Deutsches Zentrum  Dr. Martin Hepperle für Luft- und Raumfahrt e.V.  Tel: +49 531 295 - 3337 German Aerospace Center  Fax: +49 531 295 - 2320   Martin.Hepperle@dlr.de Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik  www.dlr.de Lilienthalplatz 7   D-38108 Braunschweig 

Eine mögliche LNA Konfiguration.

Gitter für numerische Strömungsanalyse.

Umströmung der Konfiguration.

LNA – Low Noise Aircraft Flugzeugkonfiguration für geringe Lärm-belastung   Die Geräuschemissionen von Flugzeugen beeinträchtigen  die  Gesundheit  der  Be-völkerung  und  erschweren  Einrichtung und Betrieb  von  verkehrsgünstig gelege-nen, stadtnahen Flughäfen.  Heutige  Flugzeuge  sind  über  viele  Jahre vorrangig  nach  wirtschaftlichen  Ge-sichtspunkten  entwickelt  und  verfeinert worden.  Neben  Abschreibungen,  Perso-nal- und Kraftstoffkosten spielt dabei die Umweltfreundlichkeit eine eher  indirekte Rolle über Lärmgebühren. Zukünftige  Entwicklungen  werden  ver-mutlich  zunehmend  stärker  durch  um-weltpolitische  Randbedingungen  gesteu-ert werden. Gebühren  für Lärm könnten in  der  Zukunft  drastisch  ansteigen  und Flugzeuge  mit  höheren  Lärmwerten durch  weitere  Einschränkungen  der Betriebszeiten unwirtschaftlich werden.  Das  Deutsche  Zentrum  für  Luft-  und Raumfahrt  beschäftigt  sich  auch  mit zukünftigen  Flugzeugkonfigurationen. Um  abzuschätzen, welchen  Einfluß  eine radikale  Lärmreduzierung  auf  die  Wirt-schaftlichkeit  von  Verkehrsflugzeugen haben kann, wurde am  Institut für Aero-dynamik  und  Strömungstechnik  in Braunschweig  die  Flugzeugkonfiguration „Low-Noise-Aircraft“  (LNA)  entwickelt. Die  Forschungsarbeiten  erfolgten  im Rahmen  des  nationalen  Luftfahrtfor-schungsprogramms  und  wurden  vom Bundesministerium  für  Wirtschaft  und Technologie gefördert.  Die  LNA  Konfiguration wurde  vorrangig unter dem Gesichtspunkt der  Lärmredu-zierung gestaltet. Dabei wurden bewusst auch  mögliche  Nachteile  in  der  Wirt-schaftlichkeit  nach  heutigen  Gesichts-punkten in Kauf genommen. 

Innovative Flugzeugkonfiguration Um einen erhöhten Lärmschutz zu errei-chen wurde eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen angewandt: - Platzierung der Triebwerke am Rumpf-heck, um den Schallpegel in der Kabine zu minimieren, 

- Anordnung  der  Triebwerke  über  den Tragflügeln,  um  das  Triebwerksge-räusch nach unten abzuschirmen,  

- damit  verbunden  auch  Platzierung der Tragflügel im Rumpfheck, 

- sowie  Verlagerung  der  Höhenflosse nach vorne, 

- Aufteilung  der  Seitenflosse  auf  zwei Abschirmflächen  außerhalb  der  Trieb-werke. 

- Pfeilstellung der Tragflächen nach vorn, um den schräg vorwärts abstrahlenden Schall des Verdichters abzuschirmen, 

- kurze  Fahrwerke  um  den  Anfluglärm zu verringern. 

 Durch die Anordnung der Triebwerke am Rumpfheck  erhält man  einen  Außenflü-gel ohne  Interferenzen.  Infolge der Pfeil-stellung  nach  vorne  weist  diese  Flügel-form  außerdem  ein  hohes  Potential  zur Widerstandsverminderung  durch  Lami-narhaltung auf. Die  Bauweise mit  vorne  liegendem  Hö-henleitwerk bietet Vorteile beim Start, da der  vordere  Flügel  zum  Auftrieb  beitra-gen kann. Zudem bietet die Konfigurati-on  einen  durchgehenden  Frachtraum ohne  Unterbrechung  durch  die  Tragflä-che  Andererseits  erfährt  das  Flugzeug  durch die im hinten liegenden Tragflügel unter-gebrachten  Kerosintanks  eine  größere Wanderung  der  Schwerpunktlage  wenn der  Kraftstoff  während  des  Reiseflugs verbraucht  wird.  Außerdem  ergibt  sich eine  höhere  Strukturmasse  für  den Rumpf,  was  zu  einer  verringerten  Zula-dung  führt.  Wie  weit  solche  Nachteile akzeptabel  sind,  hängt  vom  Erfolg  der akustischen Maßnahmen ab.  

