Wie der Bodenlärm von Flugzeugen mit Flügel-Planform Parametern korreliert

Kurzfassung

Konstruktive Änderungen und lärmmindernde Technologien an Bord eines Flugzeugs können die Flugleistung direkt beeinflussen. Folglich wird auch der resultierende Lärm am Boden beim Abflug und Anflug beeinflusst. Technologien zur Lärmreduktion werden in dieser Studie jedoch bewusst ausgeklammert. Stattdessen werden die Flugeigenschaften durch die Variation ausgewählter Planformparameter verändert, was zu der Forschungsfrage dieser Arbeit führt: Korreliert der von Flugzeugen verursachte Lärm am Boden auch mit der Änderung der Flügel-Planform und welche daraus resultierenden Flugeigenschaften führen zu einem leisen Flugzeug? Dieser Artikel zeigt, dass ein steilere Steigflüge zu leiseren Abflügen und eine langsame Anfluggeschwindigkeit in Reiseflugkonfiguration zu leisen Anflügen führen, wenn Abflug- und Anflugverfahren konstant gehalten werden. Nicht nur die Flügelform, sondern auch die Flügelstellung beeinflussen das Stabilitätsmaß eines Flugzeugs und somit seine Flugeigenschaften. Wenn sich die Flugeigenschaften eines Flugzeugs ändern, verändert sich der Lärmeintrag am Boden. Weist das Flugzeug zum Beispiel ein schwächeres Steigverhalten auf, so werden lautere Flugphasen länger. Infolgedessen können die Lärmkonturflächen größer werden. Es kann aber auch zu einer Umverteilung des Lärms kommen, wenn z. B. die Hochauftriebssysteme im Anflug später, aber bei höheren Geschwindigkeiten eingesetzt würden. In einem solchen Fall wird die Lärmkonturfläche meist kleiner. Der Schalldruckpegel steigt jedoch lokal an, wenn die Hochauftriebsklappen ausgefahren werden. Das führt zu der spannenden Frage, wie man überhaupt Lärm über ein großes Gebiet messen kann. Die Störung des Schlafes eignet sich gut für eine quantitative Analyse, da sie vom A-bewerteten Maximalschalldruckpegel abhängt. Daher wird in dieser Studie das Aufwachkriterium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt [2] verwendet. Um den Lärm über ein großes Gebiet zu bewerten, ist hierfür das Aufwachkriterium zu einem Index zusammengefasst worden. Das Flughafengelände ist innerhalb eines 104 km langen und 10 km breiten Untersuchungsgebietes zentriert, das homogen besiedelt ist. Drei Flügelplanform-Parameter wurden variiert, sodass sich etwa 700 Flugzeugentwürfe ergeben. Die variierenden Parameter sind Vorderkantenpfeilung, Flügelfläche und Streckung. Die Flugzeugentwürfe wurden mit PrADO berechnet und basieren auf der B747-400. Anschließend werden die Aufwach-Indices der Flugzeuge sowohl mit den Konstruktionsparametern als auch mit den Parametern der Flugeigenschaften korreliert. Die Aufwachreaktionen wurde mit PANAM [3] und die Flugtrajektorien wurden mit FLIPNA [4] berechnet. Die Flugzeuge sind beim Start leiser, wenn sie gute Steigleistungen haben. Die Landung ist leiser, wenn die Anflugtrajektorie in Reiseflugkonfiguration möglichst langsam geflogen wird. Diese beiden Werte, Steigleistung und Anfluggeschwindigkeit in Reiseflugkonfiguration, weisen die höchsten Korrelationskoeffizienten mit dem Aufwach-Index im Untersuchungsgebiet auf. Leider sind die Werte der Planform-Parameter, die zu leisen Starts führen, das Gegenteil von den Werten der Planform-Parameter, die zu leisen Anflügen führen. Ein lärm-optimales Flugzeug kann daher nur mit ganzheitlichen Untersuchungen gefunden werden: werden die Flugeigenschaften durch lärmmindernde Technologien verändert, so sollte die Flugeigenschaften durch die Planform angepasst werden. Eine weitere Erkenntnis ist, dass lärmarme Flugzeuge tendenziell auch Treibstoff einsparen, da ein geringerer Treibstoffverbrauch zu einer geringeren Startmasse führt, und diese wiederum zu weniger Startlärm führt. Darüber hinaus führt diese Studie zu weiteren wichtigen Forschungsfragen: Was ist eine repräsentative Bevölkerungsverteilung, um Flugzeuge zu bewerten? Schließlich umfliegen Flugzeuge vor allem während des Starts bewohnte Gebiete. Daher kann man davon ausgehen, dass die Bevölkerungsdichte abseits der Flugspur höher ist als auf der Flugspur. Allerdings sind Daten zur Bevölkerungsdichte nur für einige Flughäfen verfügbar.