BWB-Flugzeug: Mit diesem Design werden Flüge viel leiser
Forschende der Empa haben ein innovatives Flugzeugdesign namens „Blended Wing Body“ (BWB) für Langstreckenflüge auf Lärmemissionen untersucht. Das BWB-Flugzeug wurde als weniger belästigend empfunden als herkömmliche Modelle, besonders beim Start und der Landung.
So könnten die Flugzeuge der Zukunft aussehen.
Foto: Umberto Iemma, Universita' Roma Tre
Es werden immer wieder neue Ideen für Flugzeuge entwickelt, um sowohl den CO2-Ausstoß als auch den Lärm zu verringern. Denn: Anstelle herkömmlicher röhrenförmiger Verkehrsflugzeuge könnten in der Zukunft auch alternative Bauformen verwendet werden.
Forschende der Empa – der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt – haben nun ein neues Flugzeugdesign namens „Blended Wing Body“ (BWB) für Langstreckenflüge untersucht. Sie haben sich dabei besonders auf Schallpegel am Boden, Schallcharakteristiken und Lärmempfinden konzentriert. Um dies zu erforschen, haben sie virtuelle Überflüge verschiedener Varianten des Flugzeugs in einer akustischen Virtual-Reality-Umgebung simuliert und anschließend durch spezielle Tests im Labor genauer untersucht.
Was bedeutet „Blended Wing Body“?
Die Forschenden der Empa sind sicher: Jets mit einem sogenannten „Blended Wing Body“ würden nicht nur effizienter fliegen, sondern auch weniger Lärm erzeugen. Schließlich stellt Fluglärm für Menschen, die in der Nähe von Flughäfen und in Flugkorridoren wohnen oft eine Belästigung dar und kann im schlimmsten Fall eine Gefahr für die Gesundheit sein – angefangen bei Schlafstörungen bis hin zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Ein Bericht der Europäischen Umweltagentur aus dem Jahr 2017 zeigt, dass etwa vier Millionen Menschen in Europa hohen Fluglärmpegeln ausgesetzt waren. Neue Flugzeugmodelle mit „Blended Wing Body“ könnten eine vielversprechende Lösung werden, um diese Belastung zu reduzieren. Bei diesen Flugzeugen geht der Rumpf nahtlos in die Flügel über, was zu geringerem Luftwiderstand und Treibstoffverbrauch führt. Zudem werden die Lärmemissionen zum Boden hin reduziert, wenn die Triebwerke oben auf dem Rumpf angebracht sind.
Subjektive Wahrnehmung der Betroffenen berücksichtigt
Obwohl die Geräuschemissionen solcher Flugzeuge mithilfe von Simulationstools geschätzt werden können, lässt sich ihre störende und belastende Wirkung auf Menschen nur realistisch erfassen, indem man die subjektive Wahrnehmung der Betroffenen berücksichtigt. Die Akustikexperten der Empa verfolgen seit Jahren erfolgreich den Ansatz der sogenannten Auralisation, um Höreindrücke zu generieren, analog zur Visualisierung für das Auge. Dieses Fachwissen wurde von Reto Pieren, Axel Heusser und Beat Schäffer aus der Abteilung „Akustik / Lärmminderung“ auch im Rahmen des europäischen Projekts „ARTEM“ („Aircraft Noise Reduction Technologies and related Environmental iMpact“) genutzt. In diesem Projekt entwickelten zahlreiche Partner Konzepte für leise Langstreckenflugzeuge, darunter ein eigens entworfenes Modell mit „Blended Wing Body“ (BWB) und verschiedenen Triebwerksoptionen.
Die Forschenden berücksichtigten zusätzlich weitere Technologien zur Lärmminderung, beispielsweise eine Flügelhinterkante mit optimierten Krüger-Klappen oder moderne Getriebefan-Triebwerke mit einem großen Verhältnis des Luftstroms außerhalb der Brennkammer zum Luftstrom des heißen Abgasstrahls, was zu einer erheblichen Lärmreduzierung führt.
