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Leitung:

 

Dr. K. Haag
Umweltkonzepte Konzern
Deutsche Lufthansa AG, Frankfurt

 

Lärmoptimierte An- und Abflugverfahren (LANAB)

Lärmminderung an Triebwerk und Zelle
Schwerpunke und Aufgabenpakete
(im Rahmen LuFo 3 beim BMWA):
LEXMOS, NASGet, FREQUENZ

 

 

Kurzbeschreibungen:
LANAB
LEXMOS,
NASGeT,
FREQUENZ
Beiträge DLR und Lufthansa

 

Schwerpunkt LANAB - Lärmoptimierte An- und Abflugverfahren

 

 

Leitung: Prof. W. Neise

DLR - Institut für Antriebstechnik, Abteilung Turbulenzforschung
Mueller-Breslau-Str. 8
10623 Berlin 

 

 

 

Das Projekt ist abgeschlossen, den Abschlussbericht finden Sie hier.

Kurzbeschreibung  

Die in den nächsten Jahren zu erwartende weitere Verringerung der Triebwerksgeräusche und die einsetzenden Erfolge bei der Verringerung der Umströmungsgeräusche werden erst langfristig die Lärmsituation an den Flughäfen verbessern, weil die Verbesserung nur bei neuen Flugzeugmustern wirksam wird und die heute eingesetzten Flugzeuge noch Jahrzehnte in Betrieb bleiben werden. Eine kurzfristig erzielbare Lärmminderung ist dagegen erreichbar durch leisere An- und Abflugverfahren. Die Entwicklung und Überprüfung solcher Verfahren ist Ziel des im Folgenden vorgestellten Schwerpunkts.

Die Flugverfahren wurden auch in der Vergangenheit im Hinblick auf eine Verringerung der Lärmimmission optimiert. Dies geschah allerdings zu einer Zeit, als die Schallleistung der Triebwerke noch mehrfach höher war als bei den heute weit verbreiteten Flugzeugtypen. Bei der Landung spielten damals die Umströmungsgeräusche im Vergleich zu den lauten Triebwerksgeräuschen eine untergeordnete Rolle. Diese Situation hat sich geändert. Während die Triebwerksgeräusche in den letzten drei Jahrzehnten erheblich reduziert werden konnten, haben die Umströmungsgeräusche möglicherweise sogar zugenommen, da die Hochauftriebshilfen technisch immer komplizierter wurden und die Landegeschwindigkeiten sich erhöht haben. Allein dieser Umstand rechtfertigt eine erneute Beschäftigung mit der Optimierung der Start- und Landeverfahren im Hinblick auf die Lärmbelastung in der Umgebung von Flughäfen.  

Eine rein experimentelle Erprobung neuer Start- und Landeverfahren verbietet sich wegen der Vielzahl der zu behandelnden Varianten aus Kosten- und Zeitgründen, und auch weil die Reproduzierbarkeit der Versuchsbedingungen bei den Flugversuchen nicht in ausreichendem Maße gesichert erscheint. Aus diesem Grund soll in dem Projekt die Untersuchung und Bewertung unterschiedlicher Flugverfahren auf der Basis von Simulationsprogrammen vorgenommen werden, um lärmoptimale Verfahren zu finden, die anschließend durch Flugversuche verifiziert werden.

Die Verfügbarkeit eines zuverlässigen, validierten Simulationstools für die Beschreibung der Schallquellen und der Schallausbreitung ist eine unabdingbare Voraussetzung für jegliche Untersuchungen über den Einfluss von Änderungen bei Start- und Landeverfahren auf der Basis von Berechnungsverfahren. Dazu gehört die genaue Kenntnis der Geräuschemission der einzelnen Schallquellen des Flugzeuges, also des Einflusses von Fluggeschwindigkeit, Flugzeugmasse, Triebwerksleistung, Klappenstellung und Fahrwerkposition auf die Schallemission als Funktion des Emissionswinkels in und quer zur Flugrichtung. Außerdem müssen die Einflüsse von Wind- und Temperaturprofilen auf die Schall­aus­breitung bekannt sein. Die heute üblichen Quell- und Ausbreitungsmodelle erfüllen diesen Anspruch bei weitem nicht.

Die Erarbeitung eines verbesserten Simulationstools, seine Anwendung zur Untersuchung geeigneter lärmreduzierter Flugverfahren und die daran anschließende Verifizierung durch Flugversuche sind die wesentlichen Elemente der hier vorgelegten Projektskizze. Der Schwerpunkt "Lärmoptimierte An- Abflugverfahren" ist in die folgenden fünf Aufgabenpakete untergliedert:  

1610  Modellierung der Schallquellen an Verkehrsflugzeugen

Die hier vorgeschlagenen Arbeiten zur detaillierten Beschreibung der einzelnen Geräuschquellen bei Verkehrsflugzeugen umfassen die Auswertung bereits durchgeführter Windkanalmessungen an Fahrwerken und Hochauftriebssystemen, die Auswertung bereits durchgeführter Überflugmessungen an Airbus-Flugzeugen und die Durchführung einer Messkampagne auf dem Flughafen Schwerin-Parchim (Mecklenburg-Vorpommern) mit einem Airbus A319 zur Gewinnung weiterer, unbedingt erforderlicher Daten.  

1620  Entwicklung eines Berechnungsverfahrens für die Lärmkonturen beim An- und Abflug von  Verkehrsflugzeuge

Zur Beurteilung der Folgen von Änderungen bei den Start- und Landeverfahren auf die Lärmimmission in der Umgebung von Flughäfen müssen die Quell- und Ausbreitungsmodelle in bestehende Fluglärmberechnungsverfahren eingearbeitet werden.

