Welche Teile eines Flugzeugs verursachen Lärm und um welche Art von Lärm handelt es sich? Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und GE Aviation in München ist es zum ersten Mal gelungen, den von einem Flugzeug abgestrahlten Lärm am Boden und am Flugzeug synchron zu messen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können zukünftige Flugzeuge leiser werden.
Die Luftfahrtbranche arbeitet mit Nachdruck daran, die Auswirkungen des Flugverkehrs auf die Umwelt und die Bevölkerung hinsichtlich Emissionen und Lärmbelästigung zu verringern. Fluglärm ist eine, wenn nicht sogar die offensichtlichste Auswirkung des Luftverkehrs auf die Umwelt. Zudem stand die Notwendigkeit zur Verringerung von Fluglärm noch nie so sehr im Mittelpunkt des Interesses wie heute. Zwar sind Turboprop-Flugzeuge nach wie vor die effizienteste Art für Flugzeugreisen, jedoch werden sie von der Bevölkerung und Passagieren immer noch als laut empfunden.
„Deshalb ist es wichtig, das Verständnis dafür zu verbessern, wie Lärm erzeugt wird und wie neue Technologien den Lärm von Turboprop-Flugzeugen verringern können“, erklärt Davide Giacché, Senior Engineer des Advanced Technologies Teams von GE Aviation mit Sitz in München, der die Arbeiten des deutschen Teams im Rahmen des FusionProp-Projekts leitet.
Dreieinhalbjähriges Forschungsprojekt FusionProp
FusionProp ist ein dreieinhalbjähriges Forschungsprojekt, das im April 2018 im Rahmen des deutschen staatlichen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) begann und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt wird. Dank der Zusammenarbeit zwischen GE Aviation in München und mehreren Instituten des DLR, das über umfangreiche Erfahrungen und einzigartige Fähigkeiten in der Flugerprobung und Lärmmessung verfügt, stellt dieses Technologieprojekt eine einzigartige Gelegenheit dar, den Stand der Technik in der Turboprop-Akustik voranzutreiben.
Die primäre Lärmquelle bei propellergetriebenen Flugzeugen ist der Propeller, gefolgt von dem Lärm, der von Flugzeugzelle und Triebwerken erzeugt wird. Die Ursache von Propellerlärm liegt in Besonderheiten der Aerodynamik dieser Antriebe und wird durch die Relativbewegung zwischen den Propellerblättern und der Umgebungsluft verursacht. Insbesondere der Propellerlärm setzt sich sowohl aus einer tonalen als auch aus einer Breitband-Komponente zusammen. Die tonale Komponente, die für das menschliche Ohr eher als störend empfunden wird, ist auf Folgendes zurückzuführen: die durch die Blattbewegung verursachte Verdrängung der Luft (Dickenlärm); das Druckfeld um die sich in der Luft bewegenden Blätter (Belastungslärm); und die instationäre periodische Veränderung der Belastung auf die Blätter, beispielsweise aufgrund der aerodynamischen Wechselwirkung mit den umgebenden Strukturen. Breitbandlärm tritt infolge von Turbulenzen in der Grenzschicht des Blatts und der Wechselwirkung des Blatts mit Turbulenzen in der Luft auf.
Das Projekt FusionProp verfolgt zwei wesentliche Forschungsansätze: einen experimentellen, mit der Durchführung von zwei Flugtestkampagnen, und einen numerischen, mit der Validierung von Methoden zur Vorhersage von Turboprop-Lärm. „Parameter, die den von einem Propeller erzeugten Lärm beeinflussen, sind die Rotationsgeschwindigkeit (je schneller sich die Blätter drehen, desto mehr Lärm wird erzeugt), die Fluggeschwindigkeit, die erforderliche Schubmenge und das aerodynamische Blattdesign im Detail“, sagte Lorenz Drack, Lead Engineer von GE Aviation in München. „Unter realen Flugbedingungen wird der erzeugte Propellerlärm durch die Fluglage des Flugzeugs, Turbulenzen, Windböen und die Auswirkungen der Integration des Antriebes mit dem Flugzeug noch komplizierter. Flugversuche helfen uns, die Komplexität des Lärms der installierten Propeller besser zu verstehen, um unsere Modelle zu optimieren.“
Vorbereitung und Koordination aller beteiligten Teams
Im Sommer letzten Jahres wurden im Rahmen von FusionProp zwei Flugversuche durchgeführt. Diese Art von Tests erfordert eine sorgfältige Vorbereitung und Koordination aller beteiligten Teams und setzt zudem günstige Wetterbedingungen für akustische Messungen voraus. „Das Niveau der Zusammenarbeit zwischen den Teams von GE und DLR vor, während und nach den beiden Tests war und bleibt außergewöhnlich, und die Menge der erhobenen Daten ist ein Beweis dafür“, sagt Giacché und lobt das einzigartige Know-how und die Erfahrung des DLR als wertvollen Partner in einer so intensiven Testkampagne mit sehr hohem Innovations- und Komplexitätsgrad.
