de jubilerende luchtvaart eert dit jaar haar pioniers en blikt terug op een eeuw fascinerende technologische geschiedenis. helaas wordt het feestgedruis overstemd door het toenemende protest tegen de lawaaioverlast rond luchthavens. stillere motoren, opstijgen en dalen met zo weinig mogelijk geruis: dat zou de mooiste oplossing zijn. de vraag is of het technisch kan.
Honderd jaar in decibels
In de beginperiode van de commerciële luchtvaart was veiligheid het voornaamste thema waarmee de ingenieurs rekening hielden
Het startschot was gegeven en de evolutie veranderde de doelstellingen van vliegtuigbouwers. In de jaren twintig en dertig, werden vliegtuigen gebouwd om passagiers te vervoeren. Het was het tijdperk van de grote bootvliegtuigen. Verharde landingsbanen waren immers niet overal aanwezig en een landing op water leek het meest voor de hand liggend. Dit veranderde drastisch tijdens de Tweede Wereldoorlog: door de oorlogsinspanning werden op korte termijn zowat overal landingsbanen aangelegd. In heel wat gevallen zou deze oorspronkelijk militaire infrastructuur uitgroeien tot de latere burgerlijke luchthaven. Dit verklaart waarom de ligging van een aantal luchthavens ten opzichte van de nabijgelegen woonkernen vaak alles behalve optimaal is. Na de Tweede Wereldoorlog kwam het besef dat het vervoeren van passagiers of vracht winstgevend was. In deze beginperiode van de commerciële luchtvaart was veiligheid het voornaamste thema waarmee de ingenieurs rekening hielden in hun ontwerpen. In de jaren zestig kwam de nadruk te liggen op het overbruggen van grote afstanden: vliegtuigen konden steeds sneller steeds meer mensen over langere afstanden vervoeren. De bouw van de Concorde in de jaren zeventig was het orgelpunt in dit streven naar steeds grotere snelheden, maar door de hoge kostprijs van de Concorde betekende sneller vliegen voor het eerst in de geschiedenis ook duurder vliegen.
Op dit ogenblik is geluidsproblematiek voor de meeste grote luchthavens ter wereld de factor die hun verdere groei beperkt
Vooral de naoorlogse ontwikkeling van straalmotoren voor de commerciële luchtvaart was een mijlpaal in deze evolutie. De eerste straalmotoren waren letterlijk oorverdovend en overdonderend en naarmate het luchtverkeer meer alledaags werd, groeide het ongemak bij het lawaai dat dit veroorzaakte. Mensen werden steeds intoleranter tegenover lawaai, hoewel de vrijheid en de flexibiliteit van het reizen de verdere groei van de luchtvaart stimuleerden. Bevoegde instanties erkenden het probleem en het aspect geluid werd een punt van overweging bij de beleidsvorming rond luchtverkeer. Op dit ogenblik is geluidsproblematiek voor de meeste grote luchthavens ter wereld de factor die hun verdere groei beperkt. In 1971 werd onder impuls van het Federal Aviation Agency (FAA) een geluidscertificatie voor vliegtuigen opgenomen in de Amerikaanse wetgeving. De internationale gemeenschap volgde en de International Civil Aviation Organisation (ICAO) publiceerde aanbevelingen omtrent certificatie onder de vorm van Annex 16, een formeel addendum in de proceedings van de Convention on Civil Aviation in Chicago 1944, met als doel deze te laten opnemen in de wetgeving van de verschillende lidstaten. Begin jaren tachtig werd door de expansie van het luchtverkeer en de bevolkingsgroei rond luchthavens, en onder druk van de internationale gemeenschap, geluid één van de belangrijkere items bij het ontwerp en de bouw van vliegtuigen. De vliegtuigindustrie respondeerde met nieuwe ontwikkelingen in motoren en aërodynamische vooruitgang. Vandaag werken motorbouwers aan de bouw van krachtige, stillere en milieuvriendelijkere motoren, maar de meningen over de toekomstperspectieven zijn verdeeld. De grote vooruitgang werd reeds geboekt met aanpassingen aan de eerste modellen van straalmotoren. De grote winsten in lawaaiproductie zijn dus reeds voorbij. Bovendien betekenen nieuwe ontwikkelingen geen onmiddellijke verbeteringen voor de omwonenden van de luchthavens. De gemiddelde levensduur van vliegtuigen is meer dan twintig jaar zodat nieuwe toestellen slechts na jaren van uitfaseren van oudere modellen het gehele geluidsbeeld kunnen beïnvloeden.
