen verwalten.
Das Britische Pendelgerät ist das älteste und am weitesten verbreitete tragbare Reibungsmessgerät und liefert Niedriggeschwindigkeits-Punktmessungen bei einer äquivalenten Gleitgeschwindigkeit von etwa 10 km/h. Das BPT besteht aus einem Pendelarm mit einem standardisierten Gummi-Gleitkörper an seinem Fuß. Das Pendel wird aus einer horizontalen Position losgelassen, und der Gleitkörper streicht über eine benetzte Fahrbahnoberfläche mit einer festen Kontaktlänge von 126 mm. Der durch Reibung verlorene Energie wird an der Höhe gemessen, auf die das Pendel über den Kontaktpunkt hinausschwingt, und auf einer kalibrierten Skala als Britische Pendelzahl (BPN) oder Pendelprüfwert (PTV) angezeigt.
Die BPN-Skala reicht von 0 (vollständiger Energieverlust – keine Reibung) bis etwa 150 (theoretisches Maximum). Für Startbahnoberflächen sind BPN-Werte über 45–50 typisch für neue oder gut gewartete Oberflächen. Werte unter 35 deuten auf einen erheblichen Reibungsverlust hin, der eine Untersuchung und mögliche Korrekturmaßnahmen erfordert. Das BPT wird für Reibungstests von Fußgängeroberflächen (BS 7976, UK Slip Resistance Group Guidelines), Fahrbahnmarkierungen und als Ergänzung zu CFME-Tests auf Startbahnen verwendet. Seine Hauptvorteile sind Tragbarkeit, geringe Kosten und die direkte Korrelation zur Niedriggeschwindigkeits-Griffigkeit; seine Hauptbeschränkung ist, dass es die makrotexturabhängige Hochgeschwindigkeits-Reibungsleistung, die für den Flugzeugbetrieb entscheidend ist, nicht charakterisieren kann.
Die Griffigkeitszahl (SN) ist die Ausgabe des Blockierrad-Messgeräts (ASTM E274) und ist definiert als:
SN = 100 × μ
wobei μ der dimensionslose Reibungskoeffizient ist – das Verhältnis der horizontalen Zugkraft zur vertikalen Normallast. Eine SN von 40 entspricht also einem Reibungskoeffizienten von μ = 0,40. Die Griffigkeitszahl wird immer mit einer zugehörigen Testgeschwindigkeit angegeben, konventionell als Index angehängt – z. B. zeigt SN₄₀ eine Griffigkeitszahl an, die bei 40 mph (64 km/h) gemessen wurde, und SN₆₅R zeigt eine Messung mit einem gerippten Reifen bei 65 km/h an.
Der Reibungskoeffizient (Mu, μ) ist der universellere Parameter, der bei CFME-Geräten, DFT-Messungen und internationalen Standards verwendet wird. Es ist jedoch entscheidend zu verstehen, dass der von einem CFME gemeldete Mu-Wert gerätespezifisch ist – ein Mu von 0,50 von einem GripTester ist nicht direkt äquivalent zu einem Mu von 0,50 von einem Mu-Meter oder einer SN von 50 von einem Blockierrad-Messgerät. Jedes Gerät hat seine eigene Kalibrierungsbeziehung zur ICAO-Referenz-Reibungsskala.
Die von der ICAO empfohlenen Reibungswerte nach CFME-Typ, wie in Annex 14, Anhang A, Tabelle A-2 veröffentlicht, legen drei Schwellenwerte fest:
| Reibungsniveau | GripTester (GN, 65 km/h) | Mu-Meter (Mu, 65 km/h) | Runway Friction Tester (Mu, 96 km/h) | Skiddometer BV-11 (Mu, 96 km/h) | Surface Friction Tester (Mu, 96 km/h) |
|---|---|---|---|---|---|
| Planungsziel (neue Oberfläche) | 0,74 | 0,72 | 0,82 | 0,74 | 0,72 |
| Instandhaltungsplanung | 0,53 | 0,52 | 0,60 | 0,52 | 0,50 |
| Mindestreibung | 0,43 | 0,42 | 0,50 | 0,41 | 0,42 |
Für das FAA-Blockierrad-Messgerät (ASTM E274) mit einem gerippten Reifen bei 65 km/h liegen die entsprechenden Schwellenwerte bei etwa: Planungsziel SN von 60–74, Instandhaltungsplanung SN von 50–53 und Mindest-SN von 40–43. Für einen glatten Reifen bei 96 km/h (Flughafen-Testgeschwindigkeit) beträgt die Mindest-SN etwa 40.
