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Innovative Methodologies and technologies for reducing Aircraft noise Generation and Emission

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Neue Techniken aus dem Labor für leisere Flugzeuge

Fluglärm stört den Schlaf von Menschen und beeinträchtigt so ihre Gesundheit. Ein EU-Team hat Konstruktionslösungen vorgestellt.

Verkehr und Mobilität

Durch Flugzeuge verursachter Lärm kann ein gravierendes Umweltproblem sein. Er beeinträchtigt vor allem Menschen, die in der Nähe von Flughäfen wohnen. Eine schwerwiegende Folge ist ein gestörter Schlaf. Dies führt zu zahlreichen gesundheitlichen Beschwerden, insbesondere zu Herz-Kreislauf-Problemen. Menschen, die unter Schlafmangel leiden, haben in der Regel auch Konzentrationsschwierigkeiten, was für Studierende, Schülerinnen und Schüler zu Lernschwierigkeiten und Benachteiligung führen kann. Auf manchen Flughäfen sind Flugverbotszeiten vorgeschrieben, wobei jedoch der tägliche Zeitraum, für den die Beschränkung gilt, sehr kurz ist. Auch Lärm am Tag kann belastend sein und so weitere Gesundheitsprobleme verursachen. Hinzu kommt, dass sich das Problem noch verstärkt. Der Flugverkehr hat pro Jahr um 4,3 % zugenommen. Obwohl die Nachfrage voraussichtlich bis mindestens 2038 weiter wachsen sollte, gefährden Bedenken in Bezug auf die Lärmbelastung diese Ausweitung. Zwar sind heutige Flugzeuge 75 % leiser als die vor 30 Jahren, trotzdem braucht die Branche noch leisere Maschinen. Die EU hat Richtlinien vorgegeben, die bis 2050 zu erreichen sind.

Neue Techniken und Modelle

Das EU-finanzierte Projekt IMAGE untersuchte Methoden, mit denen diese Reduktion erreicht werden soll. Forscherinnen und Forscher entwickelten zunächst neue experimentelle und rechnerische Methoden. Unter Anwendung dieser untersuchte das Team anschließend die physikalischen Grundlagen der beiden Hauptarten von Flugzeuglärm. Triebwerkgeräusche sind beim Abheben am stärksten, während der durch das Flugwerk verursachte Lärm beim Landen am größten ist (verursacht durch die Turbulenzen, die durch ausgefahrene Landeklappen und das Fahrwerk entstehen). Das Team prüfte außerdem mögliche Lärmschutzmechanismen und -strategien und konzentrierte sich auf drei Flugzeugtechnologien. Das Projekt konnte die technologische Reife erreichen. IMAGE ist Teil eines umfassenderen EU-Programms, das sich auf Projekte bezieht, die mit chinesischen Partnern im Bereich Luftfahrt zusammenarbeiten. Das Projekt hat zu sechs zentralen Ergebnissen geführt. Zunächst wurden Techniken zur Schallgeräuschmessung verbessert. Bei einer dieser Methoden finden schalldämpfende Verkleidungen Verwendung, in diesem Fall poröse Beschichtungen für Triebwerklüfterrohre. Verbesserungen bei Berechnungsmethoden wurden durch mathematische Modelle für die Untersuchung der Strömungsdynamik (Computational Fluid Dynamics, CFD) und der Aeroakustik (Computational Aeroacoustic, CAA) erreicht. „Diese Methoden können die industrielle aerodynamische und aeroakustische Konstruktion und Problemdiagnose unterstützen“, so Projektkoordinator Shia-Hui Peng.

Verbesserte Konstruktionen

Forscherinnen und Forscher nutzten die neuen Messtechniken und Berechnungsmethoden zur Vorausbestimmung der Auswirkungen von Änderungen beim Aufbau von Triebwerk- und Flugwerkkomponenten. Zu den Komponenten gehörten schalldämpfende Verkleidungen, Plasmastellglieder (elektrische Entladungen mit ionisiertem Luftstrom zur Kontrolle der Geräuschentstehung durch Strömungsablösung) und Turbulenzsiebe (Drahtgitter zur Abschwächung von Turbulenzen, die eine wesentliche Geräuschquelle sind). Neu entwickelte Turbulenzsiebe führten zu einer Verbesserung um 3-4 dB und verbesserte schalldämpfende Verkleidungen brachten Minderungen um 5-6 dB. „Wir hoffen sehr darauf, dass unsere schalldämpfenden Verkleidungen die Geräuschemissionen von Triebwerksein- und -auslässen abdämpfen werden“, ergänzt Peng. Weitere Ergebnisse waren die Prüfung der Konzepte des Projekts für geräuscharme Lüfterflügel und Flügelkonfigurationen und das Testen der Triebwerk-Flügel-Interaktion. Außerdem entstand eine Datenbank von Testfallkonfigurationen (mit und ohne Lärmschutzaktoren) zur CFD/CAA-Validierung sowie zur weiteren Nutzung durch zukünftige EU-Forschungsprojekte. Das Team präsentierte eine Reihe von Leitlinien zu bewährten Verfahren bei der Nutzung von CFD-/CAA-Methoden und beim Einsatz von Lärmschutztechnologien. Schließlich veranschaulichte die technische Prüfung der Technologien durch die Gruppe in den einzelnen Fällen die jeweilige Reife und das Potenzial hinsichtlich der industriellen Nutzung. IMAGE wurde Mitte 2019 abgeschlossen. Einige Partner beteiligen sich an neuen EU-Projekten, bei denen sie die von IMAGE entwickelten Methoden nutzen und erweitern werden. Andere Partner haben auch ihre eigenen bilateralen Partnerschaften geschaffen. Die Industrie hat bisher noch keine superleisen Linienflugzeuge in Betrieb. Die wichtige Forschungsarbeit des Projekts IMAGE bringt sie jedoch einen Schritt näher zu diesem Ziel.

Schlüsselbegriffe

IMAGE, aeroakustischer Lärm, Flugzeug, Gesundheit, Lärmschutz, physikalische Grundlagen des Fliegens

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