Hubschrauber sind extrem laut: Schuld ist ein Detail, das Forscher jetzt optimieren
Hubschrauber, die leiser, schneller und effizienter sind: Einem internationalen Forscherteam der TU München ist gemeinsam mit Experten der Airbus Helicopters ein Durchbruch gelungen: Ein bestimmtes Detail mussten sie verändern.
Besonders rund um den Rotorkopf existieren turbulente Strukturen bei Helikoptern.
Foto: TUM
Hubschrauber haben gegenüber Flugzeugen einen eindeutigen Vorteil: Sie können senkrecht starten und sind auf keine Start- und Landebahn angewiesen. Deshalb sind sie unter anderem bei der Bergrettung, bei Einsätzen auf Ölplattformen oder zur medizinischen Versorgung abgelegener Gebiete unverzichtbar. Allerdings benötigen konventionelle Hubschrauber für diese besonderen Flugmanöver viel Energie – sogar mehr als Flugzeuge und erreichen dabei im Vorwärtsflug längst nicht so hohe Geschwindigkeiten.
Der Rotor, mit dem der Helikopter angetrieben wird, ist dabei praktisch Fluch und Segen zugleich. Er ermöglicht einerseits die Senkrechtstarts und sorgt auch dafür, dass der Helikopter seine Position in der Luft stabil halten kann. Andererseits ist er aber auch für einen hohen Luftwiderstand verantwortlich, der besonders im Reiseflug entsteht. Und genau der zieht eben auch einen höheren Kraftstoffverbrauch nach sich.
Hubschrauber sollen schneller, leichter und umweltfreundlicher werden
Ein internationales Team aus Wissenschaftlern arbeitet deshalb gemeinsam am sogenannten „Airbus-Demonstrator Racer“ (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft). Ihr gemeinsames Ziel: Ein Fluggerät zu entwickeln, das im Vorwärtsflug eine Geschwindigkeit von 400 Stundenkilometern erreicht und dabei auch noch leiser und umweltfreundlicher ist als alle bisherigen Hubschrauber. Die deutlichste Veränderung, die die Forscher bereits vorgenommen haben, sind zusätzliche Tragflächen, wie man sie eigentlich nur vom Flugzeug kennt. Sie sollen als zusätzliches Element zum Rotor mehr aerodynamischen Auftrieb erzeugen und gleichzeitig den Rotor dabei entlasten. Die Forscher versprechen sich von dieser Kombination mehr Effizienz.
Virtuelle Realität soll Hubschrauber-Piloten unterstützen
Insgesamt arbeiten die Wissenschaftler daran, die Aerodynamik des Hubschraubers zu verbessern. Schließlich spielt sie bei der Reisegeschwindigkeit eine große Rolle. Im Rahmen des Projektes „Furado“ (Full Fairing Rotor Head Aerodynamic Design Optimization) haben Forscher der Technischen Universität München (TUM) gemeinsam mit den Experten von Airbus Helicopters (AH) jetzt eine aerodynamische Verkleidung für den Rotorkopf entwickelt.
„Die Komponenten, die beim Hubschrauber im Reiseflug den meisten Widerstand verursachen, sind der Rumpf und der Rotorkopf“, erklärt Patrick Pölzlbauer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik an der TUM.
Die optimierte Vollverkleidung für den Rotorkopf ist dabei etwas völlig Neues. Für den Rumpf gibt es bereits Weiterentwicklungen, die möglichst wenig Luftwiederstand verursachen.
Die Aerodynamik eines Rotors ist sehr komplex
Das liegt vor allem an der Komplexität der Aerodynamik in Verbindung mit dem Rotor. Dieser dreht sich beständig. Dadurch ändern sich ebenso permanent die Anströmbedingungen am Rotorblatt. Das bedeutet: Es entsteht sowohl die sogenannte anliegende als auch die sogenannte abgelöste Strömung. Die anliegende folgt immer der Kontur des Objektes, also zum Beispiel im Reiseflug an einem Tragflügel. Die abgelöste Strömung dagegen erzeugt einen besonders hohen Widerstand.
„Eine abgelöste Strömung entsteht, wenn zum Beispiel die Kontur des Körpers mit einer Kante abgeschnitten wird, wie etwa bei einem stumpfen Fahrzeugheck am Auto“, erläutert Christian Breitsamter.
„Dann löst die Strömung ab und es gibt Verwirbelungen. Das führt zum Beispiel dazu, dass Schmutzpartikel auf dem Heck landen.“ Solche stumpfen Kanten findet man auch im Bereich des Rotorkopfes, beispielsweise an der Schnittstelle zu den Rotorblättern.
Von der Strömungssimulation zum ersten Flugversuch
Dem Wissenschaftler Patrick Pölzlbauer ist es nun gelungen, die Form des Rotorkopfes so zu modellieren, dass die Strömung dort möglichst lange anliegend bleibt und nur sehr kleine Verwirbelungen entstehen sollen. Dabei hat er zusätzlich eine Optimierungskette für die aerodynamische Gestaltung von Geometrien entwickelt, die sich in der Theorie auch für die Entwicklung von Verkleidungen anderer Rotormodelle eignen könnten. Getestet wurde das Modell am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik anhand von Simulationen. Dabei bedienen sich die Forscher moderner Software und Berechnungsmethoden. Auf die Technik allein können sie sich dabei nicht verlassen. „Es gibt viele Einstellgrößen bei der Strömungssimulation, und diese müssen richtig gewählt werden, um ein verlässliches Ergebnis zu bekommen. Dafür ist Expertise und Erfahrung nötig“, sagt Breitsamter.
Die modellierten Rotorkopfverkleidungen sollen nun gefertigt und am Flugdemonstrator getestet werden. Im realen Flugversuch wird sich zeigen, ob die Optimierungen der Aerodynamik auch den simulierten Ergebnissen entsprechen.
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