Blue Thunder konnte es: Der in deutschen Kinos "Das fliegende Auge" genannte Hubschrauber ließ sich im gleichnamigen Spielfilm von Normal- auf "Flüster"-Betrieb umschalten, um dann lautlos auf der Stelle zu schweben. Doch die Realität sieht anders aus: Schon von weitem kündigt sich ein Hubschrauber durch ein lautes Klack, Klack, Klack an, das beim Näherkommen einem Flapp, Flapp, Flapp weicht. Beim Überfliegen hört man ein propellerartiges Sirren und beim Landeanflug knattert es wieder.

Ungeachtet dieser Lärmbelästigung haben Hubschrauber Hochkonjunktur. Es gibt kein anderes Fluggerät, das es an Vielseitigkeit mit ihnen aufnehmen kann: Sie fliegen schnell geradeaus (manche bringen es auf mehr als 400 Kilometer pro Stunde) und können andererseits langsam aufsteigen beziehungsweise absinken und sogar auf der Stelle schweben. Hinter diesen Fähigkeiten steckt ein außerordentlich komplexes Auf- und Vortriebssystem, das letztlich aber auch den Lärm hervorbringt.

Den größten Anteil daran hat der Hauptrotor. Bei kleineren und leichteren Geräten besitzt er oft nicht mehr als zwei Blätter; der Gesamtdurchmesser beträgt dann vielleicht nur sechs Meter. Große Transporthubschrauber mit bis zu sechs Blättern können es schon auf eine Rotorfläche von zwanzig Metern Durchmesser bringen. Angetrieben durch leistungsstarke Turbinen zieht die Maschine ihr Eigengewicht samt Last nach oben und in jede gewünschte Richtung. Bei einem "normalen" Flugzeug hingegen gibt es eine Arbeitsteilung: Die Tragflächen besorgen den Auftrieb, die Triebwerke schieben die Masse voran. Um nun beide Aufgaben zu übernehmen, bedarf der Hauptrotor eines Hubschraubers einer sehr komplizierten Steuerung.

Betrachten wir zunächst den Gera-deausflug. Auftrieb setzt beim Flugzeug einen bestimmten Anstellwinkel der Tragflügel voraus, der umso größer sein muss, je geringer die Fluggeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit der anströmenden Luft ist (jenseits eines kritischen Grenzwinkels reißt die Strömung aber ab). Ein Hubschrauberrotor ist im Grunde ein sich drehender Tragflügel, doch ändert sich die Anströmgeschwindigkeit der Luft im Verlauf einer Rotation. Zum Beispiel beim Vorwärtsflug: Während einer Halbdrehung bewegt sich das Rotorblatt in Flugrichtung, während der zweiten dagegen; dementsprechend addieren sich in der ersten Phase Blattspitzen- und Fluggeschwindigkeit, in der zweiten muss letztere von der Blattspitzengeschwindigkeit abgezogen werden. Bliebe das Rotorblatt stets in der gleichen Stellung, ergäbe sich in der ersten Phase ein höherer Auftrieb und die Maschine würde kippen.

Der Trick besteht deshalb darin, den Winkel während einer Drehung so zu steuern, dass er im vorlaufenden, schnellen Bereich flacher ist als im rücklaufenden, langsameren. Aus diesem Grunde sind die Rotorblätter um ihre Längsachse steuerbar. Zusätzlich können sie senkrecht zur Rotorebene "schlagen" und auch noch in der Rotorebene "schwenken". Für diese drei Bewegungen werden zumeist Lager beziehungsweise Gelenke verwendet. Mechanisch kompliziert und aufwändig zu warten, ersetzen Hersteller wie Eurocopter sie zumindest bei leichten und mittelschweren Hubschraubern mehr und mehr durch flexible Blattwurzeln.