Die notwendigen Aktivitäten zur Entwicklung der Schallausbreitungsmodelle für den Fluglärm werden im Rahmen des DLR/HGF-Strategiefond-Projekts "Leiser Flugverkehr" geleistet und werden deshalb hier nicht beantragt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten fließen in den vorliegenden Schwerpunkt 1600 ein.

1630  Abschätzung des Lärmminderungspotenzials und der Fliegbarkeit von An- und Abflugverfahren  

In diesem Aufgabenpaket geht es um die Frage, ob es für die heute üblichen Landeverfahren leisere Alternativen gibt, beispielsweise durch Flug mit der minimal möglichen Triebwerksleistung über weite Strecken des Anfluges, Ausfahren des Fahrwerkes so spät wie möglich, Fliegen mit niedrigstmöglicher Fluggeschwindigkeit, weil hierdurch der Umströmungslärm minimiert wird, Fliegen mit möglichst großer Flughöhe, Nutzung der Flächennavigation zur Durchführung von 4-D-Anflügen (die 4. Dimension ist die Zeit). Auch beim Abflug können verschiedene Parameter geändert werden; so kann auch untersucht werden, ob für bestimmte Flughäfen eine Führung von Abflugrouten entlang Autobahnen ("Lärm­bün­delung") und/oder unter Berücksichtigung der meteorologischen Bedingungen sinnvoll ist.  

Bei Veränderungen der An- und Abflugprozeduren zur Reduzierung der Lärmimmission müssen selbstverständlich gleichzeitig die sicherheitsrelevanten Aspekte berücksichtigt werden, die sich aus der möglicherweise erhöhten Arbeitsbelastung der Piloten ergeben. Dazu werden flugmedizinische Untersuchungen bei unterschiedlichen Flugverfahren und –szenarien erfolgen. Unter dem Aspekt "Sicherheit geht vor Lärm" kann dieser Punkt entscheidend sein für die Akzeptanz und Realisierbarkeit veränderter An- und Abflugverfahren.  

1640  Durchführung einer Messkampagne zur Verifizierung des prognostizierten Lärmminderungspotenzials lärmarmer Start- und Landeverfahren

 

Die Simulationsergebnisse müssen durch Flugtests mit einem Verkehrsflugzeug, ebenfalls auf dem Flughafen Schwerin-Parchim, mit genau vermessenen Starts und Landungen validiert werden. Dies ist mit den im Rahmen der Entwicklung der Quell- und Ausbreitungsmodelle durchgeführten Flugtests (1610) nicht möglich, bei denen Überflüge mit unterschiedlichen Triebwerks-, Klappen- und Fahrwerkskonfigurationen bei konstanter Flughöhe über dem Messpunkt durchgeführt werden. Überdies liegen auch zum Zeitpunkt der ersten Messkampagne die Ergebnisse des Aufgabenpakets 1630 noch nicht vor.

1650  Übertragung von Teilergebnissen der Aufgabenpakete 1620/1640 in das Programm NIROS der Deutschen Flugsicherung  

Das Programm NIROS dient der praktischen Umsetzung von wissenschaftlichen Verfahren zur Fluglärmsimulation und -minimierung bei der Planung von Abflugrouten. Kern des Programms ist die Bewertung von Fluglärmeinflüssen anhand einer Gewichtung des beim Abflug entstehenden Lärmpegels mit der örtlichen Bevölkerungsverteilung. Die durch diese Gewichtung entstehende Kennzahl (Gütewert) liefert unter den vorgege­benen Bedingungen eine objektive und vergleichbare Bewertung der untersuchten Abflugtrajektorien.

Ziel des Aufgabenpakets 1650 ist es, die im DLR/HGF-Strategiefonds-Projekt „Leiser Flugverkehr“ und im Schwerpunkt 1600 erarbeiteten Erkenntnisse zur Schallemission am Flugzeug, zur Schallausbreitung in der Atmosphäre und zur Schallimmission am Boden in die entsprechenden NIROS Softwaremodule zu integrieren bzw. die vorhandenen durch die neu entwickelten Verfahren zu ersetzen. Damit soll sichergestellt werden, dass diese Verfahren auch in der Praxis der Routenplanung der Deutschen Flugsicherung Anwendung finden und damit genauere und zuverlässigere Grundlagen genutzt werden.  

Der für die Bearbeitung in Aussicht genommene Zeitplan ist wie folgt:

1610     Modellierung der Schallquellen

Monate 01-24

1620     Entwicklung des Berechnungsverfahrens

Monate 25-30

1630     Lärmminderungspotenzial und Fliegbarkeit

Monate 01-42

1640     Messkampagne zur Verifizierung

Monate 43-48

1650     Ergebnisübertragung nach NIROS

Monate 01-48

Der zeitliche Versatz der Aufgabenpakete 1620 und 1640 ist dadurch bedingt, dass für ihre Durchführung die Arbeitsergebnisse der Aufgabenpakete 1610 bzw. 1630 benötigt werden.

Die in diesem Projekt zu entwickelnden Berechnungsverfahren erlauben eine wesentlich genauere Bestimmung der Lärmimmission als bislang möglich. Damit lassen sich über das vorliegende Projekt hinaus zukünftig auch genauere Aussagen für betroffene Regionen hinsichtlich des zu erwartenden Lärms bei steigendem Verkehrsaufkommen machen, was für Planungen von Flughafenerweiterungen wichtig ist.

