Gefährlicher Lärm: F-35B erzeugt Schall-Schleife beim Landen

Wenn Überschall-Jets senkrecht landen, entsteht ein ohrenbetäubender Lärm. Bisher ging man davon aus, dass dessen Stärke mit der Geschwindigkeit von Luftwirbeln verknüpft ist, die während der Landung entstehen. Tatsächlich konnten Forscher jetzt herausfinden, dass eine Schall-Schleife zwischen Jet und Boden entsteht, die für den Lärm verantwortlich ist. 

Das Team der Florida State University entwickelte ein Modell, das die Vorhersage dieser "Resonanz-Rückkopplungsschleife" ermöglicht. Untersucht wurden dafür Jets, die senkrecht bzw. mit sehr kurzer Startbahn starten und landen können, sogenannte STVOLs ("Short Takeoff and Vertical Landing), wie die F-35B Lightning II. 

In Videos der Landung auf einem Flugzeugträger sieht man deutlich, wie das Wasser aufgewirbelt wird. "Beim Sinkflug in Bodennähe interagieren die Abgasstrahlen mit den Landeflächen und erzeugen dabei intensiven Lärm, oft von mehr als 140 Dezibel", schreiben die Forscher in einer Mitteilung. 

Hör- und Organschäden

Das stelle für das Flugzeug selbst und das Personal am Boden eine ernsthafte Gefahr dar. Bei Lautstärken über 140 Dezibel können trotz Schutzkleidung bleibende Hörschäden entstehen. Im schlimmsten Fall kann akustischer Druck sogar Organschäden verursachen.

"Wir versuchen, die Physik hinter diesen Jets und dem von ihnen produzierten Lärm zu verstehen, um Werkzeuge zu entwickeln, die die Auswirkungen reduzieren", sagt Farrukh S. Alvi, Mit-Autor der Studie. Demnach werden Schallwellen zwischen Landefläche und Jet hin- und hergeworfen, wenn dieser über dem Boden schwebt. Dabei spricht man von sogenannten Stehwellen. 

Stehwellen erzeugen Resonanz

So entsteht eine Resonanz, also eine Verstärkung der Schallwellen. Das Resultat ist ein lautes, sich wiederholendes Geräusch. Es sei auch denkbar, dass so ein Unterdruck entsteht, der den Jet zu Boden reißt, so die Forscher. 

Um ihre Theorie zu testen, nutzten die Forscher eine Überschalldüse, die einen Luftstrahl mit 1,5-facher Schallgeschwindigkeit (Mach 1,5) erzeugt. Eine sogenannte Prallplatte simulierte die Landefläche. Zusätzlich simulierte eine weitere Platte den Flugzeugrumpf, von dem die Schallwellen reflektiert werden, um die Stehwellen zu erzeugen. 

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Stehwellen bestimmen die Tonhöhe

Damit sie auch sichtbar werden, wurde die sogenannte Schlieren-Fotografie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera genutzt. Sie erfasst Dichteunterschiede. Zusätzlich wurden die exakten Frequenzen und der Schalldruckpegel mit Mikrofonen gemessen. 

Dabei wurde deutlich, dass die Stehwellen für die Tonhöhe verantwortlich sind. Je kürzer der Abstand zum Boden, desto höher der Ton. Bisher hatte man angenommen, dass die Geschwindigkeit von Luftwirbeln die Tonhöhe bestimmt. 

Stattdessen beeinflusst die Geschwindigkeit dieser Luftwirbel lediglich die Lautstärke. Diese Wirbel entstehen, wenn die Abgase aus den Jet-Triebwerken sich mit der Umgebungsluft am Landeplatz vermischen. Je langsamer diese Wirbel sich bewegen, desto mehr Umgebungsluft können sie aufsaugen. Sie wachsen zu "Luftballen" an. Wenn sie dann auf den Boden treffen, wird sehr viel Luft auf einmal verdrängt - und es kracht. Würden stattdessen viele kleine, sich schnell drehende Luftwirbel auf die Landefläche treffen, wäre die Lautstärke geringer. 

Frequenzen schon beim Flugzeugdesign bestimmen

Anhand dieser beiden Erkenntnisse konnten die Forscher ein Modell entwickeln, mit dem die erwartbare Tonhöhe bei einer Jetlandung besser vorhergesagt werden kann. Das soll dabei helfen, künftig leisere Flugzeuge zu entwickeln und den Lärmschutz schon ins Design zu integrieren. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin Journal of Fluid Mechanics erschienen.

So kann man auch Schäden vermeiden, etwa weil eine Stehwelle genau die Frequenz trifft, in der ein Baumaterial schwingt. Im schlimmsten Fall würde es so brechen. Mithilfe des Modells lässt sich das Flugzeug so konstruieren, dass diese Frequenzen vermieden werden. 

Auch der Schutz des Personals ist so besser möglich. Wenn man die Frequenzen kennt, die bei der Landung entstehen, kann man sie mit Gehörschutz ausstatten, der genau diese herausfiltert.