Die gemeinsamen Forschungsarbeiten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Rolls-Royce haben in den letzten Jahrzehnten einen deutlichen Beitrag zur Reduktion des Triebwerkslärms geleistet. Die nächste Generation von Rolls-Royce-Flugtriebwerken (UltraFan) soll den Triebwerkslärm im Vergleich zu der aktuellen Triebwerksgeneration noch einmal um bis zu 35 Prozent reduzieren. Gleichzeitig wird von Rolls-Roye eine Reduktion des Kerosinverbrauchs für zukünftige Mittelstreckenflugzeuge um 20 Prozent angestrebt. Um diese Ziele zu erreichen, ist die Entwicklung von Technologien und Verfahren zur Reduktion des Fluglärms an der Quelle besonders wichtig.
Triebwerkskonzepte mit grossem Fan-Durchmesser
Im kürzlich gestarteten Projekt BUZZKATZ (Verbundvorhaben zur Akzeptanz klimafreundlicher Luftfahrttechnologien durch Lärmreduzierung) liegt der Fokus auf der weiteren Lärmminderung für moderne Triebwerkskonzepte mit grossem Fan-Durchmesser. Durch ein höheres Nebenstromverhältnis und den Einsatz eines Hochleistungsgetriebes können moderne Triebwerke deutlich leiser werden. Der Grund ist anschaulich: Ein grösserer Fan bewegt eine grössere Luftmenge langsamer nach hinten. Dadurch muss die Luft weniger stark beschleunigt werden, um den gleichen Schub zu erzeugen. Das reduziert den Strahllärm, der vor allem durch die schnelle Vermischung des Abgasstrahls mit der Umgebungsluft entsteht. Gleichzeitig kann der grosse Fan durch das Getriebe in einem besonders geringeren Drehzahlbereich betrieben werden. Geringere Umfangsgeschwindigkeiten der Fanblätter tragen dazu bei, auch den Fanlärm weiter zu senken.
Eine neue akustische Herausforderung
Gleichzeitig eröffnet diese neue Triebwerksarchitektur die Möglichkeit, das Triebwerksgehäuse kürzer und leichter zu gestalten. Das verringert den Luftwiderstand und hilft, Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen weiter zu senken. Akustisch entsteht dadurch jedoch eine neue Herausforderung: In einem kürzeren Einlauf bleibt weniger Platz für schalldämpfende Auskleidungen. Ausserdem kann die anströmende Luft vor dem Fan weniger gut beruhigt und gleichmässig verteilt werden. Solche ungleichmässigen Strömungen am Triebwerkseintritt können zusätzliche Fan Geräusche verursachen. Damit die neue Architektur insgesamt tatsächlich leiser wird, muss diese mögliche Lärmerhöhung beim installierten Triebwerk genau verstanden, vorhergesagt und durch geeignete Massnahmen begrenzt werden.
Forschung zur Triebwerksakustik in Berlin
Um diese Effekte in der Triebwerksentwicklung berücksichtigen zu können, untersucht die Abteilung Triebwerksakustik des DLR-Instituts für Antriebstechnik in Berlin sie sowohl in Computersimulationen als auch experimentell am modularen Fan-Prüfstand CRAFT (Co/Contra-Rotating Acoustic Fan Test Rig). Ergänzend werden am Strömungsakustik-Prüfstand DUCT innovative Konzepte für schalldämpfende Triebwerksauskleidungen erforscht. Mithilfe hochauflösender Mikrofonarrays, also Anordnungen vieler einzelner Mikrofone zur präzisen räumlichen Ortung von Schallquellen, lokalisieren und bewerten Forschende dominante Lärmquellen.
Rege Nutzung von Analyse- und Messkompetenzen
«Rolls-Royce und seine Zulieferer nutzen unsere Analyse- und Messkompetenzen intensiv: in der Analyse der Schallfelder im Strömungskanal, der Modellierung schalldämpfender Strukturen und bei Innenlärmmessungen von Triebwerken. Dadurch lassen sich akustische Fragestellungen frühzeitig in Designentscheidungen integrieren, was Entwicklungszeiten und -kosten signifikant reduziert», sagt Dr. Robert Jaron, Leiter der Abteilung Triebwerksakustik. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Qualifizierung von Nachwuchsingenieurinnen und -ingenieuren im Bereich der Aeroakustik – ein wichtiger Beitrag zur Sicherung der Systemkompetenz in der Triebwerksentwicklung in Deutschland.
Rauschen stört weniger
Im Aeroakustik-Windkanal Braunschweig (AWB) wird der Lärm infolge der Installation des Schubstrahls mit dem Flügel und ein spezielles Schallausbreitungsphänomen bei Turbinentönen untersucht. Dieses Phänomen entsteht, wenn Turbinentöne durch den stark verwirbelten Rand des Schubstrahls treten. Der Schall wird dabei gestreut und auf viele Frequenzen verteilt. Statt einzelner klarer Töne entsteht so ein eher rauschendes Geräusch, das als weniger störend empfunden wird. «Diese Daten dienen der Validierung von numerischen Simulationsverfahren für Strömung und Schall sowie Vorhersagemodellen für den neuen UltraFan, was teure Grossversuche ersetzen kann», erklärt Prof. Jan Delfs, Leiter der Abteilung Technische Akustik.
Abschirmung durch Tragflächen
Für die Entwicklung von leiseren Flugzeugkonfigurationen simulieren die Forscherinnen und Forscher zudem die Abschirmung durch Tragflächen (Wing Shielding). Messungen am DLR-Forschungsflugzeug HALO haben die eingesetzten Simulations-Methoden erfolgreich validiert. Für die Vorhersage von Kabinengeräuschen untersuchen die Forschenden, wie sich Triebwerkslärm am Flugzeug ausbreitet. Dazu gehört, wie der Schall an der Flugzeugstruktur reflektiert wird und wie ihn die turbulente Strömung nahe dem Rumpf verändert.
Europäischer Luftfahrtbeirat will mehr
Bereits seit den 1970er-Jahren wird der Fluglärm durch internationale Standards und verbindliche Lärmgrenzwerte reguliert. Moderne Flugzeuge sind heute deutlich leiser als noch vor wenigen Jahrzehnten. Die angestrebte Reduktion des Triebwerkslärms um 35 Prozent könnte laut Prognosen ausreichen, um den erwarteten Anstieg der Flugbewegungen bis 2050 zu kompensieren, ohne dass die absolute Lärmbelastung zunimmt. Dieses Ziel liegt jedoch noch unter den Vorgaben des europäischen Luftfahrtbeirats ACARE, der eine deutlich höhere Reduktion der wahrgenommenen Lärmemissionen bis 2050 anstrebt. Das DLR und Rolls-Royce planen daher, ihre Zusammenarbeit auch künftig in nationalen und europäisch geförderten Forschungsprojekten fortzusetzen, um Fluglärm weiter zu reduzieren und die Luftfahrt klimaverträglicher zu gestalten.