Die durch lärmoptimierte An- und Abflugverfahren erreichbare Lärmminderung ist schwer zu quantifzieren, weil sie sehr stark von den örtlichen Gegebenheiten der jeweiligen Flughäfen und den dort bereits eingeführten Flugprozeduren abhängt. Das Lärmminderungspotenzial liegt lokal im Bereich von 3 bis 6 dB. Generell dürften Gebiete in der erweiterten Flughafenumgebung (mehr als 10 km vom Startbahnsystem) stärker entlastet werden als die direkte Umgebung des Flughafens.

Partner:  

Deutsche Flugsicherung GmbH, Langen
Deutsche Lufthansa AG,
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Antriebstechnik, Abteilung Turbulenzforschung, Berlin
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Göttingen
Institut für Flugführung, Braunschweig
Institut für Flugsystemtechnik, Braunschweig
Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Köln
Institut für Physik der Atmosphäre, Weßling
EADS Corporate Research Center, Aeroacoustics, Ottobrunn
Institut für Flugführung der Technischen Universität Braunschweig, Braunschweig
Ingenieurbüro akustik-data, Berlin
Design-/Objekt-/Stadtplanung, Frankfurt
Flughafen Schwerin-Parchim, FPM Flughafen Parchim Mecklenburg GmbH, Parchim
Flughafen München GmbH, Abteilung Umweltschutz, München
Ingenieurbüro SIMULOPT für Simulation und Optimierung, Maintal
Institut für Luft- und Raumfahrt der Technischen Universität Berlin, Berlin
Institut für Meteorologie und Klimatologie, Universität Hannover,
Dr. Ludwig May, Alsbach
Meteorologisches Institut der Universität München, München
Technisch-Mathematische Studiengesellschaft mbH, Bonn
Zentrum für Flugsimulation GmbH, Berlin
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Schwerpunkt LEXMOS - Leise Düsenaustrittsysteme und moderne Schallquellenortung im Bereich Leises Verkehrsflugzeug

 

 

Leitung: Dr. Fredi Holste Rolls-Royce Deutschland,

Eschenweg 11
15827 Dahlewitz

 

Das Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des BMWA gefördert

 

Kurzbeschreibung

Mit dem Verbundprojekt „LEXMOS“ werden innerhalb des Forschungsverbundes „Leiser Verkehr“ zwei Aufgabenpakete zum Thema „Antriebslärm“ bearbeitet. Es handelt sich hierbei um das Paket „Leise Düsensysteme“ und das Paket „Schallquellenortung“, zwei Themenbereiche mit unmittelbarem Anwendungspotenzial am Verkehrsflugzeug. Der Hintergrund und die Motivation der vorwiegend experimentellen Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen.

Das zukünftig zu erwartende weitere Anwachsen des Luftverkehrs in Europa, aber auch das wachsende Umweltbewusstsein der Menschen fordert zwingend eine Reduzierung der Abstrahlung aller Lärmquellen am Flugzeug, um die Lärmbelastung der Umwelt zu senken bzw. nicht weiter zu erhöhen. Zukünftig strengere behördliche Auflagen tragen dieser Entwicklung ebenfalls Rechnung. Dies widerspiegelt sich in den maximal zulässigen, effektiv wahrgenommenen Lärmpegeln („Effective Perceived Noise Level“ – EPNL), festgelegt in den neuen Stage 4 Grenzwerten der FAR Part 36 bzw. ICAO, Annex 16 Regularien. Diese Grenzen treten bereits ab dem Jahr 2006 in Kraft und liegen kumulativ 10 EPNLdB unter den gegenwärtig gültigen Limits von Stage 3.

Diese strengeren Limits bedeuten gleichzeitig, dass die Fluggesellschaften Flugzeuge mit leiseren, umweltfreundlichen Antrieben fordern, die die vorgeschriebenen Lärmlimits von Stage 4 nicht nur wesentlich unterschreiten, sondern auch zukünftige Lärmlimits (Stage 5) erfüllen, denn die Lebensdauer von Flugzeugen beträgt ca. 30 Jahre. Neben den internationalen Vorschriften werden sich auch die individuellen Vorschriften der Flughäfen weiter verschärfen, so dass die Nachfrage nach leiseren Flugzeugen erheblich steigen wird.

Aus diesen Aspekten leitet sich die Forderung ab, neue primäre und sekundäre Lärmminderungstechnologien zu entwickeln und für die Praxis einsatzbereit zu machen.

 

Aufgabenpaket  Leise Düsensysteme
Partner:

Rolls-Royce Deutschland
DLR Berlin, Institut für Antriebstechnik, Abteilung Turbulenzforschung
Dornier GmbH Friedrichshafen, Abteilung Vibroakustik

 

Kurzbeschreibung der Arbeiten

Die Reduzierung des Strahllärms wird auch weiterhin das Ziel zukünftiger akustischer Untersuchungen am Triebwerk sein. Der in der Vergangenheit beschrittene Weg, den Strahllärm durch Verringerung der Strahlgeschwindigkeit zu mindern, d.h. das Nebenstromverhältnis (BPR) des Triebwerks bei gleicher Schubanforderung zu erhöhen, ist an seine technischen Grenzen gestoßen. Eine weitere Vergrößerung des Mantelstroms, ist aus Gründen, die das Gesamtkonzept der Maschine und deren Applikation am Flugzeug betreffen technisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll bzw. nicht möglich.

