MELODI: Machine-Learning-gestützte Analyse der Abhängigkeiten der Fanlärmquellen von aerodynamischen Einlaufstörungen; Teilvorhaben: Erzeugung einer experimentellen Datenbasis und Auswertung für die Machine-Learning gestützte Analyse von Fanlärmquellen

Abstract

Das MELODI-Projekt hat zwei zentrale Ziele erfolgreich erreicht: die Erstellung einer weltweit einzigartigen experimentellen Datenbank zu den aeroakustischen Eigenschaften einer Fan-Stufe bei gestörter Zuströmung sowie die Gewinnung und Evaluierung physikalischer Erkenntnisse durch den Einsatz von Machine-Learning (ML)-Methoden. Die Datenbank, die als zentrales Ergebnis gilt, umfasst hochauflösende aerodynamische und akustische Messungen am CRAFT-Prüfstand der Abteilung Triebwerksakustik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Sie erfasst die Wechselwirkung zwischen einer Vielzahl von Einlaufstörungen, darunter Grenzschichteinsaugung (BLI), Seitenwind (XWD) und Einsaugung großskaliger turbulenter Strukturen, und dem akustischen Verhalten des Fans unter 25 verschiedenen Betriebszuständen. Zudem wurde bei zwei verschiedenen Abständen zwischen Rotor und Stator gemessen. Diese systematische Variation von Störungsprofilen und Betriebsparametern stellt eine weltweit einzigartige Datengrundlage dar, die für die Forschung in der Triebwerkakustik von entscheidender Bedeutung ist. Das zweite technische Ergebnis des Projekts liegt in der erfolgreichen Anwendung und Evaluierung von ML-Methoden zur Gewinnung neuer physikalischer Erkenntnisse. Durch die Anwendung von Shapley-Werten auf Regressionsmodelle konnten die relativen Beiträge einzelner Eingabe-Parameter (z. B. lokale Druck- und Geschwindigkeitsfluktuationen) zur Vorhersage des Schallpegels quantitativ bewertet werden. Diese Analyse liefert ein transparentes Ranking der wichtigsten physikalischen Einflussgrößen und unterstützt die physikalische Interpretierbarkeit der Modelle. Die Anwendung von Shapley-Werten ermöglichte eine quantitative Bewertung der Einflussgrößen auf die Schallentstehung und lieferte ein transparentes Ranking der relevanten aerodynamischen Parameter. Die entwickelten Ansätze sind somit nicht nur für die Analyse der aeroakustischen Eigenschaften einer Fan-Stufe bei gestörter Zuströmung geeignet, sondern auch für andere komplexe, nichtlineare Probleme in der Triebwerkakustik. Dazu zählen beispielsweise die Lärmminderung bei verteilten Antrieben oder in hybriden Elektroantrieben. Insgesamt hat MELODI die wissenschaftliche und technische Basis für die Entwicklung lärmarmer Antriebskonzepte in zukünftigen Flugzeugen vorangetrieben. Die erstellte Datenbank und die neu gewonnenen Erkenntnisse stellen einen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar und liefern eine solide Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte und industrielle Anwendungen in der Luftfahrt.