Wie eine kleine Scheibe Hubschrauber halb so laut macht
Hubschrauber klingen wie ein riesiger Teppichklopfer. Und das dumpfe Klopfen ist für manche so nervtötend, dass sie sich sogar kriminell mit Laserpointern gegen Helikopter wehren. Durch einen raffinierten technischen Trick wollen Braunschweiger Forscher jetzt den Lärm drastisch reduzieren.
Das DLR hat zwei verschiedene Hubschrauberantriebe getestet: Durch den Einbau einer zweiten Taumelscheibe konnten die Ingenieure die Lärmbelastung um bis zu 40 Prozent senken.
Foto: DLR
Vor einer guten Woche, am 22. Juni, zielte ein 60-Jähriger in Berlin mit einem Laserpointer auf einen vorbeifliegenden Hubschrauber. Der Pilot erlitt Augenverletzungen. Er habe sich gegen den Lärm wehren wollen, begründete der Senior sein kriminelles Vorgehen. Per Zufall veröffentlichte das Deutsche Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) kurz danach Bestrebungen, den Lärm von Hubschraubern drastisch zu reduzieren. Gleichzeitig sollen Helikopter weniger Treibstoff verbrauchen und vibrationsärmer werden. Eine Verringerung des Lärms beim Landeanflug um 30 bis 40 Prozent sei drin, sagen die Forscher.
Rotoren kollidieren mit Luftwirbeln
Der schnell an- und abschwellende Krach eines Hubschraubers entsteht durch eine Kette von Ereignissen. Die Rotoren erzeugen mit ihren Blattspitzen Luftwirbel. Ursache ist der Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite, der den Hubschrauber flugfähig macht. Ohne diese Differenz würde er wie eine lahme Ente am Boden bleiben.
Windkanal mit einem vom DLR entwickelten Versuchsaufbau für Hubschrauberrotoren: Die neuartige Antriebstechnik macht die Rotoren nicht nur leiser, sondern reduziert auch die unangenehmen Vibrationen im Hubschrauber.
Quelle: DLR
Jedes Rotorblatt kollidiert mit dem Wirbel, den das davor befindliche erzeugt hat. Es entsteht der typische Lärm, der ans Teppichklopfen erinnert. Wie dieser Lärm entsteht und wie er sich verbreitet, hat das DLR erst vor zwei Jahren in einem Versuch sogar sichtbar machen können.
Diese Zusammenstöße von Rotorblättern und Wirbel sind aber nicht nur für den Lärm verantwortlich, sie verursachen zudem die starken Vibrationen, die für die Passagiere lästig sind, und erhöhen den Spritverbrauch, weil die Zusammenstöße das Vorwärtskommen hemmen.
Forscher des DLR ist es gelungen, die Rotorwirbel eines Hubschraubers in Bildern festzuhalten. Die Blattspitzenwirbel sind als dunkle Linien während einer vollen Umdrehung des Hauptrotors sichtbar. Außerdem sind die Abgasstrahlen des Hubschraubers als verrauschte Fläche hinter dem Hubschrauber zu erkennen. Auch das Wirbelsystem des Heckrotors ist zu sehen (schwarze kreisförmige Linien am Heckrotor). Der Hubschrauber führt gerade eine Wippbewegung aus.
Quelle: DLR
Was man dagegen tun kann? Wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter bei jeder Umdrehung mehrfach verstellt wird, reduzieren sich die Kollisionsgeräusche. Das ist in der Theorie bekannt, gilt aber in der Praxis als unlösbar. Denn der Rotor eines Hubschraubers dreht sich im Schnitt 300 Mal pro Minute. Die Winkel müssten mehrfach pro Rotation verstellt werden. Die dazu nötigen Steuerelemente wären zu komplex.
Weniger Wirbel, größerer Abstand
Forscher am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig haben jetzt die Lösung gefunden. Sie bauen eine zweite Taumelscheibe ein. Eine solche Scheibe befindet sich bei jedem Hubschrauber unterhalb des Rotors. Durch Verschieben und Kippen setzt sie die Steuerbefehle des Piloten um und verändert über sogenannte Steuerstangen den Anstellwinkel der Rotorblätter. So wird unter anderem die Geschwindigkeit beeinflusst.
In fast 7 m Höhe überprüfen Wissenschaftler das Modell im Windkanal.
Quelle: DLR
Durch den Einbau der zweiten Taumelscheibe lassen sich die Rotorblätter so ansteuern, dass die Stärke der Wirbel geringer oder ihr Abstand zu den vorbeifliegenden Rotorblättern kleiner wird. Entwickelt und patentiert haben dieses Mehrfach-Taumelscheiben-System (Multiple Swashplate System – META) Projektleiter Rainer Bartels und Professor Berend van der Wall vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik.
Erfolgreiche Tests im Windkanal
Die Tests fanden im deutsch-niederländischen Windkanal im niederländischen Emmeloord mit zwei Hubschraubermodellen statt, die mit META ausgestattet worden waren. Bei der Simulation verschiedener Flugzustände ermittelten die Forscher den entstehenden Lärm. Außerdem dokumentierten Hochgeschwindigkeitskameras die Verformung der Flügel und damit deren dynamische Belastung.
Das Ergebnis: Der Lärm reduzierte sich um bis zu 40 Prozent, die Vibrationen um maximal 75 Prozent. Mit bis zu vier Prozent war die Treibstoffeinsparung allerdings relativ gering. Wann ein „richtiger“ Hubschrauber mit der zweiten Taumelscheibe nachgerüstet wird, ist noch offen.
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