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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anzeigen eines Lärmwerts eines Drehflüglers. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Drehflügler mit einer Lärm-Anzeige, die eingerichtet ist zum Anzeigen eines Lärmwerts.
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Drehflüglerlärm ist ein Hindernis für die Verbreitung des Drehflügler, das er, bei ziviler Anwendung, die Bevölkerung stört und, bei militärischer Anwendung, den Drehflügler leichter entdeckbar macht. Um den Piloten von Drehflüglern eine Rückmeldung über den vom Drehflügler erzeugten Lärm zu verschaffen, ist es aus der
DE 100 22 819 C1 und dem Aufsatz „Flight experiments for measurement of aircraft noise using „Tunnel-In-the-Sky” display” von Hirokazu Ishi, National Aerospace Laboratory of Japan RESEARCH PROGRESS 2001, Herausgeber: NATIONAL AEROSPACE LABORATORY OF JAPAN CHOFU, TOKYO, JP (Oktober 2002) S. 95, 96, ISSN 13405977, bekannt, Mikrophone, beispielsweise an Kufen des Drehflüglers vorzusehen. Die Mikrophone nehmen den Lärm auf und zeigen diesen im Cockpit des Drehflüglers an. Nachteilig hieran ist, dass lediglich der Nahfeldlärm angezeigt werden kann, den der Drehflügler in seiner unmittelbaren Nähe an der Mikrofonstelle verursacht. Der Fernfeldlärm, der für den Lärmschutz maßgeblich ist, kann so nicht unbedingt erfasst werden, da durch eine starke und variable Richtcharakteristik des Rotorlärms die Lärmmessung an einigen Punkten nah am Drehflügler nicht repräsentativ für den Fernfeldlärm sind.
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Es ist zudem bekannt, an den Rotoren des Drehflüglers einen Blattdruck zu messen und aus diesem Blattdruck anhand eines mathematischen Modells den vom Drehflügler erzeugten Lärm zu berechnen. Nachteilig hieran ist, dass die Datenerfassung vom Rotor in das Cockpit aufwendig und fehlerbehaftet ist.
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Aus der
DE 100 22 568 A1 ist ein Verfahren zum Vermessen von Geräuschen eines feststehenden Messobjektes mittels eines Hubschraubers bekannt. Der Lärm des Hubschraubers selbst wird dort nicht betrachtet.
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Aus der
DE 32 13 127 C2 ist ein Verfahren zur Messung des Propellerdrehklangs beim Überflug eines einmotorigen Flugzeugs bekannt, das aber für den freien Einsatz eines Drehflüglers nicht geeignet ist, da ein bodenstationiertes Mikrophon vorgesehen ist.
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Aus der
US 7,383,104 B2 ist ein Pilotenunterstützungssystem bekannt, das aus einer Vielzahl von Parametern, wie z. B. Position und Geschwindigkeit des Fluggeräts, Topografie der Umgebung und Umweltbedingungen wie Temperatur und Luftdruck, Lärmwerte berechnet und diese als numerische Werte auf einer Karte des überflogenen Gebiets einblendet. Nachteilig an diesem System ist seine Komplexität und der zu betreibende Rechenaufwand, dass das System nur sehr aufwändig nachgerüstet werden kann sowie, dass das System dem Piloten keinen Hinweis gibt, wie er den vom Fluggerät abgestrahlten Lärm verringern kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Piloten des Drehflüglers auf einfache Art und Weise eine Abschätzung des Lärms zu erlauben, den der Drehflügler, insbesondere im Fernfeld, erzeugt.
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Die Erfindung löst das Problem durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 4. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch einen Drehflügler mit den Merkmalen dar Ansprüche 6 oder 9.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie einfach und kostengünstig ausführbar ist. In der Regel verfügen Drehflügler über eine Drehmomenterfassungsvorrichtung. Es ist damit lediglich notwendig, aus einem Signal der Drehmomenterfassungsvorrichtung den Lärmwert zu bestimmen und im Cockpit anzuzeigen. Das ist mit einem geringen zusätzlichen apparativen Aufwand möglich.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass bestehende Drehflügler einfach nachrüstbar sind. Vorteilhaft an der Erfindung ist zudem, dass die Ermittlung des Lärmwerts keine Unterscheidung zwischen einem stationären Flugzustand und einem instationären Flugzustand notwendig macht. Es ist zudem entbehrlich, eine Masse des Drehflüglers zu berücksichtigen, wie dies bei bestehenden Verfahren in der Regel notwendig ist, da das Drehmoment, um einen vorgegebenen Flugzustand zu erreichen, automatisch Von der Masse beeinflusst wird. Dadurch, dass der Lärmwerk angezeigt wird, kann der Pilot lärmarmes Fliegen lernen.
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Vorteilhaft ist zudem, dass der Pilot die ganze Lärmskala stets im Blick hat, so dass er nicht nur weiß, welchen Lärm der Drehflügler im Moment erzeugt, sondern auch, wie er den Drehflügler so steuern kann, dass dieser leiser ist. Da das Drehmoment und eine Einstellung eines Kollektiv-Knüppels zum Fliegen des Drehflüglers stark korreliert sind, kann der Pilot leicht ein günstiges Drehmoment einstellen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Drehflügler, insbesondere ein Hubschrauber oder ein Luftfahrzeug mit Kipprotor verstanden. Unter einem Ermitteln des Lärmwerts des Drehflüglers aus dem Drehmoment wird insbesondere verstanden, dass aus dem Drehmomentwert der Lärmwert abgeleitet, beispielsweise berechnet, wird. Es ist aber auch möglich, dass der Lärmwert dadurch ermittelt wird, dass der Drehmomentwert auf einer entsprechenden Anzeigevorrichtung dargestellt wird, die so ausgebildet ist, dass sie ein direktes Ablesen des Lärmwerts erlaubt. Dann sind das Ermitteln des Lärmwerts und das Darstellen des Lärmwerts ein einheitlicher Vorgang.
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Unter dem Drehmoment wird, wenn der Drehflügler nur einen Motor bzw. ein Triebwerk besitzt, insbesondere das Motordrehmoment zu verstehen. Besitzt der Drehflügler mehr als einen Motor bzw. Triebwerke, so wird unter dem Drehmoment insbesondere ein äquivalentes Drehmoment verstanden, das die Drehmomente aller Motoren berücksichtigt. Beispielsweise ist in diesem Fall das Drehmoment ein Mittelwert aller Triebwerke, wenn diese die gleiche Drehzahl haben.
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Unter dem Darstellen des Lärmwerts in dem Cockpit des Drehflüglers wird jedes Zur-Verfügung-Stellen eines Werts an den Piloten verstanden, der eine Aussage über den Lärm gestattet, den der Drehflügler verursacht. Das Darstellen kann beispielsweise ein optisches Darstellen auf einer analogen oder digitalen Anzeige sein. Das Darstellen kann alternativ oder additiv auch ein aktives Abgeben eines akustischen oder haptischen Signals umfassen.
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Unter einer Lärm-Anzeige, die eingerichtet ist zum Anzeigen eines aus dem Drehmoment ermittelten Lärmwerts wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist, um aus dem Drehmoment den Lärmwert zu ermitteln und dem Piloten über Sinneseindrücke zugängig zu machen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der von dem Drehflügler abgestrahlte Lärm in sehr guter Näherung aus dem Drehmoment berechnet werden kann. Diese Erkenntnis wurde unter Durchführen aufwendiger Lärmmessungen am Boden gewonnen. Das ist überraschend, weil der von Drehflüglern abgestrahlte Lärm durch nichtlineare Prozesse hervorgerufen wird, beispielsweise von der Wechselwirkung der Rotorblätter mit Luftwirbeln, die von vorausgehenden Rotorblättern erzeugt worden sind. Das Kennzeichen nichtlinearer Prozesse ist, dass sie von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängen, die alle gleichzeitig relevant sind und miteinander wechselwirken. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass trotz dieser Nichtlinearität das Drehmoment eine zuverlässige Abschätzung des Lärms erlaubt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Anzeigen mittels einer kombinierten Drehmoment-Lärm-Anzeige. Der Pilot kann so den vom Drehflügler erzeugten Lärm besonders leicht ablesen.
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Eine besonders schnell wahrnehmbare Anzeige wird erhalten, wenn das Anzeigen mittels einer farbkodierten Drehmoment-Anzeige erfolgt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hohe Lärmwerte mit rot gekennzeichnet werden, niedrige Lärmwerte hingegen mit grün.
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Das Anzeigen des Lärmwerts erfolgt besonders intuitiv, wenn der Lärmwert in einer zweidimensionalen Anzeige in Abhängigkeit von dem Drehmoment und der Vorwärtsgeschwindigkeit erfolgt. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein zweidimensionales farbiges Display verwendet wird, auf dem für jede Vorwärtsgeschwindigkeit und für jedes Drehmoment der entsprechende Punkt eine farbliche Kodierung besitzt. Die farbliche Kodierung entspricht dem Lärm des Drehflüglers. Beispielsweise sind solche Punkte auf dem Display, bei denen der Drehflügler besonders viel Lärm verursacht, rot eingezeichnet. Drehmoment-Vorwärtsgeschwindigkeitspaare, bei der der Drehflügler einen besonders geringen Lärm verursacht, können grün eingezeichnet sein. Der momentane Zustand des Drehflüglers wird dann als Punkt bzw. Cursor auf dem Display dargestellt. Der Pilot kann dann seine Flugmanöver so planen, dass er Betriebszustände mit hoher Lärmbelastung meidet.
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Bevorzugt wird als Lärmwert ein abgestrahlter Fernfeldlärm angezeigt, der den vom Drehflügler am Boden erzeugten Lärm beschreibt. Vorteilhaft ist hieran, dass dem Piloten derjenige Wert angezeigt wird, der für den Lärmschutz besonders relevant ist. So kann er eine Flugtrajektorie wählen, die beispielsweise großen Lärm nur dann verursacht, wenn sich der Drehflügler in einer großen Flughöhe befindet, so dass die Lärmbelastung am Boden gering ist.
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Der Fernfeldlärm beschreibt den Lärm in einem vorgegebenen Abstand, der größer ist als das Zehnfache des Rotordurchmessers, zum Drehflügler und in alle Richtungen, die den Boden erreichen. Der Fernfeldlärm beschreibt dann den in das Fernfeld abgestrahlten Lärm des Drehflüglers. Insbesondere wird unter dem Fernfeldlärm derjenige Lärm verstanden, den der Drehflügler direkt am Boden verursacht. Dazu kann das Verfahren den Schritt des Erfassens der Flughöhe des Drehflüglers umfassen, wobei als Lärmwert zumindest der Bodenlärm des Drehflüglers dargestellt wird.
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Ein erfindungsgemäßer Drehflügler besitzt bevorzugt einen Bordrechner, der eingerichtet ist zum Berechnen des Lärmwerts aus dem Drehmoment anhand einer Lärmabstrahlcharakteristik. Eine derartige Lärmabstrahlcharakteristik kann beispielsweise in Form eines in einem digitalen Speicher abgelegten Kennfelds implementiert sein. Das Kennfeld wird in Vorversuchen ermittelt. Dabei wird eine Vielzahl von Flugmanövern durchgeführt und das Drehmoment und der Lärm, beispielsweise der Fernfeldlärm, werden gemessen. Aus einer Vielzahl solcher Messungen wird eine geeignete Mittelwertskurve der Abhängigkeit des Lärms vom Drehmoment und gegebenenfalls der Vorwärtsgeschwindigkeit bestimmt und im Kennfeld abgelegt.
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Besonders effizient ist es, die Drehmomentwerte an der Grenze der lauten Bereiche zu ermitteln. Beispielsweise gibt es einen Drehmomentbereich, für welche laute Blatt-Wirbel-Wechselwirkung stattfindet und einen anderen Drehmomentbereich, für den ein Fenestron laut sein kann. Die Grenzen sind vom Hubschraubertyp abhängig.
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Die elektrische Steuerung ist ausgebildet, um den Drehmomentwert mit dem Kennfeld zu vergleichen und beispielsweise durch Interpolation den zugeordneten Lärmwert zu berechnen.
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Eine besonders intuitiv abzulesende Drehmoment-Lärm-Anzeige wird erhalten, wenn diese eine analoge Drehmomentskala und eine farbkodierte Lärmskala umfasst. Bevorzugt ist der Lärm-Anzeigebereich radial außerhalb des Drehmoment-Anzeigebereichs angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, dass die Drehmoment-Anzeige eine lineare Anzeige ist, wobei die Lärmskala neben der Drehmoment-Anzeige angeordnet ist.
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Bevorzugt umfasst der Drehflügler ein Pilotenassistenzsystem, beispielsweise ein Tunnel-in-the-sky-System, wobei das Soll-Drehmoment neben anderen Soll-Betriebsgrößen angezeigt wird. Derartige Soll-Betriebsgrößen sind beispielsweise eine Soll-Sinkgeschwindigkeit und/oder eine Soll-Vorwärtsgeschwindigkeit. So wird dem Piloten effektiv und intuitiv mitgeteilt, wie er besonders lärmarm fliegen kann.
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Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Drehflüglers,
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2a eine schematische Darstellung einer Drehmoment-Lärm-Anzeige für einen erfindungsgemäßen Drehflügler,
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2b eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Drehmoment-Lärm-Anzeige für einen erfindungsgemäßen Drehflügler,
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3a eine Vorwärtsgeschwindigkeit-Drehmoment-Lärm-Anzeige für einen erfindungsgemäßen Drehflügler und
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3b eine alternative Ausführungsform einer Vorwärtsgeschwindigkeit-Drehmoment-Lärm-Anzeige mit einer vereinfachten Darstellung.
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1 zeigt einen Drehflügler 10 in Form eines Hubschraubers mit einem Motor 12, einer Drehmomenterfassungsvorrichtung 14 zum Erfassen eines Drehmoments des Motors 12 und einem Rotor 16. Der Motor 12 treibt den Rotor 16 über ein nicht eingezeichnetes Getriebe an. Der Drehflügler 10 umfasst zudem eine Geschwindigkeitsermittlungsvorrichtung 18 zum Erfassen einer Vorwärtsgeschwindigkeit vvorwärts des Drehflüglers 10.
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In einem Cockpit 20 des Drehflüglers 10 ist eine Lärm-Anzeige 22 angeordnet, die einem Piloten ein optisches Signal darüber angibt, welchen Lärm der Drehflügler 10 auf einem Boden 24 verursacht. Die Lärm-Anzeige 22 kann beispielsweise eine Skala in dB(A) haben (Lärmpegel mit A-Bewertung, gemittelt über eine Fläche). Die Lärm-Anzeige 22 ist mit einem Bordrechner 26 verbunden, der seinerseits mit der Drehmomenterfassungsvorrichtung 14 in Verbindung steht.
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Während des Betriebs des Drehflüglers 10 erfasst die Drehmomenterfassungsvorrichtung 14 kontinuierlich, beispielsweise in Zeitabständen von 100 ms, ein Drehmoment in Form eines Motordrehmoments MMotor. Alternativ kann beispielsweise auch ein Rotordrehmoment gemessen werden. Das Motordrehmoment MMotor liegt in einem Antriebsstrang zwischen dem Motor 12 und dem Rotor 16 an. Der Bordrechner 26 ermittelt aus dem Motordrehmoment MMotor einen Lärmwert, beispielsweise einen Wert für den Fernfeldlärm LFernfeld, und stellt diesen auf der Lärm-Anzeige 22 dar. Dazu interpoliert der Bordrechner eine in einem digitalen Speicher abgelegte Lärmabstrahlcharakteristik. Die Lärmabstrahlcharakteristik ist eine tabellierte Funktion LFernfeld(MMotor), die Motordrehmomenten MMotor den zugehörigen Fernfeldlärm LFernfeld zuordnet. Die Lärmabstrahlcharakteristik wird in Vorversuchen experimentell ermittelt.
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2a zeigt eine alternative Ausführungsform der Lärm-Anzeige in Form einer kombinierten Drehmoment-Lärm-Anzeige 22a, die gleichzeitig das Drehmoment und den Fernfeldlärm LFernfeld anzeigt. Die Drehmoment-Lärm-Anzeige 22a besitzt eine Drehmomentskala 28, auf der ein Zeiger 30 das Motordrehmoment MMotor in Prozent eines Maximal-Motordrehmoments MMotor, max anzeigt. So sieht der Pilot unmittelbar, wie er das Drehmoment mittels eines nicht eingezeichneten Kollektiv-Knüppels verändern kann, um besonders leise zu fliegen. Das ist mit einer Anzeige, die allein den momentanen Lärm anzeigt, nicht möglich.
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Die Drehmoment-Lärm-Anzeige 22a ist ein Drehzeigerinstrument und besitzt radial außerhalb der Drehmomentskala 28 eine farbkodierte Lärmskala 32, die in mehreren, nämlich drei Farben 33.1, 33.2, 33.3 den Fernfeldlärm LFernfeld kodiert. Auf der Lärmskala 32 sind solche Drehmomente mit Farbe 33.1 (grün) markiert, bei denen der Drehflügler 10 eine geringe Lärmentwicklung hat, Drehmomente sind mit Farbe 33.2 (orange) markiert, bei denen der Drehflügler 10 eine mittlere Lärmentwicklung hat, und solche Drehmomente, bei denen der Drehflügler 10 eine hohe Lärmentwicklung hat, sind mit der Farbe 33.3 (rot) gekennzeichnet. Die Drehmoment-Lärm-Anzeige 22a kann auch eine Darstellung auf einem Pilot-Display-Bildschirm sein und/oder eine lineare Darstellung haben.
