Ursache von Hubschrauberlärm sichtbar gemacht

Die Fähigkeit von Hubschraubern, senkrecht starten und landen zu können, verdanken sie ihrem Rotor. Doch dieser Manövriervorteil hat seinen „Preis“: Der Rotor ist für das typische Teppichklopfergeräusch und für die im Inneren deutlich spürbaren Vibrationen verantwortlich. Die exakte Ursache dieses Hubschrauberlärms konnten Forscher nun erstmals sichtbar machen.

„Fast alles, was man von einem Hubschrauber hört, ist aerodynamischer Lärm“, weiß Markus Raffel, Leiter der Abteilung Hubschrauber im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Göttingen. Ein großer Teil davon sei auf sogenannte Blattspitzenwirbel am äußeren Ende der Rotorblätter zurückzuführen.

Auf der Oberseite des Rotorblatts entstehe dabei ein Unterdruck, auf der Unterseite ein Überdruck. Die Luft werde dadurch beschleunigt, hinter der Rotorblattspitze bilde sich so ein konzentrierter Wirbel, sagt Strömungsexperte Raffel.

„Der Lärm entsteht dadurch, dass der Wirbel eines Rotorblattes mit einem anderen Rotorblatt kollidiert“, erklärt André Bauknecht, der die aktuellen Versuche leitete. Für ihre Untersuchungen nutzten die DLR-Forscher ein bekanntes Phänomen: An einem heißen Sommertag fängt die Luft über manchen Straßenstellen an zu flimmern. Grund dafür sind Schwankungen in der Dichte der Luft. Dadurch wird das Licht gebrochen und ist vor einem passenden Hintergrund als Schliere sichtbar.

Aus dieser Erkenntnis entwickelte Raffel mit seinen Kollegen bereits vor Jahren die sogenannte Hintergrundschlieren-Methode (Background Oriented Schlieren Method, kurz BOS), die heute in aerodynamischen Versuchsanlagen in aller Welt eingesetzt wird.

In einer Reihe einzigartiger und teils abenteuerlicher Experimente haben die DLR-Aerodynamiker diese Messmethode nun im Flug getestet. Dafür nutzten sie natürliche Hintergrundflächen, um die Rotorwirbel sichtbar zu machen. Ein passender Hintergrund muss möglichst fein strukturiert und gleichmäßig sein. „Drum haben wir geschaut, wo in der Natur solche Flächen vorhanden sind“, sagt Versuchsleiter Bauknecht.

Eine Weltpremiere gelang mit einem Hubschrauber der Schweizer Luftwaffe vom Typ Cougar vor einem felsigen Hintergrund in den Alpen. Erstmals waren auf Kamerabildern eines fliegenden Helikopters die Rotorwirbel so deutlich zu sehen, dass daraus wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden können.

Im jüngsten Experiment flog ein Forschungshubschrauber des DLR, die BO 105, in einen Steinbruch im Harz – eine gefährliche Umgebung selbst für einen wendigen Hubschrauber. Der enge Raum sowie dicht über dem Boden zu fliegende Manöver stellten die Testpiloten vor große Herausforderungen. So mussten Wippmanöver in gerade einmal 10 m Höhe geflogen werden. Als Hintergrund diente das lose Geröll des Abraumhangs.

Zehn Kameras filmten dabei aus verschiedenen Positionen den Flug im Kalksteinbruch Winterberg der Fels-Werke GmbH bei Seesen. Sie lieferten so gute Aufnahmen, dass erstmals ein Großteil der Rotorwirbel sogar dreidimensional sichtbar gemacht werden konnte.

Künftig sollen Flugversuche mit einem Hubschrauber stattfinden, der zusätzlich mit Messtechnik ausgestattet ist. Die DLR-Forscher hoffen, die aufgenommenen Wirbel direkt mit den Steuereingaben des Piloten abgleichen zu können.

Bereits jetzt sei absehbar, dass die Messtechnik aus Göttingen ein wichtiges Hilfsmittel für die Industrie liefere, meinen die Strömungsexperten des DLR. Damit könnten die Entwickler von Hubschraubern die Bildung der Blattspitzenwirbel exakter vorab erfassen und die Form der Rotorblätter variieren oder Änderungen an der Rotorsteuerung vornehmen.

„Hersteller könnten dann verschiedene Rotorblätter unter realistischen Bedingungen vergleichen“, wagt Bauknecht einen Ausblick in eine leisere Zukunft. ber