Labortests sind vielversprechend für die Reduzierung von Düsenlärm in der kommerziellen und militärischen Luftfahrt.
Luft- und Raumfahrtingenieure der University of Cincinnati und des Naval Research Laboratory haben ein neues Düsendesign für F-18-Kampfflugzeuge entwickelt, von dem sie hoffen, dass es das ohrenbetäubende Dröhnen der Triebwerke dämpft, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Der angesehene Professor Ephraim Gutmark, ein angesehener Wissenschaftler aus Ohio, und seine Studenten am College of Engineering and Applied Science der UC entwarfen und testeten die neuen Düsen an Strahltriebwerken im Maßstab 1:28 in seinem Aeroakustiklabor.
Das Innere der Düsen weist dreieckige Flossen wie Reihen von Haifischzähnen auf, die das Strahltriebwerksgeräusch in UC-Labortests deutlich reduzierten. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen UC, dem US Naval Research Laboratory und der Naval Air Station Patuxent River. In diesem Herbst wird NAVAIR die UC-Designs und -Leistung auf F-18 Super Hornets testen, dem taktischen Kampfflugzeug, das von den US-Marines und der US-Marine eingesetzt wird.
Laser beleuchten die Wolke eines maßstabsgetreuen Düsentriebwerks, das an Bord der F-18 Super Hornets verwendet wird. UC hat eine neue Triebwerksdüse entwickelt, die den Lärm von Strahltriebwerken dämpft, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Bildnachweis: Andrew Higley/UC Creative + Brand
„Es handelt sich um einfache Anbauteile, die das Verhalten des aus dem Motor austretenden Stroms mit minimaler Auswirkung auf seine Leistung ändern“, sagte Gutmark.
Labortests von UC zeigten, dass die neue Düse Motorgeräusche um 5 bis 8 Dezibel reduzieren konnte. Das scheint nicht viel zu sein. Aber im Gegensatz zu linearen Skalen wie einem Lineal, bei dem ein Zoll immer ein Zoll ist, werden Dezibel in einer logarithmischen Skala gemessen, bei der 20 Dezibel ein zehnmal lauteres Geräusch sind.
„Das ist sehr bedeutsam“, sagte Gutmark. „Normalerweise freuen sich Motorenhersteller sogar über eine Verbesserung um ein halbes Dezibel, da Dezibel eine logarithmische Skala darstellen.“
Mohammad Saleem, Doktorand am UC College of Engineering and Applied Science, hält eine der neuartigen Strahltriebwerksdüsen, die UC im Labor von Professor Ephraim Gutmark entwickelt hat. Die US Navy wird das Design von UC diesen Herbst an F-18 Super Hornets testen. Bildnachweis: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Die vorläufigen Laborergebnisse von UC versprechen eine Reduzierung des Fluglärms sowohl in der kommerziellen als auch in der militärischen Luftfahrt. UC und die Navy meldeten ein gemeinsames Patent an.
„Wenn das Design mit diesem Motor funktioniert, kann es mit sehr geringen Modifikationen auf jeden anderen Motor angewendet werden“, sagte Gutmark.
Das Projekt wurde im Rahmen des Strategic Environmental Research and Development Program des Environmental Research Program des US-Verteidigungsministeriums finanziert.
Laut Zahlen des US-Veteranenministeriums sind Hörverlust und Tinnitus die Hauptursachen für Ansprüche wegen Invalidität bei Militärangehörigen, von denen mehr als 2.6 Millionen ehemalige Militärangehörige betroffen sind. Die VA gibt jährlich mehr als 1 Milliarde US-Dollar für Fälle von Hörverlust aus, was etwa 15 % der jedes Jahr bei der VA eingereichten neuen Invaliditätsansprüche ausmacht.
Die Forschung von UC verspricht, die Gesundheits- und Sicherheitsauswirkungen von Düsenlärm auf die kommerzielle und militärische Luftfahrt zu reduzieren. Hier trägt eine Flugbesatzung an Bord der USS Ronald Reagan Gehörschutz, während sie hilft, F/A-18 Super Hornets zu starten und zu landen. Bildnachweis: Grey Gibson/US Navy
Insbesondere Fluglärm stellt in der Militär- und Verkehrsluftfahrt ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Nach Angaben des Naval Research Advisory Committee ist das Marinepersonal auf Flugdecks Lärm von über 150 Dezibel ausgesetzt.
„Auf Flugzeugträgern muss die Besatzung, die mit den Piloten auf dem Flugdeck arbeitet, beim Start sehr nahe am Flugzeug sein. Wegen der kurzen Start- und Landebahn auf dem Träger müssen sie den Motor mit Nachbrennern betreiben, daher ist es sehr laut“, sagte Gutmark.
Jets sind so laut, dass der Lärm und die Vibrationen sogar das Flugzeug selbst beeinträchtigen können – ein Phänomen, das als akustische Belastung bezeichnet wird, sagte Gutmark.
„Indem Sie den Lärm unterdrücken, helfen Sie der Besatzung, aber auch der Langlebigkeit des Flugzeugs selbst“, fügte Gutmark hinzu.
„Es ist spannend zu wissen, dass man an Kampfflugzeugen arbeitet. Es gibt einen coolen Faktor.“
- Mohammad Saleem, Student der Luft- und Raumfahrttechnik an der UC
UC arbeitet seit zwei Jahren mit dem Naval Research Lab und NAVAIR an dem Projekt. Die Marine stellt Computeranalysen und Flugzeuginformationen zur Verfügung, um die Konstruktions- und Versuchsarbeit von UC zu ergänzen.
Die vielfältige Forschung von Gutmark umfasste Motorverbrennungs- und Antriebstechnologie, Akustik und sogar biomedizinische Forschung. Er unterrichtete Piloten im Strike Fighter Tactics Instructor Program der US Navy, der Schule, die den Film „Top Gun“ inspirierte, in Grundlagen der Luft- und Raumfahrttechnik.
„Es war aufregend, sie zu unterrichten, weil sie wirklich interessiert waren“, sagte Gutmark. „Sie wollten wirklich mehr darüber wissen, was passiert, wenn das Flugzeug dies oder jenes tut. Und Feedback von jemandem zu bekommen, der versteht, was das Flugzeug praktisch macht, wenn es fliegt, war eine besondere Gelegenheit.“
Die UC-Doktoranden Mohammad Saleem und Aatresh Karnam arbeiten im Aeroakustiklabor der UC an maßstabsgetreuen Modellen von F-18 Super Hornet-Düsentriebwerken. Bildnachweis: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Studenten in Gutmarks Labor tragen Gehörschutz in Industriequalität, wenn sie mit den Strahltriebwerken in einem unterirdischen Labor in Rhodes Hall arbeiten. Die Motoren sind in einer schalltoten Kammer am Boden montiert – einem Raum, der so konzipiert ist, dass er Reflexionen von Schallwellen vollständig absorbiert. Die Schüler können Strahltriebwerke ferngesteuert außerhalb der Kammer einschalten und eine Reihe von Sensoren verwenden, um die Geräusche der Abgasfahnen zu messen und zu analysieren.
„In unserem Labor haben wir vier verschiedene Messtechniken, einschließlich Signalverarbeitung durch akustische und optische Messungen und Lasergeräte“, sagte UC-Doktorand Aatresh Karnam. „Wie in jedem technischen Bereich muss man mehrere Techniken anpassen, um zu wissen, welche Daten erfasst, wie sie verarbeitet und wie sie interpretiert werden sollen. Das ist eine schwierige Herausforderung.“
Eine Anordnung empfindlicher Mikrofone umgibt die Düse in der Kammer. Es überrascht vielleicht nicht, dass das Geräusch je nach relativer Position zur Strahlfahne anders klingt.
„Jede dieser Geräuschkomponenten breitet sich in verschiedene Richtungen aus“, sagte Professor Gutmark. „Die Mikrofone sind in einem Bogen um den Jet verteilt, sodass wir Geräusche erkennen können, die stromabwärts, stromaufwärts oder seitwärts gehen.“
UC-Studenten für Luft- und Raumfahrttechnik verwenden Laser und andere Geräte, um Geräusche und die Abgasfahne eines maßstabsgetreuen Modells eines Düsentriebwerks zu beobachten und zu messen, das in F-18 Super Hornets verwendet wird. Bildnachweis: Andrew Higley/UC Creative + Brand
UC-Ingenieure testen ihre neuartigen Düsendesigns sowohl an kalten als auch an erhitzten Düsen mit Abgasen, die bis zu 1,100 Grad heiß sind Fahrenheit. Der Jet ist ein maßstabsgetreues Modell des F18-Triebwerks der F-404, das von General Electric Aviation mit Hauptsitz in Cincinnati hergestellt wird.
„Der Nachbrenner des Auspuffs eines echten Jets wird sogar noch heißer“, sagte Karnam.
UC-Doktorand Mohammad Saleem sagte, Flugzeuge seien heute leiser als noch vor 20 Jahren. Sowohl die kommerzielle als auch die militärische Luftfahrt haben ein starkes öffentliches und finanzielles Interesse an der Lärmminderung. Selbst inkrementelle Verbesserungen können tiefgreifende Auswirkungen haben, sagte er.
„Diese Lärmminderungstechnologien sind äußerst vorteilhaft für die Gemeinden, die in der Nähe von Luftwaffenstützpunkten leben, und für das Personal, das auf Flugzeugträgern arbeitet“, sagte Saleem.
UC-Doktorand Mohammad Saleem hält mehrere kundenspezifische Strahltriebwerksdüsen hoch, an deren Entwicklung er im Labor von UC-Professor Ephraim Gutmark beteiligt war. Bildnachweis: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Saleem sagte, er habe sich schon immer für Luft- und Raumfahrttechnik interessiert. Aber er genießt die Herausforderung, die ein so kompliziertes Projekt wie Triebwerksgeräusche mit sich bringt.
„Ich habe mich für UC entschieden, weil es eine starke Schule für Antriebssysteme ist“, sagte er.
Aber er gibt zu, dass seine Freunde und Familie beeindruckt sind, wenn er über die Zusammenarbeit mit F-18 Super Hornets spricht.
„Es ist spannend zu wissen, dass man an Kampfflugzeugen arbeitet. Es gibt einen coolen Faktor“, sagte Saleem.
„Engineering ist Problemlösung. Die Freude kommt mit einem System, das funktioniert. Ich denke, das ist befriedigend.“