Das Aufgabenpaket „Leise Düsensysteme“ im Schwerpunkt „Antriebslärm“ behandelt deshalb die Entwicklung primärer Lärmminderungsmaßnahmen am Triebwerksstrahl. Insbesondere zeigen bereits vorliegende Erfahrungen, dass die Form des Strahlaustrittes (Düsenlippe) einen Einfluss auf den erzeugten Lärm hat. Bild 1 zeigt eine so genannte „Serrated Nozzle“ an einem Experimentaltriebwerk während eines Tests von Lufthansa in Kooperation mit dem DLR, um die prinzipielle Möglichkeit der Strahllärmminderung mittels „Serrations“ zu demonstrieren. Es handelt sich hierbei um eine primäre Lärmminderungsmaßnahme durch die Beeinflussung der Schallentstehung.

 

Bild 1:   „Serrated Nozzle“ Applikation an einem CFM-56 Triebwerk

Neben der Reduzierung des Strahllärms wird im Aufgabenpaket „Schallquellenortung“, innerhalb des Schwerpunktes „Antriebslärm“, eine kostengünstige Meßmethode zur Untersuchung innovativer Lärmreduktionstechnologien, z. B. eines neuartigen Schallabsorberkonzeptes, entwickelt und erprobt.
Aufgabenpaket Schallquellenortung
Partner:

Rolls-Royce Deutschland
DLR Berlin, Institut für Antriebstechnik, Abteilung Turbulenzforschung

Kurzbeschreibung der Arbeiten

Ein wirtschaftlicher Aspekt bei der Erprobung der Maßnahmen am Triebwerk in der Praxis sind die Testkosten. Um die Wirksamkeit akustischer Maßnahmen am Triebwerk zu quantifizieren, sind Tests unter reproduzierbaren, akustischen Freifeldbedingungen notwendig. Diese Anforderungen können aufgrund der erforderlichen Mikrofonabstände und Luftströme nicht in reflexionsarmen Räumen durchgeführt werden. Deshalb werden akustische Messungen an realen Triebwerken im Freien, auf speziellen akustischen Prüfständen, durchgeführt, die sehr kostenintensiv sind (Bild 2, links).

 

Bild 2:  Akustische Freifeldmessung in Hucknall, UK (links), geschlossener Triebwerksprüfstand in Dahlewitz bei Berlin (rechts)

Die Mikrofonantennentechnik bietet das Potenzial, auch unter akustisch ungünstigen Verhältnissen (Wandreflexionen), das abgestrahlte Schallfeld zu ermitteln, wie z.B. in einem geschlossenen Versuchsstand (Bild 2, rechts). Diese Technologie wird im Rahmen des Aufgabenpaketes weiterentwickelt und getestet. Die messtechnische Erfassung der Effekte von Lärmminderungsmaßnahmen in der Praxis, gleichzeitig mit routinemäßigen Triebwerkstests in geschlossenen Prüfständen, erlaubt eine sehr frühe Bewertung der Maßnahme und bietet ein enormes Kosteneinsparungspotenzial.

Eine erste Anwendung dieser neuen Mikrofonmesstechnik wird die experimentelle Beurteilung der Wirksamkeit eines neuartigen Schallabsorbers, der vom DLR Berlin entwickelt wurde, sein.
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Schwerpunkt NASGeT: Neuartige aktive/passive Systeme zur Geräuschminderung an Triebwerken

 

 

Leitung: Dr. Michael Bauer
EADS Dornier GmbH
88039 Friedrichshafen
 

 

Das Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des BMWA gefördert

I. Ziele des Verbundvorhabens NASGeT.

Ziel des Verbundes „Neuartige aktive/passive Systeme zur Geräuschminderung an Triebwerken" (NASGeT) ist es, die technische Anwendung aktiver/passiver Maßnahmen zur Schallbekämpfung an Triebwerken näher an die praktische Anwendung heranzuführen, als dies bisher der Fall war. Innerhalb des Forschungsverbunds „Leiser Verkehr" wird sich NASGeT mit der Minderung des Lärms direkt an der Quelle befassen. Und dies ist eine der Hauptaufgaben des „leisen Verkehrs", auf dem Weg zur Erreichung des langfristigen Zieles, nämlich nach Möglichkeit die Lärmbelastung in der Nähe von Flughäfen zu halbieren.

Bisherige Untersuchungen am Triebwerkseinlauf wurden für verringerte Triebwerksdrehzahlen durchgeführt. Dabei haben sich die theoretischen und experimentellen Arbeiten im Wesentlichen auf rein tonale Geräuschanteile beschränkt. Auch ging es dabei – die räumliche Abstrahlcharakteristik betrachtet - um mehr oder weniger globale Schallpegel-reduzierung bei den jeweiligen Drehklängen.

In NASGeT soll bei höheren Drehzahlen gearbeitet werden, die dem realen Betriebszustand entsprechen. Dabei werden u.a. hinsichtlich des Frequenzbereichs sowohl an die Aktuatoren als auch die Regelkreise höhere Anforderungen gestellt. Daneben sollen neuartige Aktuatoren (aeroakustischer Aktuator) sowie verbesserte Kombinationen aus aktiven/passiven Systemen (aktives Absorberarray) entwickelt, gebaut und getestet werden. Ein Teil der Arbeiten soll unter dem Aspekt einer Schallpegelminderung für gezielte Winkelbereiche erfolgen, die für die Geräuschimmission von besonderer Bedeutung sind, also eine gezielte Richtcharakteristik erzeugen. Eine Konzeptstudie für eine Regelung zur breitbandigen Geräuschbekämpfung soll die Arbeiten am Triebwerkseinlauf abrunden.