Vliegtuiglawaai ontstaat wanneer luchtstromen over de constructie van het vliegtuig of in de motoren fluctuerende drukverstoringen veroorzaken, die zich voortplanten naar een waarnemer in het vliegtuig of op de grond. Omdat het vliegen juist gebaseerd is op het efficiënt controleren van deze gas- en luchtstromingen, zijn er talrijke plaatsen waar geluid kan worden veroorzaakt. De drukverstoringen of wervelingen ontstaan bij discontinuïteiten in de luchtstromingen, vooral in de motoren waar het genereren van stuwkracht samengaat met grote druk- en temperatuurverschillen. Toch zijn de motoren lang niet de enige plaats waar luchtwervelingen of geluid worden geproduceerd. De vliegtuigstructuur zelf is een groot oppervlak waarover lucht stroomt en elke oneffenheid of uitsteeksel kan een oorzaak zijn voor het ontstaan van wervelingen. Vooral in de configuratie voor de landing en kort na het opstijgen is de vliegtuigstructuur zelf een belangrijke bron van geluid. Het landingsgestel vormt een groot obstakel in de luchtstroom rondom het vliegtuig en ook de liftverhogende flaps zijn een belangrijke bron van bijkomende wervelingen. Onderzoek en metingen hebben aangetoond dat het openen van het landingsgestel en het uitplooien van de flaps bij de landing het geluid van een landend vliegtuig tot tien decibel kan verhogen afhankelijk van het toesteltype. Voor waarnemers onder het vliegtuig is enkel het lawaai van de structuur meestal bepalend tijdens de landingsfase, wanneer de verschillende bronnen op het vliegtuig samen het geluid van de motoren overstemmen. Bij opstijgende vliegtuigen worden de motoren op vol vermogen gebruikt, wat meer lawaai maakt dan alle kleinere bronnen op het vliegtuigoppervlak samen.
Meer tot de verbeelding sprekend bij de term ‘lawaai van vliegverkeer’ is ongetwijfeld het geluid dat wordt geproduceerd door stuwmotoren of jets. De ontwikkeling van de jetmotor was gedurende de Tweede Wereldoorlog beperkt tot een aantal laboratoriummodellen die slechts op een aantal militaire toestellen werden toegepast. Aan het begin van de naoorlogse periode was echter duidelijk dat de toekomst van de luchtvaart bij de toepassing van deze jets op commerciële toestellen lag. Ze gaven veel vermogen en stuwkracht, waren relatief compact in grootte en al bij al eenvoudig qua constructie.
Sinds de ingebruikname van de jetmotor in de commerciële luchtvaart in de Comet in de jaren vijftig, zijn er een aantal essentiële veranderingen aan het concept doorgevoerd die de motoren niet alleen krachtiger en zuiniger maakten, maar ook de verhouding tussen geluidsproductie en stuwkracht positief hebben beïnvloed. De eerste jets, de turbojets, manipuleerden een enkele luchtstroom. In het eerste gedeelte van de motor werd de druk van de binnengehaalde lucht verhoogd door de compressor, een opeenvolging van rotors met toenemend aantal rotorbladeren. In één of meerdere verbrandingskamers werd deze lucht vermengd met de brandstof, die continu werd ingespoten en verbrand. Door de toename van de temperatuur expandeerde het gasmengsel en na het aandrijven van een turbine voor de compressor werd het hete mengsel tegen een hoge snelheid in de omgevende lucht gespoten. Uitstroomsnelheden tot 700 meter per seconde kwamen hierbij in contact met luchtstromen op veel lagere snelheden, met een enorme lawaaiproductie tot gevolg.
Onderzoek heeft uitgewezen dat het geluidsdrukniveau, veroorzaakt door deze uitgestuwde hete lucht, evenredig is met de uitstroomsnelheid tot de achtste macht. In het geheel van de motor overwoog dit breedbandig, hoofdzakelijk laagfrequente gebulder van de jet in het lawaaispectrum van de Comet, de eerste B707’s of DC8. In de jaren zestig werden low-bypass-ratio turbofan motoren geïntroduceerd met een hogere stuwefficiëntie en minder lawaai. Een luchtstroom rond de jetkern wordt gestuwd door een compressor tot een veel lagere druk dan in de verbrandingskamers. Deze luchtstroom wordt deels door de motor gestuwd en stroomt deels langs de motorkern. De verbrande gassen (die een hoge snelheid hebben) worden vermengd met de bypass-lucht alvorens de motor te verlaten. Op die manier werden lagere uitstroomsnelheden bereikt tot 500 meter per seconde die de discontinuïteit met de omgevingslucht verkleinden. Deze motoren werden succesvol gebruikt op onder andere de B727 en de eerste B737’s.
