Als Adaptive Rotorblätter werden bei Hubschraubern eingesetzte Rotorblätter bezeichnet, die über Aktuatoren ihre Oberfläche oder Form verändern können, um so deren Eigenschaften an die aktuelle Situation anzupassen bzw. bestimmte Zustände zu vermeiden. [1][2][3][4]
Dazu dienen hochbewegliche Steuerklappen an den Hinterkanten der Rotorblätter, die durch schnelle Umlenkungen die Luftströmungen an den Rotorblättern einzeln korrigieren. Sowohl Außenlärm als auch Kabinenvibrationen werden damit spürbar gesenkt. Entwickelt haben die adaptiven Rotorblätter Forscher von Eurocopter und dem europäischen Luft- und Raumfahrtkonzern EADS. Man kann davon ausgehen, dass bei Serienreife der Rotorblätter das charakteristische „Knattern“ eines Helikopters und die Vibrationen stark reduziert werden können. [5]
Lärmproblem bei Helikoptern
BearbeitenDas charakteristische „Knattern“ eines fliegenden Helikopters entsteht durch seine Rotorblätter. An den Blattspitzen des Rotors entstehen - ähnlich wie an den Tragflächenenden eines Flugzeugs - spiralförmige Wirbel, die im Reiseflug relativ wenig stören, weil sie von der anströmenden Luft schnell aus der Rotorebene transportiert werden.Die aerodynamische Entwicklung der Drehflügel ist in den vergangenen Jahrzehnten verbessert worden, sodass die Geräusche im Reiseflug drastisch gesunken sind. Wenn der Hubschrauber im Sinkflug aber in Hörentfernung kommt, durchschlägt das nachfolgende Rotorblatt die entstehenden Wirbel. Diese schlagartige Druckänderung hört sich wie eine knallende Peitsche an. Die schnelle Abfolge nimmt man am Boden als lautes Knattern war.
Technische Umsetzung
BearbeitenDie beweglichen zusätzlichen Steuerklappen sind im Außenblattbereich vorgesehen, wo der größte Teil der knallenden Geräusche und Vibrationen während des Fluges entsteht. Die Klappen sind in die Hinterkanten der Rotorblätter integriert und lenken die Luftwirbel nach oben beziehungsweise unten ab. Dadurch durchschlägt das nachfolgende Rotorblatt den Wirbel nicht, womit die Lautstärke sinkt.
Die Integration der Steuerklappen in die Rückseiten der Rotorblätter ist praktisch schwierig, da der Antrieb im knappen Bauraum im Inneren des Rotors Platz finden muss und gleichzeitig noch hochleistungsfähig und robust ist. Die an den Rotoren entstehenden Zentrifugalkräfte sind besonders hoch, im Hochdrehzahlbereich betragen sie etwa das 800-fache der Erdbeschleunigung. Jedes zusätzliche Gramm würde also im Flugbetrieb beinahe die Kraft eines ganzen Kilogramms ausmachen. Um Steuerklappen sicher im Rotorblatt verankert sein, wurde Stellantrieb auf der Basis piezoelektrischer Antriebe entwickelt. Diese stangenförmigen Elemente ändern ihre Form, je nach dem unter welche elektrische Spannung sie gesetzt werden. Da der Hub nur sehr gering ist, wurde eine mechanische Übersetzung verwendet, die die Dehnung der piezoelektrischen Elemente mit einem bestimmten Faktor multipliziert und die Klappen damit in die gewünschte Auslenkung lenkt. Mit dieser Konstruktion sind die Antriebe in der Lage, zwei bis drei 25 Zentimeter lange Klappen um immerhin 10 Grad nach oben oder unten zu bewegen. Das gesamte Rotorblatt folgt der Änderung um ein bis zwei Grad, womit die Wirbel so stark versetzt werden können, dass sie nicht mehr vom folgenden Rotorblatt getroffen werden. Die Befehle zum Bewegen der Klappen bekommen die Antriebe von an den Kufen des Hubschraubers montierten Mikrofonen. Eine spezielle Software erkennt anhand der Rotorgeräusche die Zusammenstöße der einzelnen Wirbel und Rotorblätter. Sie schickt die Messungen an eine Recheneinheit des Helikopters, die daraus errechnet, wann welche Klappe um wie viel Grad nach oben oder unten bewegt werden muss. Deren Befehle gehen wiederum an die piezoelektrischen Antriebe in den Rotoren. Deren Reaktionszeit ist so gering, dass die Klappen innerhalb einer Umdrehung des Rotors 15 bis 40 Mal pro Sekunde um bis zu zehn Grad auf- und abschlagen können.
