Leise Propulsoren für Flugtaxis

  Leiser Propulsor Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Durch die Entwicklung moderner Flugtaxis soll eine neue Transportmöglichkeit etabliert werden, welche Passagiere schnell, sicher, komfortabel und emissionsarm an ihr Ziel bringt. Diese urbane und regionale Luftmobilität ist eines der wichtigsten Zukunftsfelder der Luftfahrtindustrie und soll einen entscheidenden Beitrag zur Mobilität der Zukunft leisten.

 

Hörbare Emissionsreduktion

Die von EU-Kommission und Luft- und Raumfahrtindustrie gemeinsam erarbeitete Forschungs- und Innovationsstrategie Flightpath 2050 sieht eine Reduktion der wahrgenommenen Lärmemission von fliegenden Flugzeugen um 65 % vor.

Diese Werte beziehen sich auf die Fähigkeiten von typischen neuen Flugzeugen im Jahr 2000.

 

Lärmfreie Luftfahrt

Mit dem erwarteten exponentiellen Anstieg des regionalen Luftverkehrs wird es zunehmend unverzichtbar, die damit verbundenen Lärmemissionen im gleichen Maße zu reduzieren. Dieser Herausforderung haben wir uns am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen der RWTH Aachen gestellt und uns der Entwicklung eines leisen Antriebssystems für Flugtaxis verschrieben. Das Ergebnis: Unser lärmfreier Mantelpropeller – in Kombination mit emissionsfreien Wasserstoff-Brennstoffzellen – birgt das Potential die nächste Revolution der regionalen Luftfahrt zu ermöglichen.

 
Video abspielen
 

Technische Einführung

Um den Anforderungen eines schnellen und komfortablen Transportmittels gerecht zu werden, müssen Flugtaxis in direkter Nähe zu Wohngebieten und Innenstädten operieren. Dies lässt sich nur realisieren, indem durch einen nahezu geräuschlosen Betrieb des Propulsors eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung geschaffen wird. Die Optimierung eines solchen leisen Propulsors umfasst sowohl die Reduktion der Schallentstehung innerhalb des Propulsors als auch die Schallausbreitung hin zum ruhenden Beobachter, sodass das am Beobachter ankommende instationäre Druckfeld von möglichst geringer Amplitude und Nervigkeit ist.

Während die Konfiguration für klassische Passagierflugzeug schon seit mehreren Jahrzehnten eine scheinbare Konvergenz erreicht hat, werden für Flugtaxis unterschiedlichste Konfigurationen diskutiert. Je nach Konfiguration sind verschiedene Flugzeugteile stromauf des Propulsor platziert und beeinflussen so die Homogenität der in den Propulsor eintretenden Strömung. Für eine optimale aerodynamische und akustische Performance des Propulsors ist eine hohe Zuströmqualität essentiell.

 

Forschungstrends

CFD Simulation eines Propulsors Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST CFD Simulation eines Propulsors

Methodenentwicklung

Die stetige Weiterentwicklung der am Institut verfügbaren Toolketten und Methoden bildet die Grundlage für die Aktivität im Bereich leiser Propulsoren.

Aufgrund der Vielzahl an Design-Variablen und deren ausgeprägten interdisziplinären Abhängigkeiten kommt den Physik basierten Vorauslegungstools zur Vorhersage von Trends und Design Trade Offs eine entscheidende Bedeutung zu.

Die bestehende Toolkette reicht von Mittelschnittsverfahren bis hin zu hochauflösenden URANS Simulationen und wird stetig erweitert.

Aeroakustische Optimierung

Zur Minimierung der Schallentstehung wird die Geometrie der Schaufelreihen dahingehend optimiert, dass sich Druckstörungen bis zum Auftreffen auf benachbarte Schaufelreihe möglichst stark ausmischen und/oder sich durch destruktive Interferenz auslöschen.

Zur Reduktion der Schallausbreitung wird am Institut intensiv das Konzept eines Mantelpropellers verfolgt. Hierbei sind bei geschickter Wahl der Schaufelzahlen einzelne akustische Moden innerhalb des Propulsor nicht ausbreitungsfähig. Durch den Einsatz von akustischen Linern wird die Schallausbreitung weiter reduziert.

Integration in neuartige Flugtaxikonfigurationen

Im Rahmen der Propulsorintegration wird für die relevanten Betriebszustände die von der Flugtaxikonfiguration induzierte Zuströmung zum Propulsor ermittelt und deren Auswirkung auf die Propulsordurchströmung bestimmt. Durch einen kombinierten Einsatz der Strömungslöser TRACE und TAU erfolgt eine Optimierung von Propulsorposition, Einlaufgeometrie und Schaufelgestaltung.