Es ist hervorzuheben, dass mit der Einführung des ICAO Global Reporting Format (GRF), das seit November 2020 in Kraft ist, die operative Verwendung von rohen Mu-Werten für Entscheidungen über die Pilotenbremsaktion abgeschafft wurde. Stattdessen verwendet die Startbahn-Zustandsbewertungsmatrix (RCAM) den Startbahn-Zustandscode (RWYCC) als primäres Kommunikationsmittel zwischen Flughafenbetreibern und Flugbesatzungen. Reibungsmessungen dienen weiterhin als wesentliche Eingaben für das Startbahn-Wartungsprogramm und als eine von mehreren Datenquellen, die die RWYCC-Zuordnung unterstützen, werden aber Piloten nicht mehr als eigenständige betriebliche Reibungskoeffizienten direkt gemeldet.
ICAO Annex 14, Band I – Aerodrome Design and Operations, behandelt die Reibungseigenschaften von Startbahnen in Kapitel 10 (Aerodrome Maintenance) und in Anhang A (Guidance on Determining and Expressing Friction Characteristics). Das regulatorische Rahmenwerk legt eine dreistufige Reibungshierarchie fest:
Dies ist das Reibungsniveau, das eine neue oder sanierte Startbahn erreichen sollte. Es stellt die Reibung dar, die von einer gut geplanten, ordnungsgemäß gebauten Fahrbahnoberfläche mit hochwertigen Gesteinskörnungen und ausreichender Makrotextur erwartet wird. Das Planungsziel variiert je nach CFME-Gerätetyp, wie in der Tabelle in Abschnitt 4 oben gezeigt, liegt aber typischerweise im Bereich von μ = 0,72–0,82 (oder SN = 60–74).
Wenn Reibungsmessungen unter die Instandhaltungsplanungsgrenze fallen, ist der Flughafenbetreiber verpflichtet, korrigierende Instandhaltungsmaßnahmen zu planen und zu terminieren. Dies ist keine unmittelbare Betriebsbeschränkung, sondern vielmehr ein Auslöser für das Fahrbahnmanagementsystem. Der Betreiber muss die Ursache des Reibungsverlusts untersuchen (z. B. Polieren der Gesteinskörnung, Gummiablagerungen, Bindemittelaufsteigen), die am besten geeignete Korrekturbehandlung bestimmen und die Arbeiten in einem Zeitrahmen planen, der der Schwere und dem Trend der Reibungsverschlechterung angemessen ist. Typische Instandhaltungsplanungsgrenzen liegen je nach CFME-Typ im Bereich von μ = 0,50 bis 0,60 (SN = 43–53).
Das Mindestreibungsniveau ist der regulatorische Schwellenwert, unter dem die Startbahn als unakzeptabel niedrige Reibung aufweisend gilt, was sofortige Korrekturmaßnahmen erfordert. Fällt die Reibung unter dieses Niveau und kann nicht durch sofortige Wartung wiederhergestellt werden, muss der Flughafenbetreiber eine NOTAM herausgeben und muss möglicherweise Betriebsbeschränkungen verhängen oder die Startbahn schließen, bis die Reibung wiederhergestellt ist. Typische Mindestreibungsniveaus liegen je nach Gerät im Bereich von μ = 0,41 bis 0,50 (SN = 40–43).
ICAO Doc 9981 – Aerodromes (PANS-Aerodromes) enthält zusätzliche Verfahren für die Bewertung, Messung und Meldung des Startbahn-Oberflächenzustands, einschließlich detaillierter Reibungsmessprotokolle, Kalibrierungsanforderungen und Datenaufzeichnungsstandards. Unter dem Global Reporting Format (GRF) legt Doc 9981 fest, dass:
Das FAA Advisory Circular AC 150/5320-12C (und der nachfolgende Entwurf AC 150/5320-12D) bietet den US-amerikanischen regulatorischen Rahmen für die Messung, den Bau und die Instandhaltung von griffigen Flughafenbefestigungsoberflächen. Das AC gilt für alle Flughäfen, die nach 14 CFR Part 139 zertifiziert sind, und wird auch für andere Flughäfen empfohlen, die von turbinengetriebenen Flugzeugen angeflogen werden.