Mede onder invloed van de oliecrisis ging men nog een stap verder in efficiëntie: de moderne high-bypass-ratio turbofans maken gebruik van nog grotere bypass luchtstromen die worden onderhouden door een grote schroef vooraan de motor. Die motor wordt op zijn beurt aangedreven door betere turbines in de uitstroom van de stuwkern die daardoor bij hogere druk en hogere temperatuur opereert. Een groot deel van de stuwkracht van de motor komt nu van de schroef vooraan de motor, terwijl de verbranding van kerosine nog slechts een uitstroomsnelheid veroorzaakt van ongeveer 450 meter per seconde. De vermengde luchtstroom aan het einde van de motor heeft nog slechts een uitstroomsnelheid van ongeveer 350 meter per seconde. Op deze manier werd een zeer grote reductie gerealiseerd van het lawaai dat wordt veroorzaakt door de uitstoot van verbrande gassen. Anderzijds namen de stuwkracht maar ook het geluid van de schroef, de compressor en het turbinesysteem enorm toe. De moderne high-bypass-ratio turbofans gebruiken drie- tot viermaal meer lucht dan de oorspronkelijke jets. Ze zijn te herkennen aan de zeer grote luchttoevoeren voor aan de motor.
Sinds het begin van het jettijdperk in de luchtvaart werd op die manier een winst geboekt van ongeveer twintig decibel op de oorspronkelijke jets. De grote vooruitgang werd echter gerealiseerd door het reduceren van de gasuitstoot gedurende de eerste twintig tot dertig jaren van de jetmotor. Sinds het gebruik van de high-bypass-ratio motoren op onder andere Airbus 300, DC10 werden nauwelijks nog enkele decibels gereduceerd.
Aanpassingen aan uitstroomopeningen zorgden voor een betere vermenging van warme en koude luchtstromingen en veroorzaakten dus minder geluid, maar hadden een negatief effect op de efficiëntie van de motor. Het plaatsen van dempers, zogenaamde hushkits, op oudere motoren maakte deze nog even vergelijkbaar met de moderne toestellen, maar leverde geen fundamentele bijdrage in de verbetering van vliegtuigmotoren. Het onderzoek naar verdere verbeteringen van de jetmotor spitst zich vandaag vooral toe op de reductie van het lawaai van de schroef, de compressor en turbines. Op verschillende plaatsen van de motor kunnen zowel actieve als passieve elementen worden aangebracht die een extra reductie van het lawaai van de mechanische elementen van de motor opleveren. Omdat de temperaturen in de motor zeer hoog oplopen, kan men echter geen gebruik maken van klassieke geluidsabsorberende materialen. In de moderne jetmotoren wordt op dit ogenblik slechts een minimale geluidsabsorptie aangebracht. Er wordt onderzoek gedaan naar actieve geluidscontrole, maar dat staat nog niet zover dat het kan worden gebruikt in de nieuwste motoren. Zelfs al zouden deze technieken kunnen worden opgenomen in de productie van motoren, dan zou het nog jaren duren alvorens er enig effect merkbaar zou zijn.
Het is ondenkbaar dat de internationale gemeenschap op korte termijn een volledige ban instelt op alle toestellen die niet met de allernieuwste technieken zijn uitgerust. Vliegtuigen hebben een te lange levensduur en toestellen met de nieuwste technologie zijn te duur om een ganse vloot te vervangen. Bovendien is de productie van ultramoderne toestellen te traag om de vraag te kunnen volgen. Er zijn zelfs vooruitzichten dat de lawaaiproductie rond luchthavens de komende jaren door de groei van het vliegverkeer zal toenemen, ondanks het gemiddeld steeds stiller worden van de vloot.
Het is daarom van belang om te weten of de hinder alsnog kan worden beperkt. Geluidshinder is, in tegenstelling tot geluidsbelasting, een subjectief begrip, en niet in hoeveelheden uit te drukken. De mate van hinder is afhankelijk van persoon tot persoon, van zijn gemoedsgesteldheid, bezigheden, relatie tot de luchtvaart, … Voor de één is een overvliegend vliegtuig niet hinderlijk, terwijl de ander zich al stoort aan het zoemen van een ijskast. Dit geeft aan dat hinder mééstal gekoppeld is aan het geluidsniveau, maar dan toch weer niet absoluut. Het is onmogelijk met al deze parameters rekening te houden bij het voorspellen van hinder. Een indicatie voor geluidshinder rond luchthavens kan worden verkregen uit grootschalige enquêtes rond luchthavens die al geruime tijd een stabiel luchtverkeer kennen. Daaruit kan men bijvoorbeeld afleiden welke variaties in luchtverkeer de hinder kunnen vergroten. Deze enquêtes dienen wel met de grootst mogelijke voorzichtigheid te worden uitgevoerd. Zowel voor- als tegenstanders, gehinderden als niet-gehinderden moeten willekeurig worden gekozen. Liefst worden de bevragingen mondeling uitgevoerd omdat het invullen en terugsturen van een formulier al een zekere actiebereidheid en gedrevenheid vraagt van de persoon in kwestie. Zelfs al worden al deze factoren in rekening gebracht, dan zijn er steeds nog factoren die het resultaat laten variëren van enquête tot enquête. In Vlaanderen is de dosis-responsrelatie van Miedema waarschijnlijkst de bekendste manier om hinder te berekenen omdat deze is opgenomen in de VLAREM-wetgeving. Het is een gemiddelde dat werd bekomen door verschillende objectieve ondervragingen van overal ter wereld samen te nemen. De relatie geeft het procentueel aantal potentieel sterk gehinderden aan bij een bepaald geluidsniveau. Maar zoals reeds gezegd gelden deze relaties enkel in stabiele omstandigheden en kunnen ze nooit alle aspecten die hinder veroorzaken in rekening brengen.