Neben den Einlaufgeräuschen des Triebwerks ist auch der Abgasstrahl eine wesentliche Geräuschquelle des Triebwerks. NASGeT wird hier eine experimentelle Studie zur aktiven Strahllärmkontrolle erstellen.

Für den Verdichterbereich ist die Anpassung vorhandener, für die Auslegung relevanter Tools sowie eine generelle Studie über aktive/passive Konzepte geplant. Ebenfalls als Konzeptstudie soll ein verbesserter aktiver Stator entworfen werden, der den Anforderungen an den Einsatz im Triebwerk besser entspricht als bisherige Lösungen.

Zum Nachweis der Leistungs- und Funktionsfähigkeit sind in allen Bereichen Labor- und Prüfstandsexperimente geplant. Tests am realen Triebwerk sind nicht vorgesehen.

Da die Relevanz des Themas „Lärm" – auch durch die Vorgaben des Gesetzgebers - in den nächsten Jahren noch zunehmen wird, ist eine Erarbeitung von Zielwerten und Randbedingungen für die zukünftigen schalltechnischen Anforderungen an Triebwerke ebenfalls Bestandteil von NASGeT. Diese Zielwerte/Randbedingungen sollen in der Zukunft als planerische Grundlage für die Auslegung verwendet werden können.

NASGeT fügt sich mit seinen geplanten Aufgabenpaketen folgendermaßen in den Verbund „Leiser Verkehr" ein (AP = Aufgabenpaket; EA = Einzelaufgabe)

Schwerpunkt 5300 Aktive / passive Minderung / NASGeT

Aufgabenpaket 5310 Aktive Schallminderung bei Triebwerksgebläsen (Fan)

EA 5311: Aeroakustischer Aktuator
EA 5312: Aktives Absorberarray
EA 5313: Breitbandige aktive Lärmminderung
EA 5314: Anpassung / Verbesserung Reglerkonzepte
EA 5315: Anpassung Fanmodell-Prüfstand für akustische Untersuchungen
EA 5316: Versuchsdurchführung, Schallfeldanalyse, Modenzerlegung

Aufgabenpaket 5320 Aktive Schallminderung bei Triebwerksverdichtern
EA 5321: Anpassung relevanter Auslegungstools
EA 5322: Aktive/passive Konzepte für Verdichter
EA 5333: Konzeptstudie verbesserter aktiver Stator für Verdichter
Aufgabenpaket 5330 Aktive Strahllärmminderung
EA 5331: Konstruktion, Fertigung, Montage Prüfstand
EA 5332: Auswahl, Design und Fertigung Aktuatorik
EA 5333: Experimentelle Studie Strahllärmmechanismen
EA 5334: Versuche und Auswertung Strahllärmminderung

Aufgabenpaket 5340 Spezifikationen und Verwertung
EA 5341: Definition Zielwerte / Randbedingungen
EA 5342: Spezifikation Fan-Prüfstand
EA 5343: Spezifikation Strahllärmprüfstand
EA 5344: Spezifikation Aktuatorik (Sensor- und Aktuatorarrays)
EA 5345: Ergebnisbewertung und Erarbeitung von Anwendungskonzepten

II. Stand der Wissenschaft und Technik

m Rahmen nationaler und europäischer Forschungsprogramme sind bereits umfangreiche Untersuchungen zur aktiven Verminderung der tonalen Geräuschanteile an Fans mit wandbündig im Strömungskanal eingebauten Lautsprechern durchgeführt worden. Auf nationaler Ebene wurden z.B. im Rahmen von AG Turbo Turbotech 2 die Versuche am CRISP-1m-Modell des DLR durchgeführt. Diese sollen im Rahmen des Verbundprogramms NASGeT weitergeführt werden, da noch Entwicklungsbedarf besteht hinsichtlich

  • Baugröße und Leistungsfähigkeit der Aktuatoren generell
  • Erhöhung des Frequenzbereiches
  • breitbandiger Lärmminderung
  • Anpassung der Regelungsprinzipien an die neuen Anforderungen (z.B. Drehzahl)
  • Effizienz und Integrierbarkeit der Aktuatoren/Absorber
  • neuartiger Aktuatorprinzipien (z.B. aeroakustischer Absorber)
  • Beeinflussung der Richtcharakteristik zur Lärmminderung in ausgewählten, immissionsrelevanten Winkelbereichen.

Für den Strahllärm ist ein besseres Verständnis der Entstehungsmechanismen und eine realistische Einordnung des Minderungspotentials durch eine aktive Kontrolle bei Einsatz von aktiven Strömungsklappen an der Düsenaustrittskante von großem Interesse und notwendig. Hier gibt es bisher noch keine vergleichbaren Lösungen.

Weiterhin wurde in den letzten Jahren im Rahmen der EU-Projekte RANNTAC und RESOUND intensiv an der Entwicklung aktiver Statoren und an aktiven/passiven Maßnah-men im Triebwerkseinlauf gearbeitet. Zurzeit laufen Arbeiten im Rahmen des EU-Projektes Silence®, die auf eine Validierung der entwickelten Systeme im Großversuch abzielen. Dabei besteht noch großes Interesse an einer wirkungsvollen Kombination aus aktiven und passiven Systemen im Einlaufbereich, die insgesamt eine höhere Pegelminderung verspricht als aktive und passive Maßnahmen jeweils für sich eingesetzt. Auch für den Stator ist noch

Handlungsbedarf unter dem Aspekt der im Triebwerk einsetzbaren Abmessungen und der statischen Festigkeit gegeben.