Wichtige Bestimmungen von AC 150/5320-12 umfassen:
Reibungsmesshäufigkeit: Die erforderliche Häufigkeit von Startbahn-Reibungsmessungen wird durch die Anzahl der täglichen Turbojet-Flugzeugbewegungen bestimmt:
| Tägliche Turbojet-Bewegungen | Mindestmesshäufigkeit |
|---|---|
| Weniger als 15 | Einmal pro Jahr |
| 16 bis 30 | Zweimal pro Jahr |
| 31 bis 90 | Einmal pro Quartal |
| 91 bis 150 | Einmal pro Monat |
| 151 bis 210 | Zweimal pro Monat |
| Mehr als 210 | Einmal pro Woche |
Mindestreibungsniveaus: Das AC legt fest, dass ein Mindestreibungsniveau von μ = 0,50 (SN = 50) bei 65 km/h (40 mph) mit einem gerippten Reifen oder μ = 0,40 (SN = 40) bei 96 km/h (60 mph) mit einem glatten Reifen eingehalten werden muss. Messungen unterhalb dieser Werte lösen verpflichtende Korrekturmaßnahmen aus.
Messgeräte: Das AC genehmigt die Verwendung von CFME, die den FAA-Spezifikationen entsprechen, des Blockierrad-Reibungsanhängers (ASTM E274) und ergänzender Geräte wie DFT und BPT.
Oberflächenbehandlungen: Das AC schreibt Startbahnrillung für alle neuen Startbahnen vor, die von Turbojet-Flugzeugen genutzt werden, wenn das Planungsziel für die Nassreibungsreibung nicht allein durch die Auswahl der Gesteinskörnung erreicht werden kann. Die Rillenabmessungen sind mit 6 mm × 6 mm (¼ Zoll × ¼ Zoll) bei einem Mittenabstand von 32 mm (1¼ Zoll) für den mittleren Teil der Startbahn festgelegt.
Hierarchie der Korrekturmaßnahmen: Wenn die Reibung unter die Mindestwerte fällt, reichen die empfohlenen Korrekturmaßnahmen von der geringsten bis zur invasivsten: (1) Gummiertfernung mittels Hochdruckwasser oder chemischen Mitteln, (2) Oberflächennachstrukturierung (Kugelstrahlen, Diamantschleifen), (3) Aufbringen einer dünnen Reibungsbelagschicht, (4) vollständige Fahrbahnsanierung.
Hydroplaning – auch Aquaplaning genannt – ist die vollständige Trennung des Reifens von der Fahrbahnoberfläche durch eine Wasserschicht, was zu einem nahezu vollständigen Verlust der Griffigkeit führt. In der Luftfahrt werden drei verschiedene Mechanismen des Hydroplaning unterschieden:
Dynamisches Hydroplaning tritt auf, wenn sich ein Wasserkeil an der Vorderkante des Reifenkontaktflecks aufbaut und bei ausreichender Geschwindigkeit den Reifen vollständig von der Fahrbahn abhebt. Die Geschwindigkeit, bei der dynamisches Hydroplaning beginnt, wurde durch NASA-Forschung (Horne und Dreher, 1963) charakterisiert und durch die bekannte Formel angegeben:
Vp = 9 × √P
wobei Vp die minimale dynamische Hydroplaning-Geschwindigkeit in Knoten und P der Reifenfüllldruck in Pfund pro Quadratzoll (PSI) ist. Für einen typischen Hauptfahrwerksreifen eines Verkehrsflugzeugs mit 200 PSI beträgt Vp = 9 × √200 = 9 × 14,14 ≈ 127 Knoten. Für einen Reifen eines General Aviation Flugzeugs mit 50 PSI beträgt Vp ≈ 64 Knoten.
Diese Formel geht von einem glatten Reifen, einer glatten Fahrbahnoberfläche und einer Wasserhöhe aus, die gleich oder größer als die Profiltiefe ist. In der Praxis modifizieren die Fahrbahn-Makrotextur, das Reifenprofilmuster und die Wassertiefe die Einsetzgeschwindigkeit. Auf einer gerillten Startbahn mit guter Makrotextur kann dynamisches Hydroplaning auf Geschwindigkeiten verzögert werden, die 10–20 % höher sind als der vorhergesagte Wert. Umgekehrt kann auf einer abgenutzten, polierten Startbahn mit minimaler Textur dynamisches Hydroplaning bei niedrigeren als den vorhergesagten Geschwindigkeiten auftreten.
