Um Lärm und gleichzeitig Vibrationen bei Hubschraubern zu reduzieren, untersuchte das Deutsche Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR) im Forschungsprojekt SKAT gemeinsam mit Airbus Helicopters Deutschland eine aktive Rotorsteuerung an einem modernen Fünfblattrotor im Windkanal.
Das Ergebnis: rund 30 Prozent weniger Lärm. Rotoren sind unter bestimmten Betriebsbedingungen die Hauptquelle des Lärms, den ein Hubschrauber erzeugt. Im Vergleich zu Starrflüglern haben aber Hubschrauber in vielen Einsatzsituationen große Vorteile. Sie können im Schwebeflug in der Luft stehen oder senkrecht starten und landen.
Der Hauptrotor, der am Hubschrauber sowohl Quelle des Auftriebs als auch des Vortriebs ist, verursacht aber auch 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.
Effektiv gesteuerte Rotorblätter: Leiser und sparsamer
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 drei Dezibel, was etwa einer Entlastung um 30 Prozent entspricht.
Im Hochgeschwindigkeitsflug mit mehr als 270 km/h 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.
DLR-Patent macht den Unterschied
Für die Untersuchungen zu SKAT (Skalierbarkeit und Risikominimierung von Technologie bei innovativem Design) 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 liegt bei einem Fünfblattrotor in der asymmetrischen Aufteilung der Rotorblätter auf die beiden Taumelscheiben. Dies macht die dynamische Ansteuerung des gesamten Systems deutlich komplizierter. 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 sogenannter „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.
Auf den Bildern
Aktive Rotorsteuerungstechnologien im Windkanaltest: Das DLR testete im Windkanal aktive Rotorsteuerungstechnologien am Fünfblattrotor. Kameras vermessen anhand der angebrachten Marker die Bewegungen und Verformungen der Rotorblätter.
Lärmteppich im Vergleich: Der sogenannte „Lärmteppich“ zeigt die Lärmabstrahlung am Boden unterhalb des Rotors. Die rechte Abbildung zeigt deutlich die Lärmreduktion von bis zu drei Dezibel, die durch die individuelle Rotorsteuerung mit der META erreicht werden kann.
Das Projektteam der SKAT-Versuche im Windkanal: 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.