III. Rolle und Beitrag der Partner

Die Partner haben innerhalb des Verbundes eine gleichberechtigte Rolle. Die Zusammenarbeit wird über einen Kooperationsvertrag geregelt. Weiterhin hat jeder der Verbundpartner die Verantwortung als Leiter für ein Arbeitspaket übernommen. Jeder Leiter sorgt dafür, dass innerhalb seines Arbeitspaketes die gemäss der Planung vorgesehenen Arbeiten, in Übereinstimmung mit dem Gesamtterminplan, ausgeführt werden.

Die Beiträge der Verbundpartner von NASGeT können im Einzelnen wie folgt beschrieben werden:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Das DLR-Institut für Antriebstechnik ist mit seinen Arbeitsgruppen in Köln und Berlin für den gesamten Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung und die Schallfeldanalyse in Ansaugkanal des Propfanmodells und in der stromauf davon angeordneten Beruhigungskammer verantwortlich. Um dort näherungsweise die Schallausbreitungsbedingungen eines akustischen Freifeldes herzustellen, müssen die Wände der Beruhigungskammer schallabsorbierend ausgekleidet werden. Die Richtcharakteristik des abgestrahlten Schallfelds wird durch Schallmessungen an zahlreichen Messpositionen in Abhängigkeit vom Umfangs- und Polarwinkel erfasst. Das Schallfeld im Zuströmkanal wird mit wandbündigen Mikrofonen an zahlreichen Axial- und Umfangspositionen vermessen. Dazu wird eine Mikrofontraversierung hergestellt und in den Versuchsstand eingebaut. Die gemessenen Schallfeldverteilungen

werden mittels eines vorhandenen Radialmodenanalyseprogramms in einzelne Kanalmoden zerlegt, für die Fälle ohne und mit aktiver Schallminderung, um die Wirksamkeit der getroffenen Maßnahmen im Detail beurteilen zu können.

Dornier GmbH

Dornier tritt als Federführer des Verbundes auf. Im Rahmen des Verbundes wird Dornier eine Grundlagenstudie zur aktiven Strahllärmkontrolle durchführen. Den Arbeiten geht eine vorbereitende Untersuchung der Strahllärmmechanismen voraus. Das Ziel der Arbeiten ist ein besseres Verständnis der Strahllärmmechanismen sowie eine realistische Einordnung

des Strahllärmminderungspotentials durch eine aktive Kontrolle bei Einsatz von aktiven Strömungsklappen an der Düsenaustrittskante. Darüber hinaus ist die Entwicklung eines aktiven Absorberarrays geplant, eine optimierte Kombination aus passivem Lining (Absorber) und aktiven Systemen. Hierzu gehören die Weiterentwicklung piezoelektrischer Aktuatoren, die Ermittlung einer optimalen Konfiguration von Absorbern und Aktuatoren sowie Verifikation der Wirkung des aktiven Absorberarrays im Test. Zusätzlich erfolgt eine Konzeptstudie für den verbesserten aktiven Stator. Hier sind neben Designstudien auch Berechnungen geplant, deren Ergebnisse von MTU Aero Engines GmbH weiterverwendet werden.

EADS Deutschland GmbH (EADS-CRC)

EADS CRC wird durch die Entwicklung der Regelungsverfahren und der Mitarbeit bei den Tests am Fan-Teststand zu den Gesamtzielen beitragen. Die Arbeiten zur Breitbandregelung und effizienter Aktuatoren stellen einen weiteren Schritt zur Verbesserung des Kosten/ Nutzen Verhältnisses der aktiven Lärmminderung am Triebwerkseinlauf bzw. im Nebenstromkanal dar. Hauptziele sind dabei die Erhöhung des Frequenzbereichs, die Konzeptentwicklung für breitbandige Regelung und für neuartige aeroakustische Aktuatoren. Hierzu wird eine Studie für ein neuartiges Aktuatorprinzip durchgeführt, welches aeroakustische Quellmechanismen (Umlenkung und Kompression eines Luftstromes) ausnutzt.

MTU Aero Engines GmbH

Die geplanten Arbeiten von MTU Aero Engines GmbH beziehen sich auf den Verdichterbereich des Triebwerkes. Zunächst soll eine Erweiterung bestehender Rechenverfahren auf die Piezo-Aktuatoren auf den Verdichterschaufeln, auf Ein- und Ausblasung auf den Schaufeln sowie auf Oberflächen mit endlicher Impedanz erfolgen. Weiterhin sollen verschiedene aktive/passive Konzepte im Verdichter untersucht werden, darunter Maßnahmen wie Anregung am Schaufelfuß, Bestückung mit Piezo-Aktuatoren sowie Ein- und Ausblasung. Abgerundet werden die Arbeiten von MTU Aero Engines GmbH durch eine Studie zur konstruktiven Machbarkeit und eine detaillierte Konstruktion einer ausgewählten Aktuatorik.

