Wie Hubschrauber leiser werden

Rotoren sind unter bestimmten Betriebs­bedingungen die Haupt­quelle des Lärms, den ein Hub­schrauber erzeugt. Um diesen Lärm und gleich­zeitig Vibra­tionen zu redu­zieren, unter­suchte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR im Forschungs­projekt SKAT (Skalier­barkeit und Risiko­minimierung von Tech­nologie bei inno­vativem Design) gemeinsam mit Airbus Heli­copters Deutschland eine aktive Rotor­steuerung an einem modernen Fünfblatt­rotor im Windkanal. Das Ergebnis: rund 30 Prozent weniger Lärm.

Der Haupt­rotor, der am Hub­schrauber sowohl Quelle des Auftriebs als auch des Vortriebs ist, verursacht eine Reihe an aero­elastischen und aero­akustischen Problemen, wie zum Beispiel hohe Vibrationen und eine starke Lärm­entwicklung. Während Vibrationen sich haupt­sächlich negativ auf den Passagier­komfort und die Lebens­dauer von Bauteilen auswirken, spielt der Rotor­lärm besonders im Lande­anflug über bewohntem Gebiet eine wichtige Rolle. Eine Möglich­keit diesen Lärm zu reduzieren ist die aktive Rotor­steuerung.

Die Vorteile zeigen sich im Windkanal deutlich: Durch den Einsatz der Mehrfach­taumel­scheibe konnten die DLR-Forscher Vibra­tionen und Lärm­abstrah­lungen im Lande­anflug nun auch am Fünfblatt­rotor erfolg­reich reduzieren. Durch die indivi­duelle Ansteuerung der Blätter verringerte sich der im Lande­anflug zum Boden hin abge­strahlte Rotor­lärm um bis zu 3 Dezibel, was etwa einer Entlastung um 30 Prozent entspricht. Im Hochgeschwindig­keitsflug verringerte sich die benötigte Leistung für den Haupt­rotor, ein Indikator für den Kraftstoff­verbrauch des realen Hubschraubers, um mehr als fünf Prozent. Unan­genehme Vibra­tionen, die im Flug durch den Rotor entstehen, konnten die Wissen­schaftler durch ein neues, adaptives Regelungs­system um mehr als 80 Prozent reduzieren. Ein Hubschrauber­flug könnte also schon bald nicht nur leiser, sondern auch sehr viel ange­nehmer werden.

Für die Unter­suchungen im Nieder­geschwindigkeits­windkanal der Deutsch-Niederl­ändischen Windkanäle (DNW) setzten die Forscher die am DLR entwickelte und patentierte Mehrfach­taumel­scheibe META ein, um die Einstell­winkel der Rotorblätter während des Rotor­umlaufs mehrmals zu verstellen und somit aktiv auf die Lärm- und Vibrations­entwicklung am Hub­schrauber einzu­wirken. „Die META besteht aus zwei mit­einander kombi­nierten Taumel­scheiben, die uns ermöglichen die Rotorb­lätter individuell anzu­steuern“, erklärt SKAT-Projekt­leiter Philip Küfmann vom DLR-Institut für Flugsystem­technik die Funktions­weise, die an einem Vierblatt­rotor bereits erfolgreich erprobt wurde. „Die Heraus­forderung bei einem Fünfblatt­rotor besteht darin, dass die Rotor­blätter asym­metrisch auf die beiden Taumel­scheiben aufgeteilt sind, was die dyna­mische An­steuerung des gesamten Systems verkom­pliziert.“ Die Wissen­schaftler und Techniker des DLR mussten neben neuer Hardware, wie einem Fünfblatt-Rotor­kopf und ange­passten Taumel­scheiben­ringen, auch neue Steuer­algorithmen für das Fünfblatt­system entwickeln.

Bei den Tests im Windkanal kam modernste Mess­technik zum Einsatz: Neben dem Leistungs­bedarf des Haupt­rotors und der Vibra­tionen am Rotorkopf wurden im Windkanal auch die Lärm­emissionen genau vermessen. Mit Hilfe eines Mikrofon-Messfelds aus über 150 Einzel­mikrofonen lassen sich die Lärmquellen innerhalb der Rotor­fläche, wie beispiels­weise das Auftreffen von Blatt­spitzen­wirbeln auf nachfolgende Blätter, genau orten. Die Lärm­abstrahlung am Boden unterhalb des Rotors wird dann über eine bewegliche Mikrofon­traverse vermessen und als „Lärm­teppich“ ausgewertet. Darüber hinaus wurden mit bis zu acht Hoch­geschwindigkeits­kameras zuvor ange­brachte Marker auf den einzelnen Rotor­blättern im Raum vermessen, um so Rück­schlüsse auf die Bewegungen und Verformungen der einzelnen Rotor­blätter im Betrieb ziehen zu können.

DLR / JOL