Steter Wechsel der Anstellung

Beim Vorlauf folgen die Blattspitzen der schnelleren Anströmung und dem somit höheren Auftrieb und bewegen sich nach oben. Doch dieser nach oben gerichteten Schlagbewegung entspricht umgekehrt auch eine Anströmung von oben. Sie verringert den lokalen Auftrieb. Beim Rücklaufen kehren sich die Verhältnisse um: Über die gesamte Rotorebene gesehen ist der Auftrieb nunmehr annähernd gleichförmig – der Hubschrauber fliegt "stabil". Um nun tatsächlich auch vorwärts zu kommen, muss diese Ebene nach vorn geneigt werden, nur dann entsteht Schub in jene Richtung. Dazu werden die Anstellwinkel der Blätter zyklisch so verändert, dass die Blätter im hinteren Bereich einer Drehung nach oben und im vorderen nach unten schlagen.

Diese Einstellung erfolgt über die so genannte Taumelscheibe am Rotorkopf. Sie besteht meist aus einem stationären unteren Teil, an welchem die Steuerung angreift, und einem sich drehenden oberen, der über mitdrehende "Steuerstangen" mit den Blättern verbunden ist. Die Taumelscheibe wird vom Piloten mittels Steuerknüppel in die gewünschte Richtung gekippt. Durch die Schrägstellung der Taumelscheibe schwingen die Steuerstangen pro Rotorumlauf auf und ab. Diesem folgt der Blattsteuerwinkel und damit der Blattauftrieb, dem wiederum (phasenverzögert entsprechend der Rotorschlagsteifigkeit) die Schlagbewegung – also während einer Umdrehungshälfte nach oben und während der anderen nach unten. Über diesen Mechanismus wird die Blattspitzen-Ebene in die gewünschte Flugrichtung geneigt.

Viele Jahre intensiver Forschung waren erforderlich, um die komplexen instationären Strömungsvorgänge an den Rotoren zu verstehen. Fragen wir zunächst nach der Ursache des Knatterns, wissenschaftlich korrekt gesagt des Rotor-Impulslärms. In der Tat gibt es zwei Sorten von Impulslärm, die für das Ohr aber ziemlich ähnlich klingen, nämlich den "Hochgeschwindigkeits"- und den "Blatt/Wirbelinteraktions"-Impulslärm. Der erste kann bei schnell drehenden Rotoren zwar schon im Schwebeflug auftreten, bei weniger schnell drehenden wirkt sich aber die beschriebene Addi-tion der Geschwindigkeiten an der Blattspitze in der Vorlaufphase aus, denn die resultierende Anströmgeschwindigkeit kommt beim schnellen Geradeausflug der Schallgeschwindigkeit schon sehr nahe. Als wesentliche Kennzahl für das Auftreten des Hochgeschwindigkeits-Impulslärms wird die advancing tip Mach number, kurz MAT, angegeben. Das ist der Quotient aus der maximalen, in der Vorlaufphase auftretenden Anströmgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit in der umgebenden Luft. Je näher dieser Wert der eins kommt, desto wichtiger werden die "elastischen" Eigenschaften der Luft, die sich aus der Kompressibilität des Gases ergeben; das hat auch akustische Auswirkungen.

Auftrieb an einem Tragflügelprofil entsteht, weil dessen Oberseite nach außen (konvex) gekrümmt ist, sodass die Luft dort schneller strömt als auf der weniger gekrümmten Unterseite. Damit einher gehen ein Druckunterschied, der den Flügel aufwärts trägt – und in unserem Fall ein paar Probleme: Selbst wenn MAT nur 0,9 beträgt, kann die Strömungs-Mach-Zahl auf der Profiloberseite Werte größer als eins annehmen. Die überschallschnelle (supersonische) Strömung auf der Blattoberseite geht aber dann über einen Drucksprung in eine unterschallschnelle (subsonische) Strömung über. Nur für Sekundenbruchteile entsteht dabei ein "aerodynamischer Verdichtungsstoß", und der ist die Quelle des impulsartigen Klackens. Dieser Hochgeschwindigkeits-Impulslärm ist in der Vor-wärtsrichtung besonders deutlich zu hören, da seine akustische Richtkeule in der Rotorebene liegt und nach vorne weist. Deshalb kündet sich ein schnell näher kommender Hubschrauber auch schon aus großer Entfernung an.