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Schwerpunkt
Forschung zur Reduktion und Ermittlung des Quelllärms mittels Experiment und Numerik bei Zivilverkehrsflugzeugen im Bereich Leises Verkehrsflugzeug
 

 

Leitung:

Dr. K. Haag Deutsche Lufthansa AG , Frankfurt  
 

 

Das Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des BMWA gefördert
Kurzbeschreibung

1.  Herausforderungen

In den vergangenen dreißig Jahren der Flugzeugentwicklung sind beachtliche Fortschritte in der Effizienzsteigerung von Flugzeugen erzielt worden. Damit einher ging auch eine drastische Reduktion der Lärmemissionen. Dies ist zurück zu führen auf die verbesserte und optimierte Aerodynamik der Zelle und auf die neue Generation von Triebwerken mit der Einführung von Turbo-Fan-Triebwerken. Als Beispiel für den erzielten Fortschritt kann der Flughafen Frankfurt dienen, bei dem trotz eines Anstiegs der Flugbewegungen zwischen 1990 und 2002 um ca. 50 % der gemessene Leq über 24 Stunden während der sechs verkehrsreichsten Monate über die 25 Messstationen gemittelt gesunken ist.

Trotz der z.B. bei Triebwerken erreichten dramatischen Reduktion der abgestrahlten Schallenergie in der Vergangenheit hat sich die Zahl der Flughäfen mit Lärmrestriktionen in den vergangenen zehn Jahren weltweit auf über 1000 verdoppelt. Augenscheinlich ist die Sensitivität der Öffentlichkeit gegenüber Lärm im Allgemeinen und Fluglärm im Speziellen in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Auf Seiten des Gesetzgebers sind daher Bestrebungen erkennbar, das Monitoring zu intensivieren oder Grenzwerte zu verschärfen. Beispiele sind die EU-Richtlinie zu flughafenbezogenen lärmbedingten Betriebsbeschränkungen oder die EU-Richtlinie Umgebungslärm.

Gleichzeitig wird weltweit ein stetiges Wachstum des Luftverkehrs prognostiziert. Das Thema Lärm rückt aus diesen Gründen zunehmend in den Fokus einer öffentlichen Betrachtung sowohl unter dem Aspekt der Beeinträchtigung der Lebensqualität als auch unter wirtschaftlichen Aspekten. Der Luftverkehr ist nicht nur ein bedeutender Faktor in der Schaffung von Arbeitsplätzen- alleine am Flughafen Frankfurt 60000 –, er ist auch für eine moderne exportorientierte Gesellschaft in einer globalisierten Welt von zentraler strategischer Bedeutung

Die zunehmende gesellschaftspolitische Bedeutung des Themas findet ihren Widerhall auch in der Ausrichtung des 6. Rahmenprogramms der Europäischen Union und dem nationalen Luftfahrtforschungsprogramm, das als eine der zentralen Herausforderungen das Thema Umweltschonung und Wachstum nennt. Von entscheidender Bedeutung ist, diese beiden Parameter miteinander in Einklang zu bringen, ansonsten droht die Gefahr, dass weiter verschärfte Betriebsbeschränkungen maßgeblichen Einfluss auf das Wachstum des Luftverkehrs im negativen Sinne nehmen.

Der wachsenden Bedeutung entsprechend wird Lärm bzw. die Lärmreduktion in zunehmendem Maß als weiteres Design-Kriterium bei der Entwicklung einer neuen Flugzeuggeneration angesehen. Allerdings existieren heute hierfür praktisch keine anwendbaren Entwurfskriterien und Werkzeuge insbesondere weil die Mechanismen für die Lärmentstehung zum Teil noch nicht verstanden sind.

Eine besondere Fragestellung in der Luftfahrt sind die langen Entwicklungs- und Lebenszykluszeiten der Flugzeuge und damit verbunden die langen Zeiten, die notwendig sind bis neue Technologien im Markt eine signifikante Wirkung erzielen. Daher spielt der Faktor Zeit zur Umsetzung des noch beträchtlichen Lärmminderungspotentials der Luftfahrt angesichts des anzunehmenden starken Wachstums und der zunehmenden öffentlichen Sensitivität eine zentrale Rolle. Deshalb muss auch das Potential für Retrofit-Lösungen an existierenden Flugzeugen mit in die Betrachtung einbezogen werden, da hiermit in kürzerer Zeit Erfolge in der Lärmreduktion - wenn auch in begrenzterem Umfang - erreicht werden können.
2.  Übergeordnete Ziele
Das Projekt Frequenz hat sich zum Ziel gesetzt, einen Beitrag zur Reduktion des Fluglärms in der Zukunft zu leisten. Es konzentriert sich dabei auf die Lärmreduktion an der Quelle und fokussiert auf einige ausgewählte Beispiele aus dem Bereich der Zelle aber auch des Triebwerks. Im Projekt soll über die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen an ausgewählten Basisexperimenten die Schaffung validierter aero-akustischer Entwurfswerkzeuge erreicht werden, die genutzt werden sollen bei der Umsetzung von Einzelmaßnahmen in flugfähige Lösungen, die dann im Messflug erprobt werden.
3.  Projektstruktur

Das Projekt unter der Federführung der Deutschen Lufthansa AG gliedert sich in drei Teilprojekte mit folgenden Themenschwerpunkten:

Teilprojekt 1:       Berechnung lärmarmer Flugzeugkomponenten (Methoden und Verfahren)

Teilprojekt 2:       Aerodynamischer Lärm (Basisexperimente und Validierungsdaten)

Teilprojekt 3:       Entwicklung von Nachrüstmaßnahmen für Verkehrsflugzeuge (Anwendung)

In Teilprojekt 1 werden vorentwickelte Verfahren (z.B. aus dem  Forschungsverbundprojekt Swing aber auch Eigenentwicklungen der Partner) auf der Basis ausgewählter Prinzipexperimente bzw. vorhandener Daten analysiert, bewertet und verbessert mit dem Ziel der Schaffung einer validierten „Toolbox“ unterschiedlichen Detaillierungsgrades und Aufwandes. Diese Verfahren sollen speziell bei Kantenströmungen dann als Werkzeug für das Design prototypischer Lösungen genutzt werden. 

