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DLR-Forscher machen Krach sichtbar: Viel Lärm um „tanzenden“ Helikopter

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Von: Thomas Kopietz

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Wenn ein Heli tanzt: Göttinger Forscher des DLR ließen auf einem Flugfeld in Braunschweig eine Sikorsky CH 53 der Bundeswehr tänzeln. Der Tanz half, den Lärm der Rotorblätter vor einer speziellen Hangar-Wand (hinten rechtes) mittels Kameras sichtbar zu machen
Wenn ein Heli tanzt: Göttinger Forscher des DLR ließen auf einem Flugfeld in Braunschweig eine Sikorsky CH 53 der Bundeswehr tänzeln. Der Tanz half, den Lärm der Rotorblätter vor einer speziellen Hangar-Wand (hinten rechtes) mittels Kameras sichtbar zu machen © DLR/nh

Forscher aus Göttingen machen Krach von Helikoptern sichtbar. Die Erkenntnisse sollen zur Entwicklung leiserer Maschinen beitragen.

Göttingen – Lärm sichtbar zu machen – ist das möglich? Ja! Diese Antwort lieferten Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Göttingen und leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung von leiseren und sogar für die Passagiere komfortableren Hubschraubern. Und sie lieferten damit eine Story für unsere HNA-Serie „GÖ-2022“, in der es um Lesenswertes geht, über das im Medienalltag nur schnell, knapp oder gar nicht berichtet wurde.

Hauptursache für Lärm von schweren Helikoptern

Die Meldung lautete: Forscher des DLR aus Göttingen haben die Hauptursache für den Lärm eines fliegenden schwergewichtigen Hubschraubers sichtbar gemacht. Dahinter aber verbirgt sich eine faszinierende Wissenschaftsgeschichte. Allein, die Versuche, den mächtigen Lärm des Hubschraubers, der auch das typische Heli-Teppichklopfgeräusch erzeugte, optisch sichtbar zu machen, waren spektakulär: Sie ließen einen knapp 27 Meter langen Bundeswehr-Transporthubschrauber vom Typ Sikorsky CH-53 auf einem Flugfeld in Bodennähe tanzen.

Die Maschine flog in zwei bis zwölf Metern Höhe über dem Boden im Schwebeflug. Drei Hochgeschwindigkeits-Kameras nahmen aus verschiedenen Blickwinkeln entstehenden Luftwirbel an den sechs Rotorblättern auf. Zwei weitere Kameras bestimmten die Position der CH-53 mit hoher Präzision.

Dass ein Hubschrauber senkrecht starten und landen kann, verdankt er seinem Rotor. Dieser ist aber auch für den ohrenbetäubenden Lärm und die Vibrationen im Flug verantwortlich. „Fast alles, was man von einem Hubschrauber hört, ist aerodynamischer Lärm. Ein großer Teil davon entsteht durch die sogenannten Blattspitzenwirbel“, sagt Prof. Markus Raffel, Leiter der Abteilung Hubschrauber im DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Göttingen.

Prof. Raffel ist Forscher und Pilot zugleich

Raffel übrigens wurde auch dadurch international bekannt, weil er die legendären Otto-Lilienthal-Gleiter nachbaute und selbst flog. Jetzt agierte der Göttinger quasi als „Tanzlehrer“ für einen 15-Tonnen-Lasthubschrauber.

Zurück zur Lärmerzeugung: Die Blattspitzenwirbel entstehen am äußeren Ende eines Rotorblattes. Auf der Oberseite bildet sich ein Unterdruck, auf der Unterseite ein Überdruck. Die Luft wird so beschleunigt, und hinter der Rotorblattspitze entsteht ein konzentrierter Wirbel. Und der ist letztlich verantwortlich für Lärm, wenn besagter Wirbel des Rotorblattes mit einem anderen Rotorblatt kollidiert. Diese Wirbel verursachen auch das Helikopter typische „Teppichklopfer-Geräusch“ und führen zudem zu Vibrationen im Hubschrauber, was den Flugkomfort verringert.

Pioniere aus Göttingen auf dem Gebiet der Visualisierung

Bereits in der Vergangenheit waren die Göttinger DLR-Hubschrauber-Forscher Pioniere auf dem Gebiet der Visualisierung von Hubschrauber-Lärm. Erstmals gelang ihnen 2013 die Sichtbarmachung der verantwortlichen Luftwirbel im Flug. Dafür nutzten sie damals wie auch jetzt eine besondere optische Messtechnik.

Die „Hintergrundschlierenmethode“ (kurz: BOS, Background Oriented Schlieren Method) wurde bereits im Jahr 2000 am Göttinger DLR entwickelt. Durch Schwankungen der Dichte wird das Licht in der Luft gebrochen. Vor geeigneten Hintergrundmustern ist dies als Schliere – wie Dreckspuren an einer Fensterscheibe – erkennbar.

Sichtbarer Lärm: Die DLR-Forscher zeigen mittels Hochgeschwindigkeitskameras den Lärm – Schlieren –, der an Rotorblättern von Hubschraubern entsteht.
Sichtbarer Lärm: Die DLR-Forscher zeigen mittels Hochgeschwindigkeitskameras den Lärm – Schlieren –, der an Rotorblättern von Hubschraubern entsteht. © DLR/nh

Das Phänomen kennt jeder vom Flimmern über manchen Straßenstellen an einem heißen Sommertag. Um mit derselben Methode die Blattspitzenwirbel während der Landungen zu untersuchen, wurde bei den aktuellen Versuchen 2022 ein großflächiges künstliches Punkte-Muster am DLR-Hangar in Braunschweig angebracht.

Blattspitzenwirbel spielen besondere Rolle

In Bodennähe spielen Blattspitzenwirbel eine besondere Rolle, da in sandigen Gebieten oder im Schnee Luftverwirbelungen Bodenmaterial aufwirbeln. Diese kann den Piloten die Sicht nehmen und zudem am Boden wartende Menschen extrem belästigen.

Fast alles, was man von einem Hubschrauber hört, ist aerodynamischer Lärm.

Prof. Markus Raffel, DLR

Die Göttinger DLR-Forscher untersuchten bei diesem Test „Skaleneffekte“ und konnten zeigen, dass die Wirbel bei einem großen Hubschrauber wie der CH-53 anders sind als bei einem kleineren Modell.

Aerodynamiker, Pilot und Lilienthal-Gleiter-Flieger: Prof. Markus Raffel.
Aerodynamiker, Pilot und Lilienthal-Gleiter-Flieger: Prof. Markus Raffel. © DLR/nh

Durch die gewonnenen Erkenntnisse werden neue Möglichkeiten eröffnet, künftige Hubschrauber leiser und komfortabler zu machen. „Wir wollen, dass die Wirbel an den Rotorblättern möglichst schwach sind und schnell zerfallen“, beschreibt Markus Raffel. Das könnte auch durch eine geschwungene Form der Rotorblätter erreicht werden. Über solche verfügen bereits kleinere Hubschrauber wie der Airbus Helicopter H160. Übrigens: Auch bei dessen Entwicklung hatten DLR-Forscher ihre Köpfe und Hände im Spiel.

Die Tests mit dem tanzenden Bundeswehr-Heli-Arbeitspferd CH 53 lief im Rahmen des DLR-Projekts „Urban Rescue“. Weitere Infos gibt es hier. (Thomas Kopietz)

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