Wirbel für Wirbel

Der "Blatt/Wirbelinteraktions-Impulslärm" hat eine andere Ursache: Während der Auftriebsbewegung lösen sich stets Wirbel vom Rand eines Flügels ab. Das ist beispielsweise der Grund dafür, dass Verkehrsflugzeuge – bei denen diese Randwirbel gerade nach hinten abschwimmen – während der Landephase großen Abstand voneinander halten müssen. Beim Hubschrauber ist vor allem Lärm die Folge, nämlich dann, wenn solche Wirbel mit nachfolgenden Rotorblättern kollidieren (Details folgen weiter unten). Das geschieht insbesondere beim mäßig schnellen Landeanflug (die Fluggeschwindigkeit liegt typischerweise bei 25 bis 50 Metern pro Sekunde, der Sinkwinkel bei fünf bis acht Grad), wenn die Wirbelspuren in der Rotorebene verlaufen oder zumindest sehr nahe davon. Die Richtcharakteristik unterscheidet sich von dem zuvor geschilderten Impulslärm: Das vorlaufende Blatt strahlt Schall nach vorne, das rücklaufende nach hinten ab, aber stets nach unten oder oben und in einem Winkel von etwa 60 Grad. Den Blatt/Wirbelinteraktions-Impulslärm kann man also, wie erwähnt, besonders beim Landeanflug hören.

Schließlich wäre da noch der Heck-rotor. Eine seiner Aufgaben ist es, das Drehmoment des Hauptrotors auszugleichen – ohne ihn würde sich der Hubschrauber um die eigene Achse drehen. Im Grunde ist der Heckrotor nichts anderes als ein seitlich schiebender Propeller. Weil sein Durchmesser viel kleiner ist als der des Hauptrotors, dreht er entsprechend schneller und weist dann etwa die gleichen Blattspitzengeschwindigkeiten auf. So können beide Formen des Impulslärms auch hier auftreten. Hinzu kommt noch die Interaktion mit Wirbeln, die sich vom Hauptrotor abgelöst haben und auf die Blätter des Heckrotors treffen. Es entsteht ein hochfrequentes "Sirren", das bei entsprechender Drehrichtung hauptsächlich nach unten abgestrahlt wird und deshalb vor allem beim Überfliegen zu hören ist. Insbesondere beim schnellen Geradeausflug und beim Steigflug muss der Heckrotor volle Leistung bringen und macht deshalb viel Lärm; beim Landeanflug übertönt ihn der Hauptrotor.

Dass die Fachwelt all diese Vorgänge heute so gut versteht, verdankt sie der Arbeit zahlreicher in- und ausländischer Forscher. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Braunschweig und Göttingen nutzten im Rahmen von Kooperationen seit vielen Jahren die "Large Low-Speed Facility (LLF)" des Deutsch-Niederländischen Windkanals (DNW) nahe Emmeloord am Noordoostpolder in den Niederlanden. Dieser Windkanal erwies sich als optimale Einrichtung, Rotorlärm experimentell zu untersuchen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Der Grund: Sein weiter nutzbarer Querschnitt erlaubt es, auch große Modelle zu testen – ein unschätzbarer Vorteil, denn die Übertragbarkeit der Messergebnisse auf die Realität wächst mit der Annäherung an die Größe des Originals. Die Messstrecke des DNW-LLF ist zudem offen: Aus einer rechteckigen Düse (von sechs mal acht Metern Querschnitt) strömt die Luft über eine Entfernung von zwanzig Metern durch eine riesige, schallabsorbierend ausgekleidete Versuchshalle, bevor sie von einem Auffangtrichter wieder dem Windkanalkreislauf zugeführt wird. Ein Modellrotor lässt sich in die freie Strömung einbringen, der erzeugte Schall kann sich ungestört ausbreiten und in einiger Entfernung gemessen werden. Das entspricht eher den Verhältnissen der akustischen Wirklichkeit als in einer geschlossenen Messröhre.

So konnten die Forscher des DLR im Rahmen internationaler Kooperationen die genannten Quellen der Lärmentstehung sehr genau analysieren und Maßnahmen zur Lärmminderung ableiten. An dieser Stelle möchte ich die Erklärung für den Blatt/Wirbelinteraktions-Impulslärm nachliefern, die ein direktes Ergebnis dieser Forschung war. Betrachten wir einen Wirbel, der sich von einer Blattspitze abgelöst hat und nun auf das nachfolgende Blatt zuschwimmt. Das Geschwindigkeitsprofil eines solchen Mini-Tornados ist stets asymmetrisch. Strömt auf der einen Seite des Wirbelkerns Luft nach oben, fließt sie auf der anderen hinab (und umgekehrt), wobei die Geschwindigkeiten in Richtung des Wirbelkerns stark zunehmen. Trifft nun der Wirbel auf die Vorderkante eines Flügels, erhöht die aufwärts strömende Luft dessen Auftrieb lokal, während gleich darauf nach dem Durchlaufen des Wirbelkerns Abtrieb entsteht. Das Auftriebsverhalten des Blattes ändert sich also während einer solchen Wirbelpassage für Bruchteile einer Sekunde. Die impulsartigen Druckschwankungen erzeugen eine Abfolge impulsartiger Schallsignale.

Jedes Blatt zu jedem Moment optimal einstellen

Um diese zu mindern, ohne das Flugverhalten des Hubschraubers zu beeinflussen, gibt es drei Möglichkeiten: Man könnte

- die Wirbelstärke – das ist die maximale Geschwindigkeitsänderung nahe dem Kern – verringern,

- die momentane Auftriebsänderung während der Wechselwirkung von Wirbel und Blatt minimieren oder

- die Entfernung zwischen beiden in dieser Phase vergrößern.

Das alles erfordert lediglich, den Anstellwinkel des Rotorblatts während eines Umlaufs "im richtigen Moment" zu ändern und für Sekundenbruchteile optimal einzustellen. Eine hierfür geeignete und Erfolg versprechende Technik ist die Einzelblattsteuerung, auf Englisch individual blade control (IBC). Während die für den normalen Flugbetrieb erforderlichen zyklischen Winkeländerungen vier bis fünf Grad betragen, liegen diese IBC-Korrekturen bei maximal einem Grad. Die Technik dahinter umfasst Aktuatoren auf dem oberen, rotierenden Teil der Taumelscheibe, deren Längen individuell gesteuert werden.

Den theoretischen Überlegungen folgten Modell-Versuche im DNW-LLF. Schließlich gab es Flugversuche mit realen Hubschraubern im Rahmen einer Kooperation der Firmen Eurocopter Deutschland, ZF Flugzeugbau und DaimlerChrysler sowie dem DLR. Dabei erwiesen sich die IBC-gesteuerten Rotoren als nur etwa halb so laut wie konventionelle – jedenfalls in Sachen Blatt/Interaktions-Impulslärm.

Bei ersten Versuchen wurden die optimalen IBC-Winkel empirisch durch Versuche bestimmt. In diesem Sommer haben die Wissenschaftler der genannten Einrichtungen in Zusammenarbeit mit dem EADS-Labor Ottobrunn einen Regelkreis getestet, bei dem ein Schallsignal als Regelgröße aufgenommen wurde.

Der durch den raschen Wechsel von Über- und Unterschallströmung auf der Profiloberseite der Rotorblätter verursachte Hochgeschwindigkeits-Impulslärm lässt sich aber nur durch hochfrequente Steuereingaben in den Griff bekommen. Das Ziel ist, hierbei den Verdichtungsstoß zu destabilisieren.

Eine in bestimmten Grenzen sehr effiziente und bei allen modernen Blättern angewandte Methode läuft darauf hi-naus, die lokale Anströmung im äußeren Bereich des Blattes deutlich unter Mach Eins zu bringen. Eine ähnliche Aufgabe stellte sich übrigens auch den Entwicklern aller überschallschnellen Flugzeuge wie der Concorde. Sie lösten sie durch sich stark nach hinten verjüngende (gepfeilte), dünne Tragflächen. Zwar wurden diese mit Mach Zwei angeströmt (das entspricht über 2000 Kilometern pro Stunde), doch die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Flügelvorderkante blieb durch die Formgebung subsonisch, und der sich ausbildende Verdichtungsstoß war weitaus schwächer, als es bei einem ungepfeilten Flügel der Fall gewesen wäre. Das gleiche Prinzip machen sich nun die Entwickler bei Rotoren von schnellen Hochleistungshubschraubern zu Nutze: Die Vorderkante wird im Bereich der Blattspitze nach hinten gepfeilt, diese möglichst dünn ausgebildet und dadurch der aerodynamische Stoß vermieden oder zumindest reduziert.

"Fly neighborly" – auch Piloten sind gefordert

Noch ein Wort zur Akustik des Heckrotors. Prinzipiell gibt es vier Möglichkeiten, ihn leiser zu machen. Dreht er langsamer und noch dazu in Flugrichtung nach oben, so erzeugt er in Richtung Boden weniger Lärm. Rüstet man den Heckrotor mit relativ vielen Blättern (also mehr als zwei) aus, so hat das den Vorteil, dass die aerodynamische Blattbelastung auf "viele Schultern" verteilt wird, was insgesamt zu weniger Lärm führt. Ordnet man die Blätter in Umfangsrichtung ungleichmäßig an, dann werden insbesondere die höherfrequenten tonalen Komponenten reduziert. Des Weiteren ummanteln einige Hersteller mittlerweile den Heckrotor (diese beim deutsch-französischen Hubschrauber EC 135 vorhandene Konfiguration wird "Fenestron" genannt); das ermöglicht, den geforderten Schub mit geringerer Drehzahl und Blattbelastung zu erreichen. Und dies äußert sich in geringerem Lärm. Manche Hersteller verzichten ganz auf einen konventionellen Heckrotor. So ersetzt beim leichten amerikanischen Hubschrauber Explorer ein am Ende des Heckauslegers seitlich ausblasender Schubstrahl sowie eine durch Ausblasen entlang des Heckauslegers erzeugte Seitenkraft den Heckrotor. Diese pfiffige NOTAR (NO TAil-Rotor) genannte Technik verringert zwar den Lärm – und das ist in der Tat ihr primärer Zweck –, aber der erforderliche große Durchmesser des Heckauslegers spricht bei großen Hubschraubern gegen diese Lösung.

Viele solcher Verfahren werden schon heute bei Hubschraubern eingesetzt, aber wie immer müssen Kompromisse eingegangen werden. Weniger Lärm gibt es nicht umsonst. So spricht gegen die Nutzung von vielen Blättern der zusätzliche mechanische Aufwand, wie auch das höhere Gewicht. Die ungleichmäßige Verteilung von Blättern in Umfangsrichtung erfordert kompliziertere Rotorköpfe. Fenestron-Konfigurationen, wie eben auch die NOTAR-Lösung, sind aber Stand der Technik für Leichthubschrauber.

Derzeit arbeiten Forscher international daran, die komplexen aerodynamischen Wechselwirkungen von Haupt- und Heckrotor und deren Auswirkungen auf die Gesamtakustik noch besser zu verstehen. Hierbei gibt es auch zwischen Industriefirmen punktuelle Kontakte, die sich allerdings auf den vorwettbewerblichen Bereich beschränken. Auch die Flugbahnsteuerung etwa durch GPS (Global Positioning System) bietet Möglichkeiten, den Piloten bei einer "leiseren" Flugweise zu unterstützen, wie durch lärmoptimierte Anflugwinkel und -geschwindigkeiten. Fly neighborly nennen unsere amerikanischen Kollegen die Devise des lärmarmen Fliegens.

Entscheidende Verbesserungen dürfte die Blattsteuerung im drehenden System bringen. Derzeit sind es noch hydraulische Aktuatoren. In zehn Jahren werden es piezoelektrische Elemente sein, die dann nicht mehr das ganze Blatt verstellen, sondern nur noch den Bereich der Blattspitze im äußeren Drittel. Diese Technik wird nicht nur aus Lärmgründen angewandt werden. Vielmehr kann sie zusätzlich Vibrationen reduzieren und frühzeitige Strömungsablösung bei Hochgeschwindigkeits- und Manöverflug und damit unerwünschten Leistungsanstieg vermeiden. Das Endziel einer Anwendung von Steuerstellern im drehenden System – sei es an der Blattwurzel oder zur Steuerung von Klappen im Blattaußenbereich – ist der komplette Ersatz des herkömmlichen Steuersystems.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 2001, Seite 64
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH