Aeroacoustic analysis of the SOFIA telescope cavity by means of flight test data

Abstract

The Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) is a joint project of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the German Aerospace Center (DLR) in order to study the universe in the infrared spectrum. Being the largest airborne observatory in the world it consists of a modified Boeing 747SP operating at and above an altitude of 12 km. In particular, a 2.7 m reflecting telescope is integrated in a closable cavity in the rear part of the aircraft body. Once the cavity door is opened for skywatching during operational flights, the telescope is exposed to the free atmosphere and thus to flow-induced vibrations and acoustic fluctuations, which can impact its pointing stability and image quality. The goal of this study thesis was to analyze the aeroacoustic behavior of the SOFIA telescope cavity by means of available flight test data. Therefore, an optimized postprocessing procedure with powerful graphical capabilities has been implemented in order to interpret the test results qualitatively and quantitatively as well as to compare them with previous theoretical findings and numerical simulations. In this way, this analysis provides further important insights as well as a deeper understanding of critical aeroacoustic behavior of the SOFIA configuration and thus contributes to the interdisciplinary telescope pointing optimization.

Das Stratosphärenobservatorium für Infrarotastronomie (SOFIA) ist ein Gemeinschaftsprojekt der National Aeronautics and Space Administration (NASA) sowie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Ziel, das Universum im infraroten Lichtspektrum zu erforschen. Es ist die weltgrößte fliegende Sternwarte und besteht aus einer modifizierten Boeing 747SP, die in oder oberhalb von 12 km Höhe betrieben wird. Dabei ist im hinteren Rumpfsegment des Flugzeugs ein 2.7 m großes Spiegelteleskop in einem verschließbaren Schacht (Cavity) integriert. Sobald die Cavity-Tür während des Flugbetriebs für Himmelsbeobachtungen geöffnet wird, ist das Teleskop der freien Atmosphäre und somit strömungsinduzierten Vibrationen und akustischen Schwankungen ausgesetzt, welche seine Positioniergenauigkeit sowie die Bildqