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Projektbroschüre HALO Ein neues Flugzeug für die Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung

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HALO

Ein neues Flugzeug für die Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung

Eine Gemeinschaftsinitiative deutscher

Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen.

Gefördert durch Zuwendungen des

Bundesministeriums für Bildung und

Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaft, der

Max-Planck-Gesellschaft, des Freistaates

Bayern, der Forschungszentren Jülich und

Karlsruhe und des Deutschen Zentrums für

Luft- und Raumfahrt.

Die Grundlage politischerEntscheidungenMenschliches Handeln beeinflusst dieAtmosphäre und das Klima. InternationaleKonventionen wie die Protokolle vonMontreal und Kyoto waren erste wichti-ge Schritte zur Begrenzung der Verän-derungen von Ozonschicht und Klima.Weiterführende Abkommen zum Klima-schutz sind jedoch notwendig. Um dafüreine sinnvolle politische Entscheidungs-grundlage zu schaffen, müssen dieProzesse, die sich in unserer Atmosphäreabspielen, sehr viel besser verstandenwerden als bisher. Belastbare experimen-telle Daten zum Verständnis unsererAtmosphäre sind wesentliche Bausteinefür zukünftige, genauere Klimaprognosen.HALO (High Altitude and Long RangeResearch Aircraft) wird einen wesent-lichen Beitrag zum Verständnis unsererAtmosphäre leisten. Auf Grund seiner herausragenden Flugeigenschaften undMessmöglichkeiten wird HALO eine neueDimension für die Umwelt- und Klima-forschung in Deutschland und Europamit Forschungsflugzeugen erschließen.

Atmosphären-forschung mitFlugzeugenDie Atmosphärenforschung hat inDeutschland eine lange Tradition undumfasst viele Disziplinen, die von Labor-untersuchungen über Langzeitbeobach-tungen an Bodenstationen und intensivenFeldexperimenten bis zur Auswertungvon Satellitendaten und dem Einsatz vonaufwändigen Rechenmodellen reichen.Diese verschiedenen Ansätze sind engmiteinander verzahnt und voneinanderabhängig.

Forschungsflugzeuge sind für die Klima-und Umweltforschung unverzichtbar.Das Flugzeug als Beobachtungsplattformschließt die Lücke zwischen erdgebunde-nen Beobachtungsstationen und Sa-telliten. Es hat den Vorteil, sich frei in der Atmosphäre bewegen und damitInstrumente für gezieltene Untersuchun-gen genau an den gewünschten Einsatz-ort bringen zu können. Im Vergleich zumSatelliten haben Flugzeugmessungen einebessere räumliche Auflösung und denVorteil, auch sehr komplizierte Instru-mente tragen zu können. Flugzeuge dienen auch als Test- und Entwicklungs-plattform für Satelliteninstrumente undzur Validierung erd- und weltraumge-bundener Systeme.

Das Deutsche Zentrum für Luft- undRaumfahrt betreibt seit über 30 JahrenForschungsflugzeuge, unter anderemeinen Jet des Typs Falcon 20-E, der seit1976 sehr erfolgreich eingesetzt wird. Esverfügt damit über sehr umfangreicheErfahrungen bei der Planung undDurchführung von Flugmesskampagnen.

HALO – neue Dimensionen in derAtmosphärenforschung und Erdbeobachtung

Das Projekt HALODie Notwendigkeit eines hochfliegendenForschungsflugzeuges mit großer Reich-weite war schon in den 80er-Jahren fest-gestellt worden. Bisher stehen für Experi-mente in großen Höhen nur einige weni-ge Flugzeuge in Europa zur Verfügung,allen voran die Falcon 20-E des DLR.

Eine weitere Plattform stellt das russischeFlugzeug 'Geophysika' dar. Da in diesemFlugzeug kein Wissenschaftler mitfliegenkann, können allerdings nur automatischarbeitende Instrumente eingesetzt werden.

