Europa heeft onlangs zeer hoge ambities uitgesproken voor het terugdringen van geluidsoverlast van vliegtuigen, met de Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe (ACARE) die streeft naar een reductie van 65% van het geluid door vliegtuigen tegen 2050 ten opzichte van de situatie in 2000. Meer dan alleen een overlast voor mensen die in de buurt wonen, identificeert de Wereldgezondheidsorganisatie vliegtuiggeluid als een ‘onderschatte bedreiging’ die kortetermijn- en langetermijngezondheidsproblemen kan veroorzaken. Geluid heeft ook een enorme impact op de operaties van luchtvaartmaatschappijen vanwege de steeds strengere regelgeving en heffingen die door luchthavens worden opgelegd. Luchtvaartmaatschappijen proberen waar mogelijk te vermijden om ’s nachts te landen om geluidgerelateerde heffingen te vermijden, zoals bij London Gatwick, waar geluidheffingen ’s nachts tot 20 keer hoger kunnen zijn.
Het is duidelijk dat innovatieve ontwerpen met lage geluidsemissie nodig zijn om Europa’s ambities voor de lange termijn te bereiken en dat propellertechnologieën moeten blijven innoveren om aan de behoeften van de industrie te voldoen. Daarom zijn initiatieven zoals die binnen het IRON-project cruciaal als turboprops de toekomst van regionale vluchten moeten worden, om soortgelijke doelstellingen te bereiken zonder in te boeten aan prestaties. Turboprop-vliegtuigen produceren typisch ongeveer 95% van hun stuwkracht vanuit een propeller, met een jetuitlaat die de rest levert. Met deze verdeling is het geen verrassing dat de meeste geluiden die worden gegenereerd door een turboprop afkomstig zijn van de propeller zelf. Terwijl de propeller draait, is de snelheid waarmee de toppen bewegen hoog, soms transsonisch, en de verstoring van de luchtstroom creëert drukfluctuaties die resulteren in een reeks lage frequentietonen die het menselijk oor gevoeliger voor maakt, waardoor de perceptie van een luider cabine voor passagiers ontstaat. Daarom heeft het IRON-project zich gericht op het ontwerp en de testen van nieuwe, innovatieve propellers, met als ambitieuze doelstelling een reductie van 6 dB van het geluid in het nabije veld tijdens de cruise ten opzichte van een basisontwerp.
Het IRON-project streeft naar een reductie van 6 dB van het cabinegeluid zonder de prestatieniveau’s van het basisontwerp te compromitteren.
De geoptimaliseerde prestaties van Dowty’s propeller betekenden dat de taak van de andere partners om een reductie van 6 dB van het cabinegeluid te bereiken zonder de prestatieniveau’s van het basisontwerp te compromitteren, extreem uitdagend was en de toepassing van innovatieve, lage volwassenheidstechnologieën zou vereisen. Dowty, met steun van Leonardo en Avio Aero, ontwikkelde de propellereisen om, als minimum, de levering van een praktisch propellerontwerp te garanderen dat geschikt is voor de volgende fase van testevaluatie, terwijl het klassieke propellerontwerp compromis tussen prestaties en geluid werd beheerd. Dit vereiste gelijktijdige ingenieursanalyses om aerodynamica, akoestiek en structurele modellering te dekken. Deze eisen waren gekoppeld aan een scoresysteem dat was ingesteld om enige ontwerpvrijheid rond het doel te bieden om de brandstofverbruik van de basispropeller en vliegtuigconfiguratie te behouden. Het scoresysteem was gewogen naar de geluidsreductie op cruise in het nabije veld en aangevuld met gemeenschapsgeluidseisen. Omgekeerd werden significante straffen opgelegd aan de score voor een reductie van het brandstofverbruik van het vliegtuig (inclusief de impact van het gewicht van het propellersysteem naast de aerodynamische prestaties), die binnen 1% van het basisniveau moest blijven.