LNA - Low Noise Aircraft  

 

Deutsches Zentrum  Prof. Dr. Jan Delfs für Luft- und Raumfahrt e.V.  Tel: +49 531 295 - 2170 German Aerospace Center  Fax: +49 531 295 - 2914   Jan.Delfs@dlr.de Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik  www.dlr.de Lilienthalplatz 7 D-38108 Braunschweig 

Akustische Untersuchungen Die  akustische  Bewertung  zukünftiger Verkehrsflugzeuge muss  analog  zur  Be-urteilung  der  aerodynamischen  Effizienz und der Wirtschaftlichkeit durch  Simula-tionsrechnungen in der Auslegungsphase eines  Flugzeugs  erfolgen.  Schon  heute kann  die  Schallabstrahlung  einzelner Komponenten wie  z.B.  Triebwerke,  Ho-chauftriebsysteme  und  Fahrwerke  für unterschiedliche Bauweisen bewertet und so die  leiseste Variante ermittelt werden. Will man  die  Lärmimmission  am  Boden weiter reduzieren, so kann dies nur durch Maßnahmen  geschehen,  die  die  Schall-ausbreitung  von  der  Schallquelle  zum Beobachter  am  Boden  verhindern,  also durch  die  Abschattung  der  Schallquelle aus  Sicht  des  Beobachters.  Aus  diesem Grund wird  im  Institut  für Aerodynamik und  Strömungstechnik  ein Berechnungs-verfahren  entwickelt,  das  es  ermöglicht, die  Lärmimmission  am  Boden  für  ver-schiedene  Flugzeugkonfigurationen  zu bestimmen. Zur Absicherung des Berech-nungsverfahrens wird eine Windkanalun-tersuchung an einem Modell des LNA  im Aeroakustischen  Windkanal  Braun-schweig (AWB) durchgeführt.   Berechnungsverfahren zur Bestim-mung der Schallabschattung Zur Berechung der Abschattungswirkung verwendet man ein so genanntes Schall-strahlenverfahren,  das  die  Ausbreitung der  von  einer  Schallquelle  abgestrahlten Schallwellen  berechnet,  die  sich  im  ein-fachsten Fall von einem Punkt ausgehend gleichmäßig  mit  konstanter  Geschwin-digkeit in den Raum ausbreiten, so wie es beispielsweise auch beim Licht der Fall ist. Werden  z.B.  Triebwerke  oberhalb  der Tragflächen angebracht,  so wird ein Teil der Schallwellen an der Tragfläche reflek-tiert und erreichen nicht den Beobachter am Boden. Es entsteht also, ganz ähnlich wie  für  eine  teilweise  vom  Beobachter abgedeckte Lichtquelle, eine Schattenzo-ne in der es nicht dunkler aber leiser ist.  

Die Größe dieser Zone und das Maß der Lärmminderung  werden  mit  diesem Verfahren  berechnet.  Zusätzlich  auftre-tende  Brechungseffekte  an  Kanten  und Rundungen  beeinflussen  die  Schallaus-breitung  und  müssen  ebenfalls  berück-sichtigt werden.   Experimentelle Untersuchung im Windkanal Für die aeroakustischen Untersuchungen im  AWB  wurde  das  LNA  im  Maßstab 1:25  gebaut.  Um  beispielsweise  den Triebwerksschall  zu  simulieren,  wird mittels  eines  hoch  energiereichen  Laser-strahls  ein  Plasmaknall  erzeugt.  Das bedeutet,  dass  die  Luft  an  einem  sehr kleinen Punkt  so hoch erhitzt wird, dass eine  kleine  Explosion  entsteht.  Dieser Knall  erzeugt  Schallwellen  mit  einer  in allen Richtungen nahezu gleichen Intensi-tät. Durch ein einzelnes Mikrofon ca. 30 cm neben der Schallquelle wird ein Refe-renzschalldruckpegel gemessen. Mit sechs weiteren Mikrofonen wird eine Fläche  von  ca.  1.1 m2  im  Abstand  von 1.14 m  zur Modellunterseite abgetastet, um dort die Schalldruckpegel zu bestim-men.  Das  Verhältnis  aus  Referenzschall-druckpegel  und  gemessenem  Schall-druckpegel  unterhalb  des  Flugzeugs  ist der Abschattungsfaktor, der  letztlich das Maß  für die Minderung der Schallimmis-sion am Boden ist.  Besondere Anforderungen werden an die Schallquelle  und  die  Datenaufzeichnung gestellt. Die Wellenlängen des erzeugten Schalls  müssen  dem  Modellmaßstab entsprechen.  Um  z.B.  2000  Hz  in  der Realität  im  Experiment  zu  simulieren benötigt  man  eine  Schallquelle,  die  bei 50000 Hz noch messbare Schalldruckpe-gel  erzeugt,  die mit  einer  entsprechend hohen Abtastrate  aufgezeichnet werden müssen. 

Modell für akustische Untersuchungen im Akustischen Windkanal Braunschweig.

Numerischer Vergleich der Abschattungswir-kung für Triebwerksanordnungen über dem Flügel (1) und hinter dem Flügel (2).