Rotoren verleihen Hubschraubern ihre einzigartigen Flugeigenschaften, sind aber auch Hauptquelle für ihren Lärm. Forscher des DLR Braunschweig haben jetzt eine neuartige Methode getestet, die Hubschrauber leiser, energiesparender und vibrationsärmer machen soll.
Die Aerodynamik von Rotoren ist unter bestimmten Betriebsbedingungen die Hauptquelle des Lärms, den Hubschrauber erzeugen. Ein großer Teil davon entsteht durch die Wechselwirkung der Rotorblätter mit sogenannten Blattspitzenwirbeln. Diese entstehen durch die Umströmung der Blattspitze infolge eines Druckunterschiedes zwischen Blattunter- (Überdruck) und -oberseite (Unterdruck). Mit der neuen Technologie sollen 30 bis 40 Prozent Lärmverringerung in bestimmten Flugzuständen wie dem Landeanflug möglich sein.
Luftwirbel erzeugen den Lärm
Durch den Druckausgleich an der Rotorblattspitze wird die Luft in Rotation versetzt, und hinter der Blattspitze bildet sich ein kleiner, konzentrierter Wirbel. Der Lärm entsteht dadurch, dass der Wirbel eines Rotorblattes mit dem nachfolgenden Rotorblatt kollidiert. Die dabei auftretenden Wechseldrücke am Rotorblatt verursachen nicht nur das typische „Teppichklopfer-Geräusch“, sondern führen auch zu Vibrationen im Hubschrauber und verringern den Komfort der Passagiere.
Durch geschicktes Verstellen jedes einzelnen Rotorblattes kann die Wirbelstärke deutlich verringert werden – dafür ist eine hochgenaue Änderung des Anstellwinkels des Blattes mehrfach pro Umdrehung notwendig. Versuche, eine solche Einzelblattsteuerung durch den Einbau aktiver Steuerungselemente in die drehenden Rotoren zu realisieren, sind bislang am zu großen technischen Aufwand gescheitert: Öl- oder Stromleitungen im Rotor zur Versorgung der Steuerungselemente sind zu komplex. Die Braunschweiger Forscher haben im Windkanalversuch eine neue Möglichkeit erprobt, mit der eine solche Einzelblattsteuerung ohne diese aufwändigen Steuerelemente im drehenden Rotor möglich ist.
Mehrfach-Taumelscheibe als Kniff
Dafür haben sie ein Kernelement des Hubschrauberrotors verändert: die sogenannte Taumelscheibe, die sich unterhalb des drehenden Rotors befindet. Durch Verschieben und Kippen setzt sie die Steuerbefehle des Piloten um und verändert über sogenannte Steuerstangen den Anstellwinkel der Rotorblätter. Bislang haben Hubschrauber lediglich eine Taumelscheibe, die an Rotoren mit mehr als drei Rotorblättern keine Einzelblattsteuerung ermöglicht.
Die DLR-Forscher haben nun erstmals zwei Taumelscheiben kombiniert und umeinander angeordnet. Damit lassen sich die Rotorblätter so ansteuern, dass die Stärke der Wirbel geringer oder ihr Abstand zu den vorbeifliegenden Rotorblättern kleiner wird. Komplizierte Veränderungen im drehenden Teil des Rotors oberhalb der Taumelscheibe sind nicht notwendig. Entwickelt und patentiert haben dieses Mehrfachtaumelscheiben-System (Multiple Swashplate System META) der Projektleiter Rainer Bartels und Prof. Berend van der Wall vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik.
Bo105 und H145 aufgerüstet
Die Versuche fanden im Niedergeschwindigkeitswindkanal LLF der Deutsch-Niederländischen Windkanäle (DNW) im niederländischen Emmeloord statt. Dabei wurden an einem Hubschraubermodell zwei verschiedene Modell-Rotoren mit dem neuen Taumelscheiben-System getestet: ein älterer nach dem Vorbild einer Bo105 und ein moderner einer H145. Mit dem Hubschraubermodell wurden bei laufendem Rotor verschiedene Flugzustände wie Schnellflug und Landeanflug simuliert. Mikrofone erfassten den Lärm. Eine Vielzahl an Sensoren sowie Hochgeschwindigkeitskameras dokumentierten die elastischen Verformungen der Rotorblätter, um so Rückschlüsse auf die Blattbelastungen zu ermöglichen.
Sowohl bei der älteren wie bei der neueren Rotorkonfiguration stellten die Forscher eine deutliche Verringerung von Lärm, Energieverbrauch und Vibrationen fest. Beispielsweise verringerte sich der Geräuschpegel bei der Bo105-Konfigurartion im simulierten Landeanflug um bis zu 4,5 Dezibel, was einer Verringerung von etwa 40 Prozent entspricht. Für den moderneren und darum bereits leiseren H145-Modellrotor stellten die Forscher eine Verringerung um 3,9 Dezibel fest, was etwa 37 Prozent weniger Lärm entspricht.
Die Vibrationen konnten mit der Mehrfachtaumelscheibe um bis zu 75 Prozent beim Bo105-Rotor und bis zu 52 Prozent beim H145-Rotor reduziert werden – ein großer Gewinn für den Komfort von Passagieren. Darüber hinaus wurden im schnellen Vorwärtsflug Leistungseinsparungen von bis zu vier Prozent (Bo105-Rotor) beziehungsweise 3 Prozent (H145) gemessen.
Auf den Fotos
- Mehrfach-Taumelscheibe: Die patentierte Konstruktion der Mehrfach-Taumelscheibe des DLR.
- Tests für leisere Hubschrauber: Das DLR testet in einem Windkanal eine neuartige Methode für leisere Hubschrauber. Das Modell befindet sich in fast sieben Metern Höhe.
- Hubschrauber können leiser werden: Forscher des DLR Braunschweig haben eine neuartige Methode getestet, die Hubschrauber leiser, energiesparender und vibrationsärmer macht. 30 bis 40 Prozent Lärmverringerung sind bei bestimmten Flugzuständen wie dem Landeanflug möglich. Im Bild der DLR-Forschungshubschrauber EC-135 ACT/FHS.
- Versuchsaufbau mit Modellrotor: Das DLR hat die Untersuchungen mit einem eigenen Versuchsaufbau durchgeführt, der es ermöglicht, verschiedene Hubschrauber-Rotoren in einem verkleinerten Maßstab zu testen.
- Im Kontrollraum: Projektleiter Rainer Bartels (rechts) beobachtet in einem Kontrollraum die eingehenden Daten.
- In schwindelnder Höhe: In fast 7 Metern Höhe überprüfen Wissenschaftler das Modell im Windkanal.
- Messstrecke des Windkanals: Die Untersuchungen fanden in einem der größten und modernsten Windkanäle der Welt statt – dem LLF des DNW in den Niederlanden.
Alle Fotos: Quelle DLR (CC-BY 3.0)
