Noise Prediction within Conceptual Aircraft Design

Kurzfassung

Motivation for the presented activities is the integration of noise as an additional objective in conceptual aircraft design. Therefore, the Parametric Aircraft Noise Analysis Module (PANAM) is developed to account for individual noise sources depending on their geometry and operating conditions. Each major noise source is modeled with an individual semi-empirical noise source model. These models capture the major relevant correlations, can still be executed on a standard desktop PC, and provide comprehensive simulation results. All models and approximations are based on physics, thus PANAM can be classified as a scientific prediction method. Dedicated validation with experimental data confirms feasible overall aircraft noise prediction. The noise tool is integrated into an existing aircraft design framework in order to realize an overall design process with integrated noise prediction capabilities. A multiple criteria design evaluation is introduced, to quickly assess the environmental and economical performance of different vehicles under various scenarios. The process is applied to identify promising low-noise aircraft concepts with the focus on realizable, medium term solutions. It is demonstrated, that the aircraft designer’s influence on the environmental vehicle performance is significant at the conceptual design phase. Extensive engine noise shielding is achieved for over-the-fuselage mounted engines resulting in a 10 EPNdB overall noise reduction. In conclusion, PANAM can be ranked as well suitable to assess all four measures of ICAO’s balanced approach. / Die Motivation der Arbeit ist die Einbindung von Lärm als zusätzlichem Entscheidungskriterium innerhalb des Flugzeugvorentwurfs. Daher wird ein Programm PANAM zur Fluglärmvorhersage entwickelt, das den Beitrag ausgewählter Lärmquellen anhand deren Geometrie und Betriebsbedingungen berücksichtigt. Dabei kommen für jede Einzelquelle individuelle und semi-empirische Rechenmodellen zum Einsatz. Die ausgewählten Modelle berücksichtigen die wesentlichen Zusammenhänge, stellen geringe Rechneranforderungen und generieren dabei nachvollziehbare Ergebnisse. PANAM kann als wissenschaftliches Berechnungsverfahren klassifiziert werden, da alle implementierten Modelle und Näherungsverfahren auf physikalischen Grundlagen basieren. Ein direkter Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Daten bekräftigt die Richtigkeit der berechneten Ergebnisse. Durch die Integration von PANAM in eine existierende Flugzeugentwurfsumgebung wird der konventionelle Entwurfsprozess um die Fähigkeit zur Lärmvorhersage erweitert. Eine neu eingeführte Bewertungsmetrik erlaubt den direkten Vergleich von Wirtschaftlichkeit und erzeugtem Fluglärm für unterschiedlichste Flugzeugkonzepte. Der erweiterte Prozess wird schließlich angewendet, um vielversprechende, lärmarme Entwürfe zu identifizieren. Dabei liegt der Schwerpunkt auf mittelfristig realisierbaren Konzepten und Technologien. Es kann gezeigt werden, dass durch Entscheidungen im Flugzeugvorentwurf ein signifikanter Einfluss auf die ökologische Flugleistung des finalen Entwurfes genommen wird. Dabei können durch geeignete Abschattung des Triebwerklärms lokal bis zu 10 EPNdB Lärmreduktion erreicht werden. Grundsätzlich kann PANAM dazu eingesetzt werden, alle von der ICAO als "balanced approach" vorgeschlagenen Maßnahmen zur Lärmreduktion zu untersuchen.