Viskoses Hydroplaning tritt auf sehr glatten Fahrbahnoberflächen (wie gummi-kontaminierten Aufsetzzonen) auf, wenn ein mikroskopisch dünner Wasserfilm – zu dünn, um durch Makrotextur verdrängt zu werden – die Reifen-Fahrbahn-Grenzfläche schmiert. Viskoses Hydroplaning kann bei viel niedrigeren Geschwindigkeiten auftreten als dynamisches Hydroplaning, manchmal schon bei 50–60 Knoten, da der Wasserfilm nur wenige Tausendstel Millimeter dick sein muss, um den Mikrotexturkontakt zu verhindern. Dies ist der Mechanismus, der gummi-kontaminierte, polierte Startbahnoberflächen gefährlich rutschig macht, selbst wenn die Startbahn nur feucht und nicht überflutet erscheint.
Dieses Phänomen tritt während des Blockierradbremsens auf einer nassen oder überfluteten Startbahn auf. Die durch den blockierten Reifen erzeugte Reibungswärme wandelt das Grenzflächenwasser in Dampf um, der den Reifen teilweise anhebt. Das erhitzte Gummi geht dann in einen klebrigen, unvulkanisierten Zustand über und lagert sich als schwarzer Fleck auf der Startbahn ab. Diese revertierten Gummiablagerungen sind extrem glatt und schaffen, sobald sie vorhanden sind, lokale Zonen mit nahezu Null-Reibung für nachfolgende Flugzeuge – eine positive Rückkopplungsschleife der sich verschlechternden Griffigkeit.
Die primäre Verteidigung gegen alle Formen von Hydroplaning ist eine ausreichende Fahrbahn-Makrotextur, typischerweise ergänzt durch Startbahnrillung. Makrotextur bietet kontinuierliche Entwässerungspfade, durch die der unter Druck stehende Wasserfilm entweichen kann, wodurch ein Druckaufbau unter dem Reifen verhindert wird. Eine mittlere Texturtiefe (MTD) von mindestens 1,0 mm, erreicht durch Gesteinskörnungsabstufung, Oberflächenstrukturierung, Rillung oder die Anwendung eines porösen Reibungsbelags, ist das international akzeptierte Minimum zur Hydroplaning-Prävention auf Startbahnen.
Die Startbahn-Zustandsbewertungsmatrix (RCAM) ist das zentrale betriebliche Instrument, das von der ICAO im Rahmen des Global Reporting Format (GRF) eingeführt wurde und seit November 2020 weltweit in Kraft ist. Die RCAM ersetzt die bisherige Praxis, Piloten rohe Reibungskoeffizienten (Mu-Werte) zu melden, durch ein standardisiertes, kontaminationsbasiertes Zustandscode-System.
Die RCAM weist jedem Startbahndrittel einen Startbahn-Zustandscode (RWYCC) von 0 bis 6 zu, basierend auf:
| RWYCC | Startbahnoberflächenbeschreibung | Bremsaktion | Von Piloten gemeldete Bremsaktion |
|---|---|---|---|
| 6 | Trocken | — | — |
| 5 | Feucht; Nass (bis zu 3 mm Wasser); Reif; Schneematsch, Trockenschnee oder Nassschnee bis 3 mm Tiefe | Gut | Gut |
| 4 | Verdichteter Schnee bei OAT −15 °C oder kälter | Gut bis Mittel | Gut bis Mittel |
| 3 | Nass ("rutschig nass"); Trocken- oder Nassschnee auf verdichtetem Schnee (jede Tiefe); Trocken- oder Nassschnee >3 mm; Verdichteter Schnee wärmer als −15 °C | Mittel | Mittel |
| 2 | Wasser oder Schneematsch >3 mm Tiefe | Mittel bis Schlecht | Mittel bis Schlecht |
| 1 | Eis | Schlecht | Schlecht |
| 0 | Nasseis; Wasser auf verdichtetem Schnee; Trocken- oder Nassschnee auf Eis | Schlechter als Schlecht / Keine | Schlechter als Schlecht |
Eine Startbahn gilt als kontaminiert, wenn mehr als 25 % von mindestens einem Drittel der Startbahnoberfläche mit mehr als 3 mm eines beliebigen Kontaminanten (Wasser, Schneematsch, Schnee oder Eis) bedeckt sind. Eine nasse Startbahn (Wassertiefe ≤3 mm) wird nach der GRF-Definition nicht als kontaminiert eingestuft.
