Laser und Mikrofone sammeln Daten zum Triebwerkslärm von Flugzeugen

Fluglärm ist ein gesellschaftlich drängendes Thema mit verschiedenen Ursachen. Bisher noch nicht vollständig verstanden sind die turbulenten Schwankungen im Abgasstrahl als eine der Hauptlärmquellen.

Forschern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist es nun gelungen, diese turbulenten Strömungsstrukturen im Triebwerksstahl mit bildgebenden Lasermesstechniken sichtbar zu machen und die Strömung hinter dem Triebwerk insgesamt in bisher unerreichter Qualität zu vermessen. Zukünftige Triebwerksgenerationen können von den neuen Erkenntnissen profitieren.

Lärmquellen mit Laser-Optik und Mikrofon identifizieren

Am 23. September 2014 hat das DLR die Ergebnisse des Forschungsprojekts SAMURAI (Synergy of advances measurement techniques for unsteady and high Reynolds number aerodynamic investigations) am Flughafen Hamburg präsentiert. Dort fanden vom 23. bis 28. September 2013 unterstützt vom Flughafen Hamburg und Lufthansa Technik (LHT) eine Reihe von Triebwerksstandläufen mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320-ATRA in der Lärmschutzhalle der LHT statt.

Bestimmte Strömungs- und Dichtestrukturen, die einen Teil des Lärms im Triebwerksstrahl verursachen, konnten mit diesem Experiment identifiziert werden. Die umfangreichen Daten helfen modernen Simulationsverfahren, die Triebwerksströmung und den darin verursachten Lärm zukünftig detaillierter vorherzusagen. "Erstmals konnten wir in Hamburg die Lärmquellen hinter dem Triebwerk im Freistrahl gleichzeitig mit laser-optischen Messverfahren und Mikrofonen hochgenau vermessen", sagt Projektleiter Dr. Andreas Schröder vom Göttinger DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik.

Um die turbulenten Geschwindigkeits- und Dichteschwankungen sichtbar zu machen, haben die Wissenschaftler optische Messsysteme, die im wesentlichen mit Spezialkameras und Lasern arbeiten, mit einer Anordnung von Mikrofonen synchronisiert. "Im Experiment verwendeten wir die Mikrofone sozusagen als entfernt lauschende Beobachter", erklärt Schröder.

Die im DLR in Göttingen entwickelte Messmethode Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein vielfältiges Werkzeug in der Strömungsforschung. Kleinste lichtstreuende Partikel machen die Strömungsmuster im gepulsten Laserlicht sichtbar. Das Mikrofonsignal wirkt hierbei als Filter, um die gleichzeitig gemessenen schallerzeugenden Strömungsstrukturen zu erkennen.

Daten helfen beim Design für leisere Triebwerke

Die Forscher haben mit der kombinierten optischen und akustischen Messtechnik einen Datenschatz angesammelt, der das Verständnis über Ursache und Ausbreitung des Strahllärms deutlich fördert: "Entscheidend ist die Frage, wie die Strömung im Triebwerk noch besser beeinflusst werden kann, um den Lärm dahinter zu senken", sagt Prof. Dr. Lars Enghardt, der im DLR-Institut für Antriebstechnik die Berliner Abteilung Triebwerksakustik leitet.

"Möglichkeiten sind hier beispielsweise den Triebwerksstrahl zu verlangsamen und heiße Turbinenabgase mit der kalten Außenluft am Ende des Triebwerks schneller zusammenzuführen." Schon heute gibt es erste Entwicklungen in dieser Richtung, etwa die Chevrondüse mit einer gezackten Hinterkante. Dazu kommen vielfältige Möglichkeiten, den Strahllärm weiter zu reduzieren. "Die nun vorliegenden Messergebnisse können zukünftig für Triebwerkshersteller eine wichtige Grundlage sein, um leisere Triebwerke mit weniger Strahllärm zu entwickeln", so Enghardt.

SAMURAI nutzt Airbus A320 als valides Forschungsmodell

Das im SAMURAI-Projekt verwendete DLR-Forschungsflugzeug ATRA (Advanced Technology Research Aircraft), aus der umfangreichen Forschungsflotte des DLR, ist ein Branchen-üblicher Airliner vom Typ Airbus A320, der im DLR für vielfältige Projekte der Luftfahrtforschung eingesetzt wird. Im DLR-Projekt SAMURAI sind die DLR-Institute für Aerodynamik und Strömungstechnik, Antriebstechnik, Aeroelastik sowie Bauweisen und Strukturtechnologie beteiligt.

Der zum Flugversuchsträger umgebaute Mittelstrecken-Passagierjet ist mit seinen weltweit tausendfach eingesetzten Triebwerken der Baureihe V2500, die in einer Kooperation von MTU, Pratt & Whitney, Rolls Royce und Japanese Aero Engines Corporation entwickelt wurden, ein ideales repräsentatives Forschungsobjekt für Fluglärmuntersuchungen. Das Forschungsflugzeug ATRA wird durch die DLR-Flugexperimente betrieben.

Triebwerks-Lärmuntersuchung in der größten Lärmschutzhalle Europas

Seit Anfang 2002 steht für Triebwerksprobeläufe aller Flugzeugtypen, die die Lufthansa Technik in Hamburg wartet, eine geschlossene Lärmschutzhalle zur Verfügung. Für die DLR-Wissenschaftler war die Bereitstellung dieser Halle durch die Tochter der Lufthansa ein Glücksfall. Denn die filigranen Messaufbauten waren in dem Gebäude, das mit einer Größe von 95 mal 92 Metern und einer Höhe von 23 Metern sogar Jumbojets aufnehmen kann, bestens geschützt.

Anwohner wurden durch die Versuchsläufe nicht gestört. Die Hamburger Lärmschutzhalle, die Vorbild für solche Einrichtungen an den Flughäfen in Leipzig, Zürich und Genf war, wurde auf Initiative der Flughafen Hamburg GmbH gebaut, die sich im vergangenen Jahr für die Durchführung der DLR-Messkampagne engagierte.