Die Hubschrauber von morgen müssen vor allem eines: leiser und
effizienter werden. Neben den Triebwerken trifft das besondere
Augenmerk der Forscher und Entwickler das Rotorsystem des
Drehflüglers.
Rotoren sind unter bestimmten Betriebsbedingungen die Hauptquelle des Lärms, den ein Hubschrauber erzeugt. Um diesen Lärm und gleichzeitig Vibrationen zu reduzieren, untersuchte das Deutsche DLR gemeinsam mit Airbus Helicopters eine aktive Rotorsteuerung an einem modernen Fünfblattrotor im Windkanal. Das Ergebnis: rund 30 Prozent weniger Lärm.
Im Vergleich zu Starrflüglern haben Hubschrauber in vielen Einsatzsituationen große Vorteile. Sie können im Schwebeflug in der Luft stehen oder senkrecht starten und landen. Der Hauptrotor, der am Hubschrauber sowohl Quelle des Auftriebs als auch des Vortriebs ist, verursacht aber auch eine Reihe an aeroelastischen und aeroakustischen Problemen, wie zum Beispiel hohe Vibrationen und eine starke Lärmentwicklung. Während Vibrationen sich hauptsächlich negativ auf den Passagierkomfort und die Lebensdauer von Bauteilen auswirken, spielt der Rotorlärm besonders im Landeanflug über bewohntem Gebiet eine wichtige Rolle. Eine Möglichkeit, diesen Lärm zu reduzieren, ist die aktive Rotorsteuerung.
Effektiv gesteuerte Rotorblätter
Die Vorteile zeigen sich im Windkanal deutlich: Durch den Einsatz der Mehrfachtaumelscheibe konnten die DLR-Forscher Vibrationen und Lärmabstrahlungen im Landeanflug nun auch am Fünfblattrotor erfolgreich reduzieren. Durch die individuelle Ansteuerung der Blätter verringerte sich der im Landeanflug zum Boden hin abgestrahlte Rotorlärm um bis zu 3 Dezibel, was etwa einer Entlastung um 30 Prozent entspricht. Im Hochgeschwindigkeitsflug mit mehr als 270 km/h verringerte sich die benötigte Leistung für den Hauptrotor, ein Indikator für den Kraftstoffverbrauch des realen Hubschraubers, um mehr als fünf Prozent. Unangenehme Vibrationen, die im Flug durch den Rotor entstehen, konnten die Wissenschaftler durch ein neues, adaptives Regelungssystem um mehr als 80 Prozent reduzieren. Ein Hubschrauberflug könnte also schon bald nicht nur leiser, sondern auch sehr viel angenehmer werden.
Für die Untersuchungen im Niedergeschwindigkeitswindkanal der Deutsch-Niederländischen Windkanäle (DNW) setzten die Forscher die am DLR entwickelte und patentierte Mehrfachtaumelscheibe META ein, um die Einstellwinkel der Rotorblätter während des Rotorumlaufs mehrmals zu verstellen und somit aktiv auf die Lärm- und Vibrationsentwicklung am Hubschrauber einzuwirken. „Die META besteht aus zwei miteinander kombinierten Taumelscheiben, die es uns ermöglichen, die Rotorblätter individuell anzusteuern“, erklärt SKAT-Projektleiter Philip Küfmann vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik die Funktionsweise, die an einem Vierblattrotor bereits erfolgreich erprobt wurde. „Die Herausforderung bei einem Fünfblattrotor besteht darin, dass die Rotorblätter asymmetrisch auf die beiden Taumelscheiben aufgeteilt sind, was die dynamische Ansteuerung des gesamten Systems verkompliziert.“ Die Wissenschaftler und Techniker des DLR mussten neben neuer Hardware, wie einem Fünfblatt-Rotorkopf und angepassten Taumelscheibenringen, auch neue Steueralgorithmen für das Fünfblattsystem entwickeln.
Dieser Artikel ist in voller Länge in der Ausgabe 4/2017 von ROTORBLATT – Deutschlands führendem Helikopter-Magazin zu lesen.
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