24. Juni 2020
Helikopter der nächsten Generation

DLR ana­ly­siert Lärm-Ei­gen­schaf­ten des neu­en Hoch­ge­schwin­dig­keits-Hub­schrau­bers RA­CER

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Lärmkontur
Lärm­kon­tur
Bild 1/2, Credit: ©DLR

Lärmkontur

Com­pu­ter­ge­stütz­te Simulation der Lärm­kon­tur, die beim Flug des RA­CER von Hauptro­tor und Pro­pel­lern aus­geht so­wie Dar­stel­lung des "Lärm­tep­pichs", al­so der Schall­ab­strah­lung zum Bo­den.
Schallabstrahlung
Schall­ab­strah­lung
Bild 2/2, Credit: ©DLR

Schallabstrahlung

Simulation der Schall­ab­strah­lung des RA­CER. Die Wech­sel­wir­kun­gen mit den Nach­läu­fen des Ro­tors, der Pro­pel­ler und der Flü­gel ha­ben ei­nen wich­ti­gen Ein­fluss auf die Schall­ab­strah­lung.
  • DLR analysiert die akustischen Eigenschaften des Hochgeschwindigkeitshubschraubers RACER.
  • Lärmverursachenden Interaktionen zwischen einzelnen Komponenten können berechnet werden, um den Gesamtlärm des Hubschraubers vorherzusagen.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Hubschrauber- und Akustikforschung

Er fliegt schneller, weiter und effektiver als bisherige Hubschrauber: der Demonstrator RACER (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft). Bereits 2017 stellte Airbus das Konzept für den neuen Hochgeschwindigkeits-Hubschrauber im Boxwing-Design vor. Nun haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die akustischen Eigenschaften der Konfiguration analysiert und herausgefunden: Der RACER ist nicht nur schneller, er ist auch leiser.

Was die Forschenden des Braunschweiger DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik gemeinsam mit der französischen Luftfahrtforschungseinrichtung ONERA jetzt anhand ihrer rechnergestützten Daten belegen können: Der RACER fliegt mit über 400 km/h nicht nur 100 bis 200 km/h schneller als jeder "normale" Hubschrauber, er ist auch überraschend leise – und dass, obwohl er nicht nur über einen Rotor, sondern zusätzlich über zwei weitere Propeller verfügt. "Im Rahmen des Europäischen Luftfahrtforschungsprogramms Clean Sky 2 ist es uns gelungen, nach der aerodynamischen Bewertung und Mitgestaltung des von Airbus geplanten neuen Hubschrauber-Konzepts RACER, jetzt auch eine vollständige akustische Analyse durchzuführen", erklärt DLR-Ingenieur Dr. Jianping Yin. "Der Lärm von Propellern und Rotor wurde für die gesamte RACER-Konfiguration in verschiedenen Flugzuständen untersucht. Zudem wurde die akustische Streuung und Schallabschattung des Propellerlärms durch den Rumpf analysiert."

Möglich wird das leise Flugverhalten, da der RACER wie ein Flugzeug geflogen werden kann. Es können also andere Flugzustände eingestellt werden, als bei herkömmlichen Hubschraubern. Für den futuristischen Demonstrator sind die Lärmminderungsmaßnahmen eine wichtige Voraussetzung, denn er ist stark auf den Betrieb für Rettungseinsätze, notärztliche Versorgung, öffentliche und private Versorgungs- und Transportflüge ausgelegt. Und für die spielen nicht nur Schnelligkeit und Reichweite eine Rolle, sondern auch eine geringere Lärmbelästigung in Wohnräumen und Menschennähe.

Der RACER, der an eine Mischung aus Flugzeug und Hubschrauber erinnert, hat mit seinem ausgefallenen Design die Wissenschaftler bei der akustischen Analyse vor viele Herausforderungen gestellt. Aufgrund der vielen Interaktionen zwischen Rotor, Propellern, Flügeln, Rumpf und Leitwerk mussten sie mit zahlreichen Untersuchungen für einzelne Abschnitte, Komponenten und Flugzustände immer wieder neue Vergleiche anstellen. Ob rechtsdrehender Propeller und oberer Flügel oder linksdrehender Propeller und unterer Flügel, ob Rotor und Propeller oder Flügel und Rumpf – alle Konstellationen, alle Randbedingungen, wie Flugzustand, Geschwindigkeit und Höhe, alle gegenseitigen Beeinflussungen von Strömungsrichtung, -geschwindigkeit und –nachläufen wurden ebenso berücksichtigt wie die Rotationsrichtung von Rotor, Propellern und Randwirbeln sowie deren Auswirkungen auf den Auftrieb.

Richtcharakteristik
Richtcharakteristik
Schallabstrahlung des RACER in unterschiedliche Richtungen, die sogenannte "Richtcharakteristik".
Credit: ©DLR

"Indem wir in einzelnen Schritten mögliche Interaktionen analysiert haben, konnten wir herausfinden, wie sich beispielsweise die besondere Flügelform und die Propeller aerodynamisch und akustisch beeinflussen", erklärt Jianping Yin. So habe sich unter anderem herausgestellt, dass der Propeller einen willkommenen Einfluss auf den Widerstand des Hubschraubers hat, wenn er sich entgegen der Rotationsrichtung der an den Flügelspitzen entstehenden Wirbel dreht. "Das geschieht dadurch, dass der Propeller so ein Teil der Energie aus den Flügelwirbeln zurückgewinnen kann", führt Yin aus. Ein weiteres Ergebnis: Im Reiseflug ist der Abstand des Hauptrotors zu den Flügeln und Propellern ausreichend, um diese nicht direkt mit seinem Nachlauf zu treffen. Allerdings muss beim Design berücksichtigt werden, dass der Hauptrotor die auftreffende Luft im Flug ablenkt und dadurch die Umströmung der Flügel und Propeller beeinflusst.

Alle Ergebnisse ermöglichen es jetzt, die lärmverursachenden Interaktionen zwischen einzelnen Komponenten vorherzusagen, bevor der Demonstrator 2021 im Flugversuch erprobt werden soll. Nachdem die Erkenntnisse zunächst in den nun abgeschlossenen Entwurf der neuen Konfiguration eingeflossen sind, können bereits jetzt die Flugbahnen des Hubschraubers so optimiert werden, dass die Lärmbelästigung der Anwohner minimiert wird.

Die Forschung wird durch das Europäische Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 finanziert. (Projektnummer: CS2-AlR-GAM-2014-2015-01).

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