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LUFTFAHRT Flüsternde Düsen

Im Auftrag der Nasa entwickeln US-Techniker ein Düsentriebwerk, das bei gleicher Leistung weit weniger Lärm erzeugen soll als derzeit gebräuchliche Jets.
aus DER SPIEGEL 47/1971

Vor sechs Jahren, auf dem Höhepunkt der Vorbereitungen zur ersten Mondlandung, installierte die Nasa in Huntsville der Welt lautesten Lautsprecher: ein Superhorn, das zu Testzwecken den Startlärm einer Saturn-V-Rakete vorwegnehmen sollte, »achtmillionenmal so laut wie eine Beatles-Platte« (so damals Wernher von Braun).

Nun erprobt die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde, die sich inzwischen wieder mehr irdischen Problemen zuwandte, ob sich nicht Krach vermeiden ließe: Die Nasa-Ingenieure sind auf der Suche nach dem »flüsternden Düsentriebwerk« (so ein Nasa-Sprecher), das vor allem die lärmgeplagten Anwohner vielbeflogener Verkehrsflughäfen künftig entlasten soll.

Zusammen mit dem US-Konzern General Electric arbeitet das »Lewis Research Center« der Nasa in Cleveland (US-Staat Ohio) an einem »Programm Leises Triebwerk« ("Quiet Engine Program«, dessen Ergebnisse hernach der gesamten zivilen Luftfahrt zugute kommen sollen.

Schon in vier oder fünf Jahren, verkündete Harry Johnson, Chef des Entwicklungsprogramms, könnte die Lärmentwicklung von Jets für den Unterschallbereich gesenkt werden: Der Lärm startender Transatlantik-Jets würde dann von den Flughafen-Anrainern nur noch ein Drittel bis ein Viertel so stark empfunden wie jetzt bei Flugzeugen der Klasse Boeing 707 oder Douglas DC-8. lind selbst gegenüber den ohnehin leiseren Jumbo-Jets würde der Lärmeindruck nochmals halbiert.

Anfangs hatten sich die Flugzeug-Konstrukteure geringfügige Schalldämpfungen zumeist mit kostspieligen Leistungsverlusten erkauft. Bei der Nasa-Neuentwicklung hingegen ist, laut Johnson, »ein technischer Durchbruch gelungen«, vor allem mit einer Änderung der Kompressor-Auslegung und durch die Verwendung schallschluckenden Materials im Innern des Triebwerks.

Allein mit Rechen- und Zeichenstift waren die Probleme der Lärmentwicklung bei Flugzeugen nicht zu lösen. Entstehung und Ausbreitung von Lärm an allen Punkten eines Triebwerks exakt vorauszuberechnen, ist unmöglich. Vielmehr müssen sich die Techniker in langwierigen Versuchsreihen an das optimale Triebwerk -- möglichst hohe Leistung bei möglichst geringem Lärm -- herantasten.

Dabei bekämpfen sie zwei Hauptgeräuschquellen:

* Der Strahllärm -- ein dumpfes, lautes Rauschen -- entsteht, wenn sich der heiße Abgasstrahl der Düse nut der kalten Umgebungsluft vermischt.

* Der Kompressorlärm -- zumeist ein schrilles Heulen und Kreischen -- resultiert aus schwer berechenbaren Druckschwankungen, Verdichtungsstößen oder Wellenüberlagerungen an den schnellrotierenden Kompressorschaufeln am Triebwerkseinlauf. Schon Anfang der sechziger Jahre fanden europäische und amerikanische Luftfahrtingenieure einen Weg, wie sie zumindest den Abgas-Donner zähmen konnten. Sie erprobten -- so beispielsweise auch auf dem Freifeld der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt bei Trauen in der Lüneburger Heide -- Versuchsdüsen mit verändertem Verhältnis zwischen heißem Gasstrahl und kaltem sogenannten Mantelstrahl.