Die RCAM verändert grundlegend die Rolle der Reibungsmessungen bei betrieblichen Entscheidungen. Die ICAO hat – basierend auf mehreren Unfalluntersuchungen – festgestellt, dass es keine zuverlässige Korrelation zwischen einem von CFME gemeldeten Mu-Wert und der tatsächlichen Bremsaktion gibt, die ein Flugzeug erfährt. Dies liegt daran, dass CFME-Geräte kleine, leicht belastete Messreifen verwenden, die mit Kontaminanten sehr unterschiedlich interagieren im Vergleich zu einem stark belasteten Flugzeugreifen. Folglich verlangt das GRF, dass:
Für Luftfahrzeugbetreiber und Flugbesatzungen dient der RWYCC als primäre Eingabe für die Berechnung der Landestrecke und die Bewertung der Startleistung. Die meisten Flugzeughersteller liefern Leistungsdaten, die mit den RWYCC-Werten korrelieren, sodass Flugbesatzungen die erforderliche Landestrecke und Entscheidungsgeschwindigkeiten direkt aus dem gemeldeten Zustandscode ohne Bezug auf einen Reibungskoeffizienten bestimmen können.
Die Griffigkeit verschlechtert sich im Laufe der Zeit durch zwei primäre Mechanismen: Polieren der Gesteinskörnung und Ansammlung von Gummiablagerungen. Jeder Mechanismus überwiegt in verschiedenen Startbahnzonen und erfordert unterschiedliche Korrekturansätze.
Polieren der Gesteinskörnung ist die fortschreitende Glättung der Mikrotextur der Gesteinsoberfläche durch wiederholten Verkehr, insbesondere in den Radspuren, wo der Reifenkontakt konzentriert ist. Die Polierrate hängt von der Mineralogie der Gesteinskörnung ab: Harte, feinkörnige magmatische Gesteine (Granit, Basalt, Gabbro) polieren langsam und behalten ihre Mikrotextur über Jahrzehnte, während weichere Sedimentgesteine (Kalkstein, Dolomit, Sandstein) ihre Mikrotextur innerhalb weniger Jahre Nutzung verlieren können. Der Polished Stone Value (PSV)-Test klassifiziert Gesteinskörnungen auf einer Skala von etwa 30 (stark polierbar) bis 68+ (hoch polierbeständig). Kalzinierter Bauxit – eine synthetische Gesteinskörnung, die in Hochreibungsbelägen verwendet wird – erreicht PSV-Werte über 70 und wird für kritische Hochbelastungsbereiche wie Startbahnenden und Kreuzungen verwendet.
Polieren ist typischerweise ein allmählicher, fortschreitender Prozess. Die Reibungsverschlechterung durch Polieren zeigt sich zuerst in der Aufsetzzone und den Bremszonen, wo die Reifenkräfte am höchsten sind. Die Reibungs-Geschwindigkeits-Kurve verschiebt sich nach unten, wobei die Niedriggeschwindigkeitsreibung (mikrotexturabhängig) stärker abnimmt als die Hochgeschwindigkeitsreibung. Korrekturmaßnahmen für polierte Oberflächen umfassen: Diamantschleifen, um frische Gesteinsoberflächen freizulegen, Kugelstrahlen, um die Oberflächengesteinskörnung aufzubrechen, die Anwendung einer Hochreibungs-Oberflächenbehandlung (Epoxidharzbelag mit kalziniertem Bauxit) oder vollständiges Fräsen und Erneuern der Oberfläche.
Gummiablagerungen sammeln sich von Flugzeugreifen während des Aufsetzens an, wenn der anfänglich nicht rotierende Reifen in etwa 0,2 bis 0,5 Sekunden auf Landegeschwindigkeit beschleunigt. Während dieser Hochlaufphase wird Gummi vom Reifen abgerieben und auf der Fahrbahn abgelagert. Über Hunderte von Landungen bauen sich diese Ablagerungen als kontinuierlicher Film auf, der die Fahrbahn-Makrotextur füllt, die Mikrotextur glättet und – entscheidend – eine Oberfläche schafft, die bei Nässe aufgrund von viskosem Hydroplaning extrem rutschig wird.