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Der Lärmwert LFernfeld wird in der Ausführungsform gemäß 2 aus dem Motordrehmoment MMotor ermittelt, indem der Zeiger 30 auf den entsprechenden Wert der Lärmskala 32 zeigt und ihn damit zugleich darstellt. Es ist zu erkennen, dass der Drehflügler besonders im mittleren Drehmomentbereich (Lärm des Rotors) und im sehr tiefen Drehmomentbereich (Lärm des Fenestrons) Lärm verursacht. Die Drehzahl des Motors und damit des Rotors wird in der Regel konstant gehalten.
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2b ist eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Drehmoment-Lärm-Anzeige 22a mit zwei farbkodierten Lärmskalen 32.1, 32.2, die unterschiedlichen Vorwärtsgeschwindigkeiten vvorwärts zugeordnet sind. Die erste Lärmskala 32.1 ist im vorliegenden Fall radial außerhalb der Drehmomentskala 28 angeordnet und gilt beispielsweise für eine hohe Vorwärtsgeschwindigkeiten vvorwärts. Die zweite Lärmskala 32.2 ist radial innerhalb der Drehmomentskala 28 angeordnet und gilt für kleine Vorwärtsgeschwindigkeiten vvorwärts.
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3a zeigt eine alternative Ausführungsform einer Lärm-Anzeige in Form einer kombinierten Vorwärtsgeschwindigkeit-Drehmoment-Lärm-Anzeige 22b. Diese umfasst ein Display 34, auf dem für jedes Paar aus dem Motordrehmoment MMotor und Vorwärtsgeschwindigkeit vvorwärts eine Farbe dargestellt ist, die den Fernfeldlärm LFernfeld kodiert. Der momentane Zustand des Drehflüglers 10 wird über einen Cursor 36 dargestellt.
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3b zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorwärtsgeschwindigkeit-Drehmoment-Lärm-Anzeige 22b, die vereinfacht ist. Ein Pilot des Drehflüglers 10 kann beispielsweise eine Anflugtrajektorie auf ein vorgegebenes Ziel anhand der Anzeige 22b nun so planen, dass am Boden möglichst wenig Lärm entsteht.
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Der Drehflügler 10 (1) umfasst zudem ein Pilotenassistenzsystem, das auf dem Bordrechner 26 läuft, in dem mehrere parametrisierte lärmminimierte Anflugtrajektorien zum Anflug auf ein vorgebbares Ziel gespeichert sind. Der Pilot kann dem Pilotenassistenzsystem ein Ziel vorgeben, woraufhin das Pilotenassistenzsystem eine Anflugtrajektorie berechnet, die am Boden möglichst wenig Lärm verursacht. Da, wie oben ausgeführt, mittlere Drehmomente besonders viel Lärm verursachen, wird die Anflugtrajektorie beispielsweise so gewählt, dass zunächst mit hoher Vorwärtsgeschwindigkeit auf das Ziel zugeflogen wird und anschließend das Drehmoment stark reduziert wird, so dass ein Sinkflug mit einer hohen reduziert wird, so dass ein Sinkflug mit einer hohen Sinkgeschwindigkeit eingeleitet wird. Dadurch wird der mittlere Drehmomentbereich schnell durchlaufen und die Lärmentwicklung verringert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehflügler
- 12
- Motor
- 14
- Drehmomenterfassungsvorrichtung
- 16
- Rotor
- 18
- Geschwindigkeitsermittlungsvorrichtung
- 20
- Cockpit
- 22
- Lärm-Anzeige
- 22a
- Drehmoment-Lärm-Anzeige
- 22b
- Vorwärtsgeschwindigkeit-Drehmoment-Lärm-Anzeige
- 24
- Boden
- 26
- Bordrechner
- 28
- Drehmomentskala
- 30
- Zeiger
- 32
- Lärmskala
- 34
- Display
- vvorwärts
- Vorwärtsgeschwindigkeit
- MMotor
- Motordrehmoment
- LFernfeld
- Fernfeldlärm