Die Experimente zeigten, daß durch einen zweiten kalten Düsenstrahl, der den heißen Kernstrahl umschließt ("Mantelstrom"), die Strahllärmentwicklung stark vermindert werden kann. Bei modernen Mantelstrom-Triebwerken, etwa beim Jumbo-Jet Boeing 747, stehen der äußere Luftstrom und der Kernstrahl schon in einem Verhältnis fünf zu eins. Damit drückten die Triebwerkbauer einen der beiden Lärmanteile, den Strahllärm, so weit, daß er noch unter der erst neuerdings von der US-Luftbehörde FAA festgesetzten Grenze liegt.

Zugleich aber kamen die Triebwerkskonstrukteure in ein Dilemma. Nun mußten die Kompressoren weit größer dimensioniert werden, denn sie hatten nun auch die Luft für den Mantelstrom zu liefern. Folge: Ihr Kreischen übertönte nun das dumpfe Düsengeräusch.

Zwar minderten verbesserte Triebwerkseinlauf-Konstruktionen den schlimmsten Lärm. Während früher Nabenspeichen und Vorleitschaufelkränze die Strömung störten, trifft bei modernen Triebwerken der angesaugte Luftstrom ohne Verwirbelung direkt auf die rotierenden Kompressorschaufeln. Aber der Verdichterlärm übersteigt die FAA-Forderungen immer noch um zehn bis 15 ePNdB -- so die verwendete Maßeinheit für den Lärmeindruck*.

Mit einer Kombination von möglichst hohem Mantelstrom-Kernstrahl-Verhältnis, einem geräuscharmen Verdichter und zusätzlichem Schallschluckmaterial im Innern des Triebwerks wollen nun auch die Ingenieure von Nasa und General Electric ihr Konstruktionsziel erreichen: ein Triebwerk mit knapp zehn Tonnen Startschub und 15 bis 20 PNdB hat weniger Lärmemission als Triebwerke gleicher Schubkraft derzeit entwickeln.

Schon der erste von insgesamt drei Test-Verdichtern ("Fan B"), den General Electric entwickelte, erreichte annähernd die geforderten Werte -- und zwar noch ohne schalldämmende Gondelverkleidung, die zusätzlich rund zehn PNdB schluckt. Ende dieses Monats schließen die Forscher am Lewis Research Center auch die aerodynamischen Tests für eine zweite Version ("Fan A") ab. Lärmtests, speziell unter Start- und Landebedingungen, sollen folgen.

Bis zum Juni nächsten Jahres sollen dann die Vorzüge aller drei Test-Kompressoren in einem Mustertriebwerk vereinigt werden. Mit den besten geräuschdämpfenden Verkleidungen ummantelt, so hoffen die Nasa-Experten. wird ihre flüsternde Strahlturbine nur noch 95 ePNdB erzeugen -- drei Dezibel unter der Grenze, von der an Mediziner Lärmschädigungen für den Menschen erwarten.

Zwar sollen die Forschungsergebnisse allen Triebwerksbauern bei Neukonstruktionen kostenlos zur Verfügung stehen. Ob jedoch auch die heute im Einsatz befindlichen lärmstarken Triebwerke in absehbarer Zeit freiwillig ausgewechselt wurden, bezweifeln einige Nasa-Mitarbeiter.

Nur unter dem Druck verschärfter Lärmschutz-Bestimmungen des US-Kongresses, so meinen sie, könnten sich die ohnehin wirtschaftlich angeschlagenen Luftfahrtgesellschaften zu dem nötigen Aufwand bereit finden: Die Umrüstung würde für jeden der diensttuenden Langstrecken-Jets etwa vom Typ Boeing 707 rund sechs Millionen Dollar kosten.

* ePNdH: Abkürzung für »effective perceived noise in decibels« = wirklich wahrgenommener Lärm in Dezibel. Zehn ePNdB weniger entsprechen einer Lärmminderung von rund 50 Prozent. Verdoppelung der Entfernung entspricht einer Verminderung um etwa sechs bis acht ePNdB.

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