Im Teilprojekt 2 werden Basisuntersuchungen zum Verständnis der Quellmechanismen durchgeführt. Diese Daten beziehungsweise vorhandene Datensätze dienen auch zur Validierung für die Berechnungsverfahren aufbereitet.  

Im Teilprojekt 3 werden neben der Auswertung vorhandener Lärmmessungen aus Messflügen, Verbesserungspotentiale analysiert und zu technischen Konzepten weiterentwickelt. Betrachtet werden zwei Flugzeugfamilien. Bei den auf ein Wide-body-Flugzeug bezogenen Arbeiten sollen das aus Messflügen heraus erkannte Lärmminderungspotential auf seine technische Umsetzbarkeit hin geprüft werden. Bei den Untersuchungen zu einem Narrow-body-Flugzeug konzentrieren sich die Arbeiten auf die Umsetzung eines bereits vorerprobten Konzepts zur Reduktion von tonalen Lärmanteilen am Flügel und auf die Entwicklung von Lärmminderungskonzepten am Vorflügel. Ergänzt werden die Arbeiten durch Analyse tonaler Quellen an Zelle und Triebwerk. Hierbei sind die in TP 1 zu entwickelnden Entwurfswerkzeuge von zentraler Bedeutung für eine Auslegung. Weitere Details : siehe Projektstrukturplan (Kap. 5).

 

4.  Verzahnung mit anderen Projekten
Das hier beantragte Projekt gliedert sich ein in den Forschungsverbund „Leiser Verkehr, einem Verkehrsträger übergreifenden Verbund von Industrie, Wissenschaft und Großforschung, bei dem Lufthansa den Arbeitskreis Fluglärm leitet. Das Projekt ergänzt dort koordinierte Arbeiten zur Lärmwirkung und zu Lärmoptimierten An- und Abflugverfahren. Über den Forschungsverbund Leiser Verkehr besteht auch eine enge Zusammenarbeit mit den im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms beantragten Projekten LEXMOS und NASGet, die sich auf Antriebslärm und aktive/ passive Lärmminderung an Turbomaschinen konzentrieren. Die in den FREQUENZ - Teilprojekten 1 und 2 vorgesehenen Arbeiten sind abgestimmt mit dem von Airbus federführend beantragten Projekt „Innovative Hochauftriebssysteme“. Die in Teilprojekt 3 geplanten Arbeiten ergänzen in Bezug auf die an Narrow-body-Flugzeuge ausgerichteten Themen das Projekt „Innovative Hochauftriebssysteme“.

 

5.  Projektstrukturplan

Die Nummerierung des Strukturplans orientiert sich an der Gliederung des Forschungsverbundes Leiser Verkehr: Leiser Verkehr Bereich 5000  "Leises Verkehrsflugzeug"

Das Projekt Frequenz gliedert sich in die folgenden Schwerpunkte und Arbeitspakete auf:  

 

5400
5410
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5430

5200
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5500
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5520
5530
5540
5550

Berechnung lärmarmer Flugzeugkomponenten (TP1)
Slat Noise
MiniTeds
Düsenrand

Aerodynamischer Lärm (TP2)
Analyse von Basistrukturen
Hochauftriebsysteme
Bewertung und Validierung

Entwicklung von Nachrüstmaßnahmen für Verkehrsflugzeuge (TP3)
Lärmminderungspotenziale für Wide-body am Beispiel MD11
Lärmminderungspotenziale für Narrow-body am Beispiel A320-Familie
Vergleich der Lärmquellen von Wide- und Narrow-body Flugzeugen
Überfluglärmmessung zur Validierung von realisierten Lärmminderungsmaßnahmen
Bewertung experimenteller und theoretischer Ergebnisse zur Strahllärmminderung durch gezahnte Düsen
 

6.  Partner
Die folgende Auflistung skizziert die Zusammenarbeit der Verbundpartner im Verbundprojekt Frequenz. Die Federführer für die einzelnen Teilprojekte sind durch Fettdruck hervorgehoben.

 

TP1

TP2

TP3

AIRBUS Deutschland GmbH, Bremen

 

 

X

DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig

X

 

X

DLR-Institut für Antriebstechnik – Turbulenzforschung, Berlin

 

 

X

Dornier GmbH, Immenstaad

 

X

 

Deutsche Lufthansa AG – Umweltkonzepte Konzern, Frankfurt

 

 

X

EADS Deutschland CRC, München

X

X

X

Rolls-Royce Deutschland, Dahlewitz

X

 

 

RWTH-Aachen, Aerodynamisches Institut, Aachen

X

 

 

TU-Berlin, Hermann-Föttinger-Institut für Strömungslehre, Berlin

X

 

 

Universität Stuttgart, Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Stuttgart

X

 

 

TOP

 

Beiträge DLR und Lufthansa

Zusätzlich erbringen DLR und Lufthansa mit eigenen Mitteln finanzierte Leistungen, die in diesen Bereich einfließen.

 

Beitrag des DLR zum Forschungsverbund Leiser Verkehr