Bahnbrechende Technologie hilft der Luftfahrt beim Erreichen von Geräuschminderungszielen
Das EU-finanzierte Projekt AERIALIST hat bahnbrechende Technologien auf Grundlage von Metamaterialien bestimmt und entwickelt, um die in der Strategie ACARE Flightpath 2050, Europas Vision für die Luftfahrt, dargestellten Ziele im Bereich Lärmreduzierung zu erreichen. Metamaterialien können als Materialien definiert werden, die konstruiert wurden, um eine bestimmte Reaktion zu erreichen, die in der Natur nicht vorkommt. Eine typische Eigenschaft sind sich wiederholende Strukturen auf Makro- oder Mikroebene. Mitglieder des Konsortiums bauten auf aktuellen Theorien zu akustischen Metamaterialien auf, indem die Auswirkungen realistischer aerodynamischer Strömungen untersucht wurden, um numerische Methoden zu entwickeln, die das Verhalten akustischer Metamaterialien unter Luftfahrtbetriebsbedingungen simulieren. AERIALIST bewertete auch die technische Machbarkeit von Geräuschminderungsvorrichtungen auf Grundlage der entwickelten Konzepte und stellte eine Strategie zur praktischen Umsetzung vor.
Neues Gestaltungs-Werkzeug entwickelt
Die Projektpartner legten den Schwerpunkt auf die Verringerung des Lärms außerhalb der Mantelstromtriebwerkgehäuse (Maschinengondeln) und nutzten die untypischen Eigenschaften akustischer Metamaterialien aus, um die Streuungsmuster des Schalls zu ändern. „Methoden der Streuungsauflösung, Hyperfokussierung und des Geräuschabfangs wurden untersucht, um Lösungen für das virtuelle Flämmen der Einströmung, die geeignete Behandlung der Abstromkanäle sowie die Verbesserung von Abschirmeffekten zu finden“, kommentiert der Projektkoordinator Umberto Iemma. Dieser Ansatz kombiniert theoretisches Modellieren, die Entwicklung numerischer Methoden, Gestaltung, additive Fertigung sowie experimentelle Validierung in eine integrierte Gestaltungs-Werkzeugkette. „Die Entwicklung dieses Gestaltungs-Werkzeugs wurde erfolgreich auf die anvisierten Metaverhalten angewandt, die für die Geräuschminderung in der Luftfahrt als relevant erkannt wurden“, erklärt Iemma. Die Forschenden haben eine Theorie über die Modellierung von Metamaterialien in aeroakustischen Kontexten aufgestellt, die vollständig in die in der aeroakustischen Forschungs- und Industriegemeinschaft verwendeten Instrumente und Methoden integriert werden kann. Aeroakustik beinhaltet die Geräuscherzeugung durch die Interaktion turbulenter Strömungsbewegungen oder aerodynamischer Kräfte mit Oberflächen. Dann wurden moderne additive Fertigungsverfahren eingesetzt, um aus dem digitalen 3D-Modell ein 3D-Objekt zu erzeugen und die Modellierungsaktivität mit experimentellen Proben zu verbinden. Um die entwickelten Konzepte zu prüfen und die Simulationsmethodik zu validieren, wurden Experimente im Windtunnel durchgeführt.
Anwendungen in mehreren Bereichen
Die entwickelten neuen Technologien, darunter auch neue theoretische Modelle und Analysemethoden, können die akustische Reaktion eines Mediums in Bewegung sowie die inverse Identifikationsmethode nachahmen. „Bei der Entwicklung numerischer Modelle wurden auch innovative Aspekte eingeführt. Diese berücksichtigen nicht-einheitliche Konvektion und Modelle mit reduzierter Ordnung, um viskothermale Verluste beim Entwurf multizellularer periodischer Strukturen einzubeziehen“, merkt Iemma an. „Außerdem hat die Anwendung moderner Optimierungsverfahren beim Entwurf reflexionssteuernder Metaoberflächen den möglichen Frequenzbereich enorm erweitert.“ Die Werkzeugkette für die Gestaltung von Metamaterialien wird zur zukünftigen Integration in industrielle Gestaltungsprozesse beitragen und somit sowohl Forschungseinrichtungen als auch der Industrie Vorteile bringen. Die in AERIALIST identifizierten und geprüften Konzepte bis zum Technologie-Reifegrad 3 sind zur Verbesserung und Weiterentwicklung auf Technologie-Reifegrade mit industrieller Bedeutung bereit. Ein Teil dieser Aktivitäten wird vom EU-finanzierten Projekt ARTEM durchgeführt. AERIALIST hat somit erfolgreich einen Ansatz zur Ausschöpfung des Potenzials akustischer Metamaterialien in der Aeronautik entwickelt. Dieser kommt zudem sämtlichen Ingenieursanwendungen, bei denen sich akustische Störungen durch bewegte Quellen in einem bewegten Medium ausbreiten, zugute. „Somit können die Projektergebnisse auch einfach in der Automobilbranche, im Eisenbahnverkehr und in der Schifffahrt angewendet werden“, merkt Iemma an.
Schlüsselbegriffe
AERIALIST, Gestaltung, Lärm, Metamaterialien, Flugzeug, Aeroakustik, Luftfahrt, Modellierung, Werkzeugkette