Van de vijf ontwerpen die door de IRON-partners werden geproduceerd, werden de twee ontwerpen met de hoogste scores geselecteerd voor vergelijkende windtunneltesten tegen het basisontwerp: één 9-blads propeller van GE AAT Deutschland en een 8-blads ontwerp van CENAERO. De geselecteerde ontwerpen waren het resultaat van een multidisciplinaire aanpak van het probleem met hoogwaardig driedimensionale vormen. Het team bij NLR kreeg de uitdaging om deze ontwerpen om te zetten in schaalmodellen van 1:6, met behulp van state-of-the-art fabricagetechieken. Titanium werd gekozen als materiaal vanwege zijn hoge sterkte-gewichtsverhouding, belangrijk vanwege de hoge belastingen die op de modellen tijdens de testen worden uitgeoefend.
Windtunnelmodellen in de transsonische windtunnel (HST) van DNW in Amsterdam. Van links naar rechts: het basisontwerp, het 8-blads ontwerp van CENAERO en de 9-blads propeller van GE AAT Deutschland.
Met de modellen gemaakt, werden de ontwerpen getest in zowel hoge als lage snelheid windtunnels bij snelheden tot Mach 0,58 en meer dan 5000 rpm (verhoogd met een factor 6 vanwege de schaal van de modellen). Hoge snelheidstesten werden uitgevoerd in de High Speed Tunnel (HST) van DNW en werden gebruikt om de aerodynamische en akoestische prestaties tijdens klimmen en cruisen te simuleren (beoordeling van brandstofverbruik en doelstelling van 6 dB geluidsreductie tijdens cruisen). Bovendien werd lage snelheidstesten uitgevoerd in de Large Low-speed Facility (LLF) van DNW, met focus op startprestaties en gemeenschapsgeluid.
De zeer complexe taak van het uitvoeren van de tests en de enorme hoeveelheid gegevens die zijn verzameld, betekent dat gegevensanalyse nog steeds gaande is (100 testparameters bij meer dan 300 bedrijfsomstandigheden met behulp van 200 microfoons en andere sensoren). Echter, voorlopige resultaten geven aan dat de hoogste doelstellingen van het project op schema liggen en dat de innovatieve propellers een significante geluidsreductie hebben. De voordelen van de testen gaan verder dan de directe taak van het verifiëren van de geluidsreductie van de nieuwe ontwerpen, aangezien zowel ONERA als CIRA van plan zijn om de verzamelde gegevens te gebruiken om hoogwaardige computationele modellen te valideren die in staat zijn om het onstabiele aero-akoestische gedrag van een geïnstalleerde propeller te simuleren.
Er is nog meer ontwikkelingswerk nodig om de innovatieve ontwerpen en technologieën van het IRON-project om te zetten in praktische, produceerbare ontwerpen die aan alle eisen van een modern propellersysteem voldoen, maar de technologie is gedemonstreerd en de uitdaging om de bijbehorende voordelen beschikbaar te maken voor volgende generatie regionale vliegtuigen is gesteld.
Het IRON-project valt onder Europa’s Clean Sky 2 en maakt deel uit van het grotere regionale vliegtuigpakket. Een aspect van het project bestaat uit het uitvoeren van ontwerpstudies van innovatieve propellerconcepten met als doel het significant reduceren van geluidsniveaus zonder de aerodynamische prestaties te degraderen. Het project wordt gecoördineerd door CIRA, het Italiaanse Aerospace Research Centre, met Leonardo als onderwerpleider gesteund door verschillende kernpartners uit heel Europa, zoals GE Aviation Advanced Technology (AAT) Deutschland, Dowty Propellers – VK, CENAERO – België, NLR – Nederland, ONERA – Frankrijk en Avio Aero – Italië.
Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) onder subsidieovereenkomst nr. 945548. De JU ontvangt steun van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie en de leden van de Clean Sky 2 JU andere dan de Unie.
Dit rapport weerspiegelt alleen de visie van de auteur en de JU is niet verantwoordelijk voor enig gebruik dat gemaakt kan worden van de informatie die het bevat.