Wie wurden Lärmsimulationen erzeugt?
Das Forschungsteam der Empa hat nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Aerospace Science and Technology“ veröffentlicht. Die Experten nutzten physikalische Gesetze als Grundlage, um Lärmsimulationen von Überflügen rein synthetisch mithilfe von Computerprogrammen zu erzeugen. Zur Überprüfung dieser Simulationen wurden sie mit Aufzeichnungen von aktuellen Flugzeugen während An- und Abflügen rund um den Flughafen Zürich verglichen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den simulierten Geräuschen und den Messdaten konnten sie für den Vergleich auch die Simulationen für das neuartige „Blended Wing Body“-Flugzeugkonzept verwenden.
Um die störenden Auswirkungen von Lärmemissionen verschiedener Verkehrsflugzeuge auf Menschen zu erfassen, beteiligten sich 31 Personen im Alter von 18 bis 61 Jahren an aufwendig gestalteten Versuchen im „AuraLab“ der Empa. Die räumlichen Simulationen, die durch präzise angeordnete Lautsprecher erzeugt wurden, umfassten nach einer Eingewöhnungsphase insgesamt 36 Überflüge. Dies beinhaltete Starts und Landungen sowohl von konventionellen als auch von innovativen Flugzeugtypen, jeweils in verschiedenen Flugphasen. Wie es in der Pressemitteilung erklärt wird, wurden dabei die Lärmszenarien detailliert berücksichtigt, einschließlich Klappenstellungen, Position des Fahrwerks sowie atmosphärische Bedingungen wie Turbulenzen oder Schallreflexionen am Boden.
Nach den Experimenten füllten die Teilnehmenden Fragebögen aus, in denen sie ihre subjektiven Eindrücke auf einer 11-Punkte-Skala wiedergaben. Diese Skala reichte von 0 für „überhaupt nicht gestört oder belästigt“ bis 10 für „äußerst gestört oder belästigt“. Zudem wurden sie nach ihrer Wahrnehmung des jeweiligen Schallereignisses befragt. War es ihnen vertraut?
Lärmbelästigung beim BWB-Flugzeug um 4,3 Einheiten niedriger bewertet
In Bezug auf das neuartige BWB-Flugzeug wurde die wahrgenommene Belästigung im besten Fall um 4,3 Einheiten niedriger bewertet als bei einem herkömmlichen Passagierjet. Dieser signifikante Unterschied ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass der virtuelle Flieger in der Simulation mit zusätzlichen Technologien zur Lärmminderung oder besonders emissionsarmen Triebwerken ausgestattet war. Die Befragungen zeigten zudem, dass Starts dieses Flugzeugtyps einen Klang hinterließen, der den Teilnehmenden weniger vertraut war. Dieser Klang hörte sich für die Probanden positiver als herkömmlicher Flugzeuglärm an
Mit anderen Worten: Forschende fanden heraus, dass das BWB-Flugzeug am Anfang ein bisschen ungewohnt wirkt, aber es stört viel weniger als die aktuellen Langstreckenflugzeuge mit herkömmlichem Rumpf und Tragflächen, die in etwa genauso weit fliegen und ähnliche Aufgaben haben. Das gilt sowohl beim Start als auch bei der Landung. Die beste Version des BWB-Flugzeugs wurde um 4,3 Einheiten leiser beim Start und um 3,5 Einheiten leiser bei der Landung auf einer Skala von 0 bis 10 bewertet. „Der stärkste Beitrag zur Lärmminderung stammt zweifellos von der Form des Flugzeugs, die den Triebwerkslärms nach unten abschirmt“, so der Forscher Reto Pieren. „Weitere Technologien zur Lärmminderung machen nur etwa 15 Prozent der Reduzierung der Belästigung aus“, erklärte der Akustiker.
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