Auf eine ähnliche Weise wie bei der Geräuschminimierung können mit den Klappen Vibrationen verringert werden. Ihre Ursache liegt hauptsächlich bei der für Hubschrauber typischen asymmetrischen Rotoranströmung. Sie entsteht, wenn sich der Auftrieb des sich gerade in Flugrichtung bewegende Rotorblatts wegen der Eigengeschwindigkeit des Helikopters erhöht, während der Auftrieb am rücklaufenden Blatt abfällt. Fliegt ein Hubschrauber mit 250 Kilometern in der Stunde im Reiseflug, entstehen bei rund 400 Rotorumdrehungen in der Minute an den Blattspitzen Geschwindigkeiten von etwa 750 Kilometern in der Stunde. Rechnet man jetzt noch die 250 km/h Reisegeschwindigkeit hinzu, erreicht jedes Rotorblatt beim Vorlaufen beinahe Überschallgeschwindigkeit. Läuft das Rotorblatt auf der gegenüberliegenden Seite wieder zurück, halbiert sich dessen Geschwindigkeit auf nur noch rund 500 km/h. Durch die Bewegung der Klappen werden zusätzliche dynamische Kräfte erzeugt, sodass dass sich ursprüngliche und neu erzeugte dynamische Kräfte in der Summe aufheben sollten. Dadurch wird die asymmetrische Anströmung ausgeglichen. Der Pilot greift nicht die Klappenstellungen ein.
Testbetrieb
BearbeitenIm Herbst 2005 wurde das System auf einem EC 145-Hubschrauber am Eurocopter-Standort im bayerischen Donauwörth zum ersten Mal im Flugbetrieb erprobt, bei Versuchsflügen wurden Geräusch als auch Vibrationen verringert. Die Bemühungen zur Serienreife dauern an.
Einzelnachweise
BearbeitenQuellen
Bearbeiten- ↑ http://www.darpa.mil/Our_Work/TTO/Programs/MAR/Mission_Adaptive_Rotor.aspx
- ↑ https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=a3e9495c563ef6cb2f83c6fa407969b1&tab=core&_cview=1
- ↑ http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-20831.html | Fraunhofer Institut
- ↑ http://elib.dlr.de/16639/ | DLR
- ↑ http://ftp.rta.nato.int/public//PubFullText/RTO/MP/RTO-MP-051///MP-051-PSF-29.pdf | DLR
Markus Becker und Christoph Seidler: So will die Luftfahrt grüner werden. 03.06.2008 http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,556836-6,00.html
- Entstehung des "Knatters" (korrekter Fachbegriff Blade-vortex interaction (BVI) noise?) durch Luftwirbel an den Spitzen der Rotorbätter, beim Landen größer als beim Geradeausflug, da die Blätter dann auf die Wirbel des "Vorgängers" treffen
- Eurocopter verwendet Rotorblätter mit kleinen beweglichen Keramikplättchen um die Oberfläche der Kanten der Rb. zu verändern
- bisher 50% leiser
- Reduktion der Vibrationen
- Serienreife wird 2012 / 2013 erwartet
K. Wolf, J. Seeger: Lärmminderung bei Hubschraubern durch adaptive Rotoren. 2. November 2007. 2. Luft- und Raumfahrttag des UZLR TU Dresden
www.tu-dresden.de/uzlr/download/04_wolf.pdf
- Projekt LARS – Lagerloses aktives Rotorsystem:
- Eurocopter, EADS IW, DLR, Uni Stuttgart:
- Steuerung der Hiinterklappen durch piezo-keramische Aktuatoren
- erste Testflüge 2005 mit dem EC 145
- Adaptive Rotorblätter mit integrierter Aktuatorik nutzt als Werkstoff Piezo Fibre Composites (PFC)
Teppichklopfergeräusch, Klopfen
- http://www.sueddeutsche.de/wissen/umwelt-und-technik-ausgeklopft-1.836655 (reines PR-Schreiben?)
- http://www.hsu-hh.de/mechanik/index_6xMZqrhBmLrXrTYs.html zu den Materialien
Ursula Zitzler : Uni Stuttgart an EU-Projekt UpWind beteiligt: Windkraft soll konkurrenzfähiger werden. 09.05.2006 http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-58806.html
- Thema Ad.Rb. bei Windkraftanlagen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter: Herausforderungen an die Technologieentwicklung. 12. Oktober 2010. Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik. Bremerhaven und Kassel http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2010-3/v2010_17.pdf.
- Intelligente / Adaptive Rb. auch zur Leistungssteigerung und Lastoptimierung und ebenso Lärmverminderung