De vooruitgang op korte termijn is niet te zoeken in nieuwe technologie maar eerder in het optimaal benutten van de bestaande middelen
Zijn er dan geen acties te ondernemen om de hinder van luchtverkeer rond luchthavens tot een minimum te beperken? Toch wel, maar de vooruitgang op korte termijn is niet te zoeken in nieuwe technologie maar eerder in het optimaal benutten van de bestaande middelen. Tegenwoordig wordt er veel aandacht besteed aan de optimalisatie van opstijg- en landingsprocedures. Het zijn vaak evidente ideeën maar uit het oogpunt van veiligheid moeten ze wel eerst uitvoerig worden getest. Tijdens de landingsfase is vliegtuiglawaai door beperkingen in de aërodynamica van het toestel belangrijker dan motorlawaai. De momenten dat motorlawaai overweegt, zijn te vinden in de horizontale segmenten van de aanvliegroute. Bijgevolg tracht men deze horizontale segmenten te vermijden. Men test het gebruik van grotere aanvlieghoeken om langer op grote hoogte te kunnen blijven. Ook het later openen van het landingsgestel behoort tot de mogelijkheden. Het geheel van maatregelen heeft geresulteerd in wat men noemt ‘Continuous Descent Approach’ (CDA). Deze procedure wordt regelmatig toegepast in de omgeving van bijvoorbeeld Schiphol en London Heathrow. Het is een procedure waarin geen horizontale segmenten voorkomen en waar de daling onder 7000 voet zo laat mogelijk wordt ingezet. Bovendien is gedurende de hele procedure geen of nagenoeg geen motorvermogen nodig. Er is aangetoond dat de geluidsimpact op de grond aanzienlijk wordt gereduceerd maar er zijn enkele beperkingen die het gebruik van CDA niet overal de standaard maken. Zo is het zowel voor de piloot als de verkeersleiding veel omslachtiger dan een normale landingsprocedure. Bovendien kan deze procedure conflicten veroorzaken bij druk luchtverkeer. De verwachting is echter dat op termijn, zeker gedurende de nacht, CDA een courante landingsprocedure zal worden.
Tijdens het opstijgen wordt in een normale procedure het volle motorvermogen gebruikt. Geoptimaliseerde procedures trachten dit vermogen te reduceren boven dichtbevolkte gebieden. Variaties zijn mogelijk in de hoogte waarbij het vermogen kan worden verlaagd of in de hoogte en de snelheid waarmee de flaps worden ingetrokken. Deze technieken worden vaker gebruikt bij het opstijgen dan bij het landen. Bij opstijgprocedures is er echter nog een belangrijkere parameter waarmee kan worden gespeeld. Vanaf een zekere (veilige) hoogte kan men de ligging van de routes veranderen zodat dichtbevolkte woonzones worden vermeden.
Al deze technieken hebben een gunstig effect op de geluidsimpact rond luchthavens maar critici schermen veelal met het argument veiligheid om de effectieve invoering van deze maatregelen tegen te houden. Anderzijds kan men van deze technieken ook geen wonderen verwachten. Vliegtuigen en vliegtuigmotoren zullen de komende jaren lawaai blijven produceren. Een belangrijke taak is weggelegd voor de overheden om een weloverwogen beleid te voeren dat het midden zoekt tussen economie en ecologie. Een ongeremde groei van het luchtverkeer op lage hoogten zal nooit samengaan met een optimaal geluidsklimaat voor bewoners onder de vliegroutes. Anderzijds kan men van de luchtvaartindustrie moeilijk verwachten geen bewoners te hinderen als er huizen worden gebouwd op enkele honderden meters van een landingsbaan. De best mogelijke oplossing ligt ergens tussenin en gezien de verschillende belangen van de betrokken partijen zal het proces om deze oplossing te zoeken lang en moeilijk blijven.
17 december 2003: honderd jaar luchtvaart.
Jan Caerels is als fysicus verbonden aan de KU Leuven.
Walter Lauriks is als fysicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License