Im Jahr 2000 trafen sich Vertreter wich-tiger deutscher Forschungseinrichtungen

aus dem Bereich der Atmosphären- undKlimaforschung, um ein Konzept für diezukünftige Atmosphärenforschung mitFlugzeugen zu entwickeln. Ergebnis warein einheitliches Votum für ein hoch flie-gendes Flugzeug mit großer Reichweite.Im Jahr 2001 stellten die Max-Planck-Ge-sellschaft und das Deutsche Zentrum fürLuft- und Raumfahrt stellvertretend fürüber 30 Forschungsinstitute in Deutschlandeinen Antrag für ein solches Flugzeug andas Bundesministerium für Bildung undForschung (BMBF). Die anschließendeBegutachtung des Projektes durch denvon Bund und Ländern eingesetztenWissenschaftsrat stufte HALO als unein-geschränkt förderungswürdig ein. ImHerbst 2004 vereinbarten Vertreter des

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Modifikationen – Vom Business-Jet zum Forschungsflugzeug

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Noseboom

EVS Camera

Forward Fuselage Pads

Bottom Fuselage Apertures - Fwd

Down Looking Camera

Provisions for Wing Stores

Research Exhaust Ports

Forward Fuselage Pads

Top Fuselage Apertures

Forward Fuselage Pads

Provision for BellyInstrumentation Pod

Bottom ViewportShutter Door Assembly

Bottom Viewports

Noseboom

Forward Looking Camera(Windscreen)

Side Viewports

Top Viewports

LCS Fairing

Up LookingFuselage Camera

Tail Fin Hardpoint

ADF Antennae

Bottom FuselageApertures - FWD

Provisions for Detachable Ventral Fin

Baggage Compartment Aperture

LCS Exhaust

Aft Looking Fuselarge Camera

Provisions for Enlarged Tail Cone

BMBF, der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft, der For-schungszentren Jülich und Karlsruhe, des Deutschen Zentrums für Luft- undRaumfahrt und des Freistaates Bayerneine gemeinsame Finanzierung für denBau des Forschungsflugzeuges HALO.Dadurch wurde der Weg frei gemachtfür die Verwirklichung von HALO. ImFebruar 2005 unterzeichneten DLR undGulfstream Aerospace Cooperation denVertrag über den Bau des Forschungs-flugzeuges HALO.

Das Konzept HALO Als Basisflugzeug für HALO wurde derUltra-Long Range Business – Jet G 550der Firma Gulfstream Aerospace ausge-wählt. Mit seiner Reichweite von weitmehr als 8.000 km können alle Regionenvon den Polen bis zu den Tropen undden abgelegenen Gebieten des Pazifikserreicht werden. Die maximale Flughöhevon über 15 km ermöglicht auch Messun-gen in der unteren Stratosphäre, außer-halb der Tropen. HALO wird mehr alsdoppelt so viele Instrumente an Bordnehmen können wie das Forschungsflug-zeug Falcon 20-E und somit eine wesent-lich umfassendere Beschreibung komplexeratmosphärischer Prozesse erlauben. Insge-samt beträgt die Nutzlast etwa 3.000 kg.

Aber erst aufwändige Umbauarbeiten,die zum Teil bei der Firma RUAG in Ober-pfaffenhofen durchgeführt werden, ver-wandeln das kommerzielle Geschäftsrei-seflugzeug in ein hochleistungsfähigesForschungsflugzeug: Die Tragflächenwerden verstärkt und an ihrer Unterseitemit Haltepunkten versehen, an denenspäter Sonden befestigt werden können.Unter dem Rumpf werden Befestigungs-punkte für einen großen Unterrumpfbe-hälter und ein Wolkenradar angebracht.Der Rumpf wird mit zahlreichen Öffnun-gen für Luftein- und -auslässe versehen.Vier 50 cm durchmessende Fenster imBoden und in der Decke des Rumpfeserlauben den Einsatz von Fernerkun-dungsmessgeräten von der Kabine aus.Eine spezielle Stromversorgung erlaubtden Betrieb von Geräten innerhalb undaußerhalb der Kabine. Eine Datenerfas-sungsanlage und integrierte Basissenso-ren tragen dazu bei, HALO zu einer flexi-blen Forschungsplattform machen.

Das Flugzeug soll vom Betreiber der größ-ten zivilen Forschungsflugzeugflotte inEuropa, der Flugabteilung des DLR inOberpfaffenhofen betrieben werden. Fürden Forschungsflugbetrieb soll ein festesKontingent an Flugstunden finanziertund per Antragsverfahren jedes Jahr neuverteilt werden. Ein unabhängiges Gut-achtergremium wird auf Grund wissen-schaftlicher Kriterien über die Verteilungder Nutzungszeiten auf HALO entscheiden.

Das Basisflugzeug für HALO, das sogenannte „Green Aircraft“ wurde ber-eits im November 2005 fertig gestellt.Aufwändige Modifikationen und Testserfordern jedoch weitere drei Jahre, be-vor das Flugzeug im Herbst 2008 an das DLR übergeben werden kann. NachEinbau, Test und Zulassung der Basis-sensorik, der Datenvereinbarung undweiterer spezieller Infrastruktur (Racks,Einlässe, Unterflügelbehälter) für denspäteren Nutzer wird HALO ab Mitte2009 für den wissenschaftlichen Einsatzzur Verfügung stehen.