Beide Tests repräsentierten ein umfassendes Spektrum typischer Flugbedingungen einschließlich Start, Steigflug, Reiseflug und Landeanflug. Zusätzlich zur Instrumentierung an und in den beiden Flugzeugen – der DO 228 des DLR und einer De Havilland Aircraft of Canada Dash 8-400 – wurden am Boden des Flughafens Magdeburg-Cochstedt, in Sachsen-Anhalt, an dem alle Überflugversuche durchgeführt wurden, über 200 Mikrofone installiert. Die Lärmmessungen am Boden wurden mit dem Ziel durchgeführt, die Methoden für die Lärmprognose in der Flughafenumgebung zu verbessern und die Lokalisierung von Lärmquellen unter Verwendung des umfangreichen Mikrofonarrays des DLR zu ermöglichen. Im Rahmen zahlreicher Flüge wurden mehr als 50 Testpunkte untersucht. Je nach Flugbedingungen erfolgte dies durch Überfliegen der Mikrofone in verschiedenen Höhen.
DLR-Forschungsflugzeugs DO 228 mit Mikrofonarrays
Zum ersten Mal wurden synchrone Überfluglärmmessungen mit einem am Rumpf des DLR-Forschungsflugzeugs DO 228 montierten Mikrofonarray und zwei Mikrofonarrays am Boden durchgeführt. Das Rumpfarray und die Bodenarrays wurden am DLR mit dem Ziel entwickelt, die Lärmquellen zu lokalisieren. „Das ist das erste Mal, dass wir in der Lage sind, den am Boden ankommenden Lärm mit den Lärmquellen am Flugzeug zu korrelieren“, sagt Carsten Spehr vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen.
Die Fähigkeit, die Lärmpegel für eine Vielzahl von Installationen genau vorherzusagen, ist auch für künftige Turboprop-Plattformen der nächsten Generation von Bedeutung. „Mit der aufkommenden Einführung von Hybrid- und komplett elektrischen Antriebslösungen in der Branche wird die Aufmerksamkeit auf den Propeller als Hauptlärmquelle zunehmen. Die Entwicklung neuer Technologien zur Sicherstellung, dass bei einer bestimmten Anwendung möglichst wenig Lärm erzeugt wird, ist seit einigen Jahren ein Schwerpunkt der Forschung von Dowty Propellers“, so Jimmy Barnard, Product Strategy and New Technology Leader bei Dowty Propellers.
„Das FusionProp-Programm gilt als Höhepunkt einer Reihe von Projekten, bei denen Technologien und Instrumente einer Flugversuchsauswertung unterzogen werden, um eine Plattform für die Validierung fortschrittlicher Lärmvorhersagemethoden für Propeller zu schaffen“, so Barnard.
„Unter bestimmten Flugbedingungen und bei modernen Propellerkonfigurationen können Installationseffekte eine wichtige Rolle bei der Lärmentwicklung von Propellern spielen“, so Arne Stürmer, Projektleiter am DLR. Die Auswertung und Nutzung der Messdaten kann dazu beitragen, zukünftige Flugzeuge leiser zu machen. „In Computersimulationen können wir zum Beispiel überprüfen, inwiefern die Position des Propellers relativ zum Flügel den Lärm beeinflusst“, so Stürmer. Gegenwärtig arbeiten DLR und GE an der Auswertung der riesigen Datenmenge, die im Rahmen der Tests gewonnen wurde.
FusionProp Zusammenarbeit
An den Untersuchungen im Rahmen von FusionProp waren vier der DLR-Institute und -Einrichtungen von drei Standorten beteiligt: Das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig und Göttingen, die Einrichtung Flugexperimente in Braunschweig und das Institut für Antriebstechnik in Berlin.
