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Leitung: |
Dr.
K. Haag
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| Lärmoptimierte
An- und Abflugverfahren (LANAB)
Lärmminderung an Triebwerk und Zelle
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Kurzbeschreibungen: LANAB LEXMOS, NASGeT, FREQUENZ Beiträge DLR und Lufthansa
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Schwerpunkt LANAB - Lärmoptimierte An- und Abflugverfahren |
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Leitung: | Prof. W. Neise | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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DLR -
Institut für Antriebstechnik, Abteilung
Turbulenzforschung
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Das Projekt ist abgeschlossen, den
Abschlussbericht finden Sie hier. |
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Kurzbeschreibung |
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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:
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.
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.
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.
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.
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:
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:
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Schwerpunkt LEXMOS - Leise Düsenaustrittsysteme und moderne Schallquellenortung im Bereich Leises Verkehrsflugzeug |
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Leitung: | Dr. Fredi Holste, Rolls-Royce Deutschland, | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Eschenweg 11
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Das
Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des
BMWA gefördert
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Kurzbeschreibung |
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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. |
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| Aufgabenpaket Leise Düsensysteme | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Partner: |
Rolls-Royce Deutschland |
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Kurzbeschreibung der Arbeiten |
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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.
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Bild 1: „Serrated Nozzle“ Applikation an einem CFM-56 Triebwerk |
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| 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 |
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Kurzbeschreibung der Arbeiten |
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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).
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| Bild 2: Akustische Freifeldmessung in Hucknall, UK (links), geschlossener Triebwerksprüfstand in Dahlewitz bei Berlin (rechts) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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. |
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Schwerpunkt NASGeT: Neuartige aktive/passive Systeme zur Geräuschminderung an Triebwerken |
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Leitung: | Dr. Michael Bauer | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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EADS Dornier GmbH 88039 Friedrichshafen |
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Das Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des BMWA gefördert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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I. Ziele des Verbundvorhabens NASGeT. |
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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
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| II. Stand der Wissenschaft und Technik | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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
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. |
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| III. Rolle und Beitrag der Partner | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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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TOP
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| Schwerpunkt | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Forschung zur Reduktion und Ermittlung des Quelllärms mittels Experiment und Numerik bei Zivilverkehrsflugzeugen im Bereich Leises Verkehrsflugzeug | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Leitung: |
Dr. K. Haag
Deutsche Lufthansa AG , Frankfurt |
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Das Vorhaben wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2003-2007 des BMWA gefördert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Kurzbeschreibung |
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1.
Herausforderungen |
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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. |
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| 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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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).
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| 4. Verzahnung mit anderen Projekten | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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“.
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| 5. Projektstrukturplan | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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:
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5400 5200
5500 |
Berechnung lärmarmer Flugzeugkomponenten (TP1)
Slat Noise MiniTeds Düsenrand
Aerodynamischer Lärm (TP2)
Entwicklung von Nachrüstmaßnahmen für Verkehrsflugzeuge (TP3) |
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| 6. Partner | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Die folgende Auflistung skizziert die Zusammenarbeit der Verbundpartner im Verbundprojekt Frequenz. Die Federführer für die einzelnen Teilprojekte sind durch Fettdruck hervorgehoben. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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TOP
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| Beiträge DLR und
Lufthansa
Zusätzlich erbringen DLR und Lufthansa mit eigenen Mitteln finanzierte Leistungen, die in diesen Bereich einfließen.
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