Ursachen für Lärmrückopplungsschleifen bei Senkrechtlandungen identifiziert
Lärmrückkoppelungsschleifen bei Senkrechtlandungen bergen Gefahren für Flugzeug und Bodenpersonal. Forscher haben nun die Ursachen ermittelt.
(Bild: United States Department of Defense)
Ein Forschungsteam des FAMU-FSU College of Engineering der Florida State University und des Florida Center für Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) haben gemeinsam herausgefunden, welche genaue Ursachen sich hinter den Lärmrückkopplungschleifen verbergen, die bei Landungen von Senkrechtlandeflugzeugen (Short Takeoff and Vertical Landing – STOVL) wie etwa dem Militärflugzeug F-35B Lightning II entstehen. Die Abgasfahnen dieser Flugzeuge erzeugen beim Treffen auf den Boden Resonanzwellen von mehr als 140 dB, was zu strukturellen Problemen am Flugzeug und zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen des Bodenpersonals führen kann.
Die Resonanzwellen, die beim Landen eines STOVL entstehen können, bergen verschiedene Gefahren: Zum einen kann die akustische Energie durch sie verursachte Resonanzen die strukturelle Integrität des Flugzeugs beeinträchtigen. Zusätzlich können gefährliche Unterdruckzonen entstehen, die das Flugzeug in Richtung Boden ziehen. Zum anderen können die über 140 dB lauten Resonanzwellen dauerhafte Gehörschäden und innere Verletzungen beim Bodenpersonal verursachen – selbst wenn diese einen Gehörschutz und Sicherheitskleidung tragen.
Die Wissenschaftler führten Untersuchungen durch, um die genauen Ursachen in der Studie „Role of convecting disturbances and acoustic standing waves in supersonic impinging jet“ zu ergründen, die im Journal of Fluid Mechanics und online bei Cambridge University Press erschienen ist. Die Forscher der FAMU-FSU und des FCAAP führten dazu aufwendige Experimente mit einem Mach-1,5-Überschalljet durch und simulierten mit ihm die beim Senkrechtlanden herrschenden Bedingungen in der STOVL-Anlage des FCAAP unter Verwendung moderner Strömungsdiagnostik.
Ursachen für Lärmrückkopplungsschleifen identifizieren
Die Forscher nutzten Hochgeschwindigkeitskameras zur Schlierenfotografie und konnten so die Strömungsstörungen und Schallwellen in Echtzeit darstellen und auswerten. Dazu erfassten die Wissenschaftler mit hochempfindlichen Mikrofonen zusätzlich akustische Daten. Sie beobachteten die Strömungsstörungen und die reflektierten Schallwellen, die bei unterschiedlichen Abständen zwischen Triebwerksausgang, Flugzeugrumpf und einer simulierten Landefläche auftraten.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass sich bei Erreichen des höchsten Lärmpegels die Strömungsstörungen und die zurückkehrenden Schallwellen zu einer wiederholenden Folge synchronisierten. Die Tonhöhe des Geräusches wird hauptsächlich von akustisch stehenden Wellen bestimmt. Sie treten in dem Bereich zwischen Flugzeugrumpf und Boden stationär auf. Die Beobachtungen der Wissenschaftler haben ergeben, dass die Tonhöhe nicht primär von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung abhängig ist. Diese Erkenntnis zeigt eine neue Perspektive zum Verständnis von Resonanzrückkopplung auf. Langsamere Störungen sind tendenziell größer und verursachen entsprechend höhere Geräuschpegel.
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Für die Forscher ist dies eine überraschende Erkenntnis. Denn das bedeutet, dass akustisch stehende Wellen die Tonhöhe wesentlich stärker bestimmen, die Größe und Geschwindigkeit der Störungen aber die Lautstärke des verursachten Geräuschs festlegen. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung aber nur einen kleinen Einfluss auf die Tonhöhe hat, reichen Informationen über akustisch stehende Wellen aus, um die Tonhöhe des Geräuschs vorherzusagen.
Mit dieser Erkenntnis können Entwickler bei der Konstruktion von Flugzeugen und der Konzeption von Landeplätzen Geräuschfrequenzen einfacher vorherbestimmen. Die Wissenschaftler der Studie gehen davon aus, dass damit der Lärmrückkoppelungsmechanismus verringert oder unterbrochen werden kann und so die Flugzeugstruktur und das Bodenpersonal besser vor akustischen Einflüssen geschützt werden können. In der Studie geben die Forscher dazu etwa Hinweise zur Neugestaltung von STOVL-Flugzeugdüsen, Landeplattformen und Betriebsverfahren.
(olb)
