Lärmverminderung bei Großhubschraubern
Das Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht zusammen mit der Bundeswehr an der Möglichkeit die Lärmentwicklung bei Großhubschraubern zu reduzieren.
Forscher des DLR aus Göttingen haben die Hauptursache für den Lärm eines fliegenden schwergewichtigen Hubschraubers sichtbar gemacht. Dazu führten sie mit einer CH-53 der Bundeswehr Flugversuche durch, indem sie den Helikopter in Bodennähe tänzeln ließen.
Der Sikorsky CH-53 zählt zu den größten Transporthubschraubern und kann intern bis zu 5.500 Kilogramm Nutzlast transportieren. Für die Versuche am DLR-Standort Braunschweig hatte der Hubschrauber ein Abfluggewicht von 14 Tonnen. Die Maschine flog dabei in zwei bis zwölf Metern Höhe über dem Boden im Schwebeflug. Drei Hochgeschwindigkeits-Kameras nahmen aus verschiedenen Blickwinkeln die dabei entstandenen Luftwirbel an den sechs Rotorblättern auf. Zwei weitere Kameras bestimmten die Position der CH-53 mit hoher Präzision.
Blattspitzenwirbel verursachen Lärm
Dass ein Hubschrauber senkrecht starten und landen kann, verdankt er seinem Rotor. Dieser ist allerdings auch für den Lärm und die Vibrationen im Flug verantwortlich. „Fast alles, was man von einem Hubschrauber hört, ist aerodynamischer Lärm. Ein großer Teil davon entsteht durch die sogenannten Blattspitzenwirbel“, sagt Prof. Markus Raffel, Leiter der Abteilung Hubschrauber im DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Göttingen. Blattspitzenwirbel entstehen am äußeren Ende eines Rotorblattes. Auf der Oberseite bildet sich ein Unterdruck, auf der Unterseite ein Überdruck. Die Luft wird hierdurch beschleunigt und hinter der Rotorblattspitze entsteht ein konzentrierter Wirbel. Der Lärm entsteht dadurch, dass der Wirbel eines Rotorblattes mit einem anderen Rotorblatt kollidiert. Diese Wirbel verursachen nicht nur das typische „Teppichklopfer-Geräusch“, sondern führen auch zu Vibrationen im Hubschrauber und verringern den Komfort der Passagiere.
Besondere Messtechnik macht Luftwirbel sichtbar
Bereits in der Vergangenheit waren die Göttinger Hubschrauber-Forscher vom DLR Pioniere auf dem Gebiet der Visualisierung von Hubschrauber-Lärm. Erstmals gelang ihnen im Jahr 2013 die Sichtbarmachung der verantwortlichen Luftwirbel im Flug. Dafür nutzten sie damals wie auch jetzt eine besondere optische Messtechnik.
Die sogenannte Hintergrundschlierenmethode (kurz: BOS, Background Oriented Schlieren Method) wurde bereits 2000 im DLR Göttingen entwickelt. Durch Schwankungen der Dichte wird das Licht in der Luft gebrochen. Vor geeigneten Hintergrundmustern ist dies als Schliere erkennbar. Das Phänomen kennt jeder vom Flimmern über manchen Straßenstellen an einem heißen Sommertag. Um mit derselben Methode die Blattspitzenwirbel während der Landungen zu untersuchen, wurde bei den aktuellen Versuchen in 2022 ein großflächiges künstliches Punkte-Muster am Hangar des DLR Braunschweig angebracht.
In Bodennähe spielen Blattspitzenwirbel eine besondere Rolle, da in sandigen Gebieten oder im Schnee Luftverwirbelungen Bodenmaterial aufwirbeln können. Dies kann den Piloten die Sicht nehmen. Die Göttinger DLR-Forscher untersuchten bei diesem Test sogenannte „Skaleneffekte“ und konnten zeigen, dass die Wirbel bei einem großen Hubschrauber wie der CH-53 anders sind als bei einem kleineren Modell. Durch die gewonnenen Erkenntnisse werden neue Möglichkeiten eröffnet, künftige Hubschrauber leiser und komfortabler zu machen. „Wir wollen, dass die Wirbel an den Rotorblättern möglichst schwach sind und schnell zerfallen“, so Raffel. Dies könnte zum Beispiel durch eine geschwungene Form der Rotorblätter erreicht werden, wie sie bereits in kleineren Hubschrauber-Modellen wie dem Airbus Helicopters H160 zum Einsatz kommen. Auch diese Form basiert auf DLR-Forschungen.
Die Versuche fanden im Rahmen des DLR-Projekts Urban Rescue statt. Die CH-53 wurde von der Wehrtechnischen Dienststelle für Luftfahrzeuge und Luftfahrtgerät zur Verfügung gestellt.
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