Die Gummiablagerung konzentriert sich in der Aufsetzzone, die sich typischerweise von etwa 150 m bis 450 m ab der Startbahnschwelle erstreckt. Jenseits dieser Zone sind Gummiablagerungen dünner und werden durch natürliche Witterung und Regen leichter verteilt. Untersuchungen zeigen durchgängig, dass die Reibung in der Aufsetzzone aufgrund von Gummi kontamination 15–30 % niedriger sein kann als in anderen Startbahnabschnitten.
Die Gummiertfernung erfolgt durch:
Die Häufigkeit der Gummiertfernung hängt vom Verkehrsaufkommen ab: Ein verkehrsreicher internationaler Flughafen benötigt möglicherweise eine vierteljährliche Entfernung in der Aufsetzzone, während ein Regionalflughafen nur eine jährliche Behandlung benötigt.
Wenn eine Fahrbahnoberfläche keine ausreichende Griffigkeit allein durch Gesteinskörnungsauswahl und Mischungsdesign erreichen oder aufrechterhalten kann, werden Oberflächenbehandlungen angewendet, um die Reibung wiederherzustellen oder zu verbessern.
Startbahnrillung ist das mechanische Einschneiden von quer verlaufenden Kanälen in die Fahrbahnoberfläche, um kontinuierliche Wasserabflusspfade zu schaffen. Die Standard-FAA- und ICAO-Spezifikation sieht Rillen von 6 mm (¼ Zoll) Breite, 6 mm (¼ Zoll) Tiefe, im Abstand von 32 mm (1¼ Zoll) von Mitte zu Mitte vor, die sich über die gesamte Breite der Startbahn im mittleren Bereich erstrecken, wo die Flugzeugradspuren konzentriert sind.
Die Rillung erfüllt gleichzeitig drei Ziele: (1) Sie schafft sofortige Makrotextur für die Wasserableitung, (2) sie vergrößert die effektive Oberfläche für den Reifen-Fahrbahn-Kontakt und (3) sie erzeugt scharfe Kanten, die den Wasserfilm an der Reifengrenzfläche durchdringen. Forschungen des FAA Technical Center und der NASA haben gezeigt, dass ordnungsgemäß gerillte Startbahnen die Nassbremswege um 25–40 % im Vergleich zu ungerillten Oberflächen mit ähnlichen Gesteinskörnungseigenschaften reduzieren können.
Der Rillungsprozess verwendet diamantbestückte Schneidemaschinen, die eine gesamte Startbahnbreite in mehreren Durchgängen rillen können. Die Rillen müssen durchgehend und gleichmäßig in Tiefe und Breite sein; Diskontinuitäten oder abgerundete Kanten verringern die Wirksamkeit erheblich. Die Rillenwartung ist unerlässlich: Rillen, die sich mit Gummiablagerungen füllen, bieten keine Entwässerung mehr, wodurch die Oberfläche hinsichtlich der Nassreibung effektiv in einen ungerillten Zustand zurückversetzt wird. Die Hochdruckwasser-Gummiertfernung sollte in einer Richtung parallel zu den Rillen durchgeführt werden, um eine Beschädigung der Rillenkanten zu vermeiden.
Ein poröser Reibungsbelag ist eine offengestufte Asphaltdeckschicht, typischerweise 19–25 mm (¾–1 Zoll) dick, die auf die vorhandene Startbahnoberfläche aufgebracht wird. PFC-Mischungen verwenden eine ausfallgekörnte Gesteinskörnungsstruktur mit etwa 15–20 % Luftporenanteil, wodurch ein miteinander verbundenes Porennetzwerk entsteht, durch das Wasser seitlich abfließen kann. Dieses interne Entwässerungssystem beseitigt stehendes Wasser von der Reifen-Fahrbahn-Grenzfläche und bietet Makrotextur über die gesamte Dicke der Deckschicht – nicht nur an der Oberfläche.