Die Atmosphären-forschung undErdbeobachtungAuf Grund seiner herausragenden Eigen-schaften, des neuen Betriebskonzeptesund der breiten Nutzergemeinschafteröffnet HALO neue Dimensionen in der Umwelt- und Klimaforschung mitFlugzeugen in Deutschland und Europa.HALO wird aber auch für die Erdbeob-achtung neue Möglichkeiten erschließen:

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Jet G 550 der Firma Gulfstream Aerospace.

HALO – neue Dimensionen

- HALO ermöglicht durch seine Leistungs-fähigkeit und Ausstattung neuartigeExperimente und größere Nutzlasten.

- Das neue Betriebsmodell fördert insbe-sondere die Beteiligung der Hoch-schulen an der Atmosphärenforschungmit Flugzeugen.

- HALO ist eingebettet in die europäischeForschungslandschaft und vervollstän-digt die europäische Kompetenz aufdiesem Gebiet.

- HALO wird europaweit über entspre-chende Forschungsprogramme zurVerfügung stehen.

- Die großen Reichweiten machen HALOzu einem globalen Werkzeug. Dadurchträgt HALO zu einer engeren internatio-nalen Zusammenarbeit im weltweitenNetzwerk mit vergleichbaren Projektenbei.

- HALO baut die deutsche Spitzenpositionin der Atmosphärenforschung und Erd-beobachtung aus.

Durch seine wesentlich größere Nutzlastals die der Falcon kann HALO eine grö-ßere Anzahl von Instrumenten beherber-gen. Der erweiterte Umfang an Modifi-kationen bei HALO und der große Ein-satzbereich wird die Entwicklung einerneuen Messgerätegeneration anstoßen.Neben einem höheren Automationsgradwerden neue Messgrößen und höhereGenauigkeiten ermöglicht. Bereits jetztliegen mehr als 100 Instrument-Vorschlägefür den Einsatz auf HALO vor:

In-situ-Detektoren für den Nachweis vonSpurengasen und Partikeln, Fernerkun-dungsmessgeräte wie LIDAR und Infrarot-Spektrometer sowie Instrumente für dieUntersuchung geophysikalischer Parameter.

Forschungs-schwerpunkteDeutsche Umwelt- und Klimaforscherhaben mittlerweile zahlreiche Missions-vorschläge erarbeitet, die nur mit HALOrealisiert werden können. Die konkretenPlanungen für die ersten Demonstrations-missionen mit HALO, die bereits in 2009durchgeführt werden sollen, habenbegonnen. Einige Forschungsschwer-punkte aus diesen Vorschlägen stellenwir hier kurz vor:

Klimaveränderungund extremeWetterereignisseIn einem sich verändernden Klima, ver-bunden mit der zunehmenden Konzen-tration von Treibhausgasen, nimmt derNiederschlag in vielen Regionen zu. Dennvon einer wärmeren Erdoberfläche ver-dunstet mehr Wasser. In Verbindung miteinem veränderten vertikalen Temperatur-profil nimmt die Niederschlagsrate in Ge-wittern und großskaligen Wettersystemenzu. Das führt zu verstärkter Aufwärts-bewegung von Luftmassen (Konvektion)bis zu den höchsten Schichten der Tro-posphäre. Diese intensive Aufwärtsbewe-gung muss durch die Abwärtsbewegungin anderen Bereichen kompensiert wer-den, die dadurch trockener werden. HALO-Messungen werden den gesamtenHöhenbereich umfassen, der durch hoch-reichende Konvektion beeinflusst ist. DerFeuchtigkeitstransport und die Nieder-schlagsbildung werden dabei detailliertuntersucht.

Aerosole, Wolkenund WasserkreislaufFein verteilte, mikroskopisch kleine Partikelin der Luft – Aerosole – beeinflussen nichtnur die Luftqualität, sondern verringernauch den Anteil des Sonnenlichtes, derdie Erdoberfläche erreicht. Dadurch wirddie Luft am Boden weniger warm.

Darüber hinaus ändern sie die Strahlungs-eigenschaften und die Lebensdauer vonWolken. Diese mikrophysikalische Wechsel-wirkung zwischen Aerosolen und Wolkensowie ihr Einfluss auf den atmosphärischenEnergiehaushalt und den Wasserkreislaufkönnen nur durch Messungen in der At-mosphäre genau bestimmt werden. Dieskann durch vergleichende Messungen inverschiedenen Regionen der Atmosphäreerreicht werden: relativ saubere maritimeRegionen, die Atmosphäre über demRegenwald oder durch Industrie oderWaldbrände verschmutzte Luftmassen.

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HALO – neue Dimensionen

Selbstreinigungs-kapazität derAtmosphäreDie Lebensdauer von Schadstoffen undverschiedenen Treibhausgasen in derAtmosphäre wird durch Oxidationspro-zesse kontrolliert, die durch Hydroxyl-Radikale initiiert werden. Diese Radikalebegrenzen den Konzentrationszuwachsvieler Gase, indem diese aus der Atmos-phäre entfernt werden, bevor sie toxi-sche Konzentrationen erreichen oder indie Stratosphäre gelangen, wo sie zumOzonabbau beitragen. Es wird von be-sonderem Interesse sein, die stark stei-genden Schadstoff–Emissionen in denHauptquellregionen Europa, Nordamerikaund Asien zu vermessen und ihre Wirkungauf die atmosphärische Oxidationsfähigkeitzu bestimmen. Mit HALO werden vieleder relevanten Spurengase, einschließlichder Radikale, gleichzeitig gemessen. Diesist zum Verständnis der luftchemischenProzesse und zur Überprüfung der vor-handenen Atmosphärenmodelle notwen-dig.

Tropopausenchemieund DynamikDer Übergangsbereich zwischen Tropos-phäre und Stratosphäre bis zu einer Höhevon 16 km ist messtechnisch schwierigzu erschließen. Diese Region beeinflusstjedoch ganz wesentlich den atmosphäri-schen Energiehaushalt, die Oxidations-fähigkeit und den Vertikaltransport vonImpuls und Spurengasen. Darüber hinausist der Einfluss von Eiswolken in großenHöhen (Zirren) auf Klimastörungen vonenormer Bedeutung. Der Klimaeffektkann dadurch verstärkt oder abgschwächtwerden. Die schnell wachsende Flottekommerzieller Flugzeuge, die in diesenHöhen fliegen, beeinflusst zusätzlich dieZirren durch Kondensstreifen und Aerosolemit bis jetzt unbekannten Konsequenzen.Mit HALO werden die Messungen durch-geführt, die nötig sind, um diese kritischenFaktoren zu quantifizieren.

DLR Forschungsflugzeug FALCON im

Messflug mit einem Airbus A320

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Flugbetrieb und Institut für Physik der Atmosphäre

Dr. Helmut ZiereisHALO-Projektleiter

Telefon: 08153 28-2542Telefax: 08153 28-1841

E-Mail: [email protected]

Oberpfaffenhofen82234 Wessling

www.HALO.DLR.de

Das DLR im Überblick

Das DLR ist das nationale Forschungszentrum der BundesrepublikDeutschland für Luft- und Raumfahrt. Seine umfangreichen For-schungs- und Entwicklungsarbeiten sind in nationale und internatio-nale Kooperationen eingebunden. Über die eigene Forschung hinausist das DLR als Raumfahrtagentur im Auftrag der Bundesregierungfür die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitätensowie für die internationale Interessenswahrnehmung zuständig.

In 31 Instituten und Einrichtungen an den acht Standorten Köln-Porz, Berlin-Adlershof, Bonn-Oberkassel, Braunschweig, Göttingen,Lampoldshausen, Oberpfaffenhofen und Stuttgart beschäftigt dasDLR ca. 5.100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Das DLR unterhält Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington D.C.

Die Mission des DLR umfasst die Erforschung von Erde und Univer-sum, Forschung für den Erhalt der Umwelt und umweltverträglicheTechnologien zur Steigerung der Mobilität sowie für Kommunikationund Sicherheit. Das Forschungsportfolio des DLR reicht von der Grund-lagenforschung bis zu innovativen Anwendungen und Produktenvon morgen. So trägt das im DLR gewonnene wissenschaftliche undtechnische Know-how zur Stärkung des Industrie- und Technologie-standortes Deutschland bei. Das DLR betreibt Großforschungsan-lagen für eigene Projekte sowie als Dienstleistung für Kunden undPartner. Darüber hinaus fördert das DLR den wissenschaftlichenNachwuchs, betreibt kompetente Politikberatung und ist eine treibende Kraft in den Regionen seiner Standorte.

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