Moderne Technologien zur Vibrations- und Geräuschminderung in Geschäftsflugzeugen
Vibrationen in Flugzeugen entstehen üblicherweise durch schnell drehende Motoren und aerodynamische Belastungen des Flugzeugrumpfes. Der Motor erzeugt zusätzlich viel Lärm. Es gibt zwei zentrale damit zusammenhängende Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Flugzeuge. „Zum einen sollte der Komfort der Fluggäste stetig verbessert werden“, kommentiert Michael Loupis, Koordinator des EU-finanzierten Projekts TAVAC. „Zum anderen werden leistungsstärkere und effizientere Flugzeugtriebwerke eingeführt und neue leichte Flugwerke gebaut. Dadurch erhöht sich die Intensität der Motorenschwingungen und des Flugwerks, während sich die Dämmfunktion des Flugzeugrumpfes verringert. Dies stellt ein Hindernis für verbesserte Flugwerke und mehr Leistungsfähigkeit der Triebwerke dar.“
Neuartige Technologien zur Vibrations- und Geräuschminderung
Die Projektpartner haben ein System zur aktiven Schwingdämpfung entwickelt, das Motorenschwingungen durch aktive Motoraufhängung ausgleicht. Die Betriebsleistung des Systems wurde simuliert und virtuell an einem Flugzeug in Originalgröße vorgeführt, um den Schalldruck des Flugzeugrumpfes merklich zu mindern. Das Ziel von 15 dB Minderung wurde mit einer Mindestanzahl an Aktoren übertroffen. Die Projektmitglieder führten einen kommerziell erhältlichen piezoelektrischen Aktor für die Installationsparameter der Einrichtung zur Schwingdämpfung vor. „Die Installation des vorgestellten Systems zur aktiven Schwingdämpfung hatte nur wenig Auswirkungen auf die vorhandene Steifigkeit der Aufhängung und verbrauchte nur geringfügig Energie“, merkt Loupis an. Das Team hat ein aktives Antischallsystem entwickelt, um die Lärmbelästigung im Fahrgastraum zu verringern. Das System wurde in jeden Sitz eingebaut und enthält Lautsprecher, Mikrofone sowie Steuervorrichtungen des Flugzeugmodus. Das aktive Antischallsystem wurde in einer Anordnung mit zwei gegenüberstehenden Sitzreihen mit 3 Plätzen in einer nachgebauten Kabine implementiert und experimentell getestet. Grundlage bildete aus Gründen der Zuverlässigkeit und Einfachheit ein konventioneller Algorithmus. Das Team testete das System mit unterschiedlichen Lärmsignalen. Es bietet eine Minderung des Lärms durch schnelle Motorenrotation um mindestens 10 dB und eine gesamte Geräuschminderung um 15 dB unter bestimmten Bedingungen. Das Gesamtgewicht, inklusive der Steuerung des Field Programmable Gate Arrays sowie der Mikrofone, Lautsprecher, Verstärker und Stromversorgung, liegt unter 9 kg. Das Ingenieursteam entwickelte außerdem ein System zur aktiven Schwingdämpfung, um die aerodynamischen Schwingungen zu mindern, die über den Boden des Flugzeugrumpfes in den Fahrgastraum übertragen werden. Bei Verwendung kommerziell erhältlicher Aktoren übersteigt die notwendige Hilfskraft die vorgegebenen Gewichtsbeschränkungen zur Reduktion, da die Steifigkeit der Aktoren die anfängliche freie Einstellung der semi-aktiven Schwingungstilger variabler Steifigkeit an den Zielmodus verhindert. Außerdem ist die piezoelektrische Stapelung nicht ideal und bei Einstellung auf niedrigere Modi ist die Leistung nicht optimal; doch bei größerer Hilfskraft erreicht es Reduktionen von bis zu 6 dB. Er führt weiter aus: „Maßgeschneiderte Aktorenleistung führt zu mehr Reduktion, da wir den semi-aktiven Schwingungstilger variabler Steifigkeit mit Hilfsmasse innerhalb der Gewichtsbeschränkungen an den Zielmodus anpassen können“, erklärt Loupis.
Wettbewerbsvorteil dank fortschrittlicher Flugzeugleistung und Fahrgastkomfort
„Die von TAVAC vorgestellten Technologien zur Akustik-, Vibrations- und Geräuschkontrolle sind sehr vielversprechend, da sie den Fahrgastkomfort, die Qualität von Flugreisen sowie angebotene Dienstleistungen verbessern und neuen Geschäfts- und Regionalflugzeugen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen“, so Loupis abschließend. „Sie werden auch die Flugzeugleistung sowie die Treibstoffeffizienz verbessern.“ Es wird davon ausgegangen, dass das Projekt enorme Auswirkungen auf die Entwicklung angewandter Technologien für fortschrittliche Flugzeugleistung haben wird. Dies stellt eine zentrale Priorität des Forschungsprogramms Clean Sky und der Strategie Flightpath 2050 der EU dar.
Schlüsselbegriffe
TAVAC, Schwingung, Lärm, Flugzeug, Triebwerk, Flugzeugrumpf, aktive Schwingdämpfung, Antischall, semi-aktiver Schwingungstilger variabler Steifigkeit