PFC-Deckschichten erreichen mittlere Texturtiefen von 1,2–2,5 mm, verglichen mit 0,4–0,8 mm für dichtgestufte Asphalte, und können die Nasswetter-Reibung auf Startbahnen, bei denen die darunterliegende Oberfläche eine akzeptable strukturelle Kapazität, aber unzureichende Textur aufweist, dramatisch verbessern. PFC ist besonders effektiv auf Startbahnen, die nicht gerillt sind, da es eine vergleichbare Entwässerungsfunktion durch Materialstruktur anstelle von mechanischem Schneiden bietet.
Die PFC-Leistung hängt von der Aufrechterhaltung der Porenstruktur ab. Im Laufe der Zeit können sich die Poren mit Ablagerungen, Gummi und Enteisungschemikalienrückständen füllen, was die Entwässerungskapazität verringert. Spezielle Hochdruck-Luft-Wasser-Reinigungsgeräte werden verwendet, um PFC-Oberflächen zu reinigen, typischerweise in 2–5-Jahres-Intervallen, abhängig von Verkehr und Klima. Die Lebensdauer von PFC liegt bei Flughafenanwendungen zwischen 8–15 Jahren.
Der traditionelle Ansatz zur Griffigkeitsbewertung erfordert physikalischen Kontakt zwischen einem Messgerät und der Fahrbahnoberfläche – ein Prozess, der geräteintensiv, betriebsstörend (Startbahnsperrungen erfordernd), wetterabhängig ist und nur eine Momentaufnahme liefert. Das aufkommende Gebiet des KI-basierten visuellen Reibungsproxys bietet einen komplementären Ansatz: die Verwendung hochauflösender Bilder der Fahrbahnoberfläche, kombiniert mit maschinellen Lernmodellen, die auf gepaarten visuellen Textur- und Reibungsmessdaten trainiert wurden, um die Griffigkeit allein aus visuellen Merkmalen zu schätzen.
Die wissenschaftliche Prämisse beruht auf der etablierten Beziehung zwischen Fahrbahntextur und Griffigkeit. Da sowohl Mikrotextur als auch Makrotextur Oberflächenphänomene sind, die sich bei geeigneten Auflösungen visuell manifestieren, kann die digitale Bildanalyse Textureigenschaften extrahieren, die mit der Reibungsleistung korrelieren. Zu den Merkmalen gehören:
Moderne Forschung, die in begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht wurde, zeigt, dass mit diesen Merkmalen trainierte maschinelle Lernmodelle Reibungskoeffizienten mit R²-Werten von 0,75–0,92 vorhersagen können, wenn sie gegen traditionelle Reibungsmesser validiert werden. Modelle, die sowohl visuelle Texturmerkmale als auch bekannte Gesteinskörnungseigenschaften (PSV, Abstufung) einbeziehen, erzielen die höchste Genauigkeit. Neuere Studien, die Deep CNNs direkt auf Fahrbahnoberflächenbildern trainieren, haben vielversprechende Ergebnisse bei der Unterscheidung von sicheren und unsicheren Reibungsbedingungen mit einer Klassifikationsgenauigkeit von über 90 % gezeigt.
TarmacView wendet die KI-basierte visuelle Reibungsproxy-Bewertung als Teil einer integrierten Plattform zur Überwachung des Fahrbahnzustands an. Hochauflösende Bilder, die während drohnengestützter Inspektionen aufgenommen werden – die bereits für die PAPI-Lichtkalibrierung und die Bewertung von Startbahnmarkierungen durchgeführt werden –, liefern den visuellen Datenstrom. Das TarmacView-System verarbeitet diese Bilder durch trainierte Modelle, die:
Der visuelle Reibungsproxy ersetzt nicht die regulatorischen CFME-Tests – Reibungsmessungen zur Einhaltung der ICAO- und FAA-Mindestschwellenwerte bleiben verpflichtend. Vielmehr bietet er eine kontinuierliche, passive Überwachung zwischen formellen Reibungsmessungen, die es Flughafenbetreibern ermöglicht:
TarmacView bietet eine KI-gestützte Bewertung von Fahrbahnoberflächen, einschließlich einer visuellen Reibungsproxy-Schätzung, um Flughäfen bei der Aufrechterhaltung sicherer Griffigkeitsniveaus zu unterstützen. Kontaktieren Sie uns, um mehr über die automatisierte Überwachung des Oberflächenzustands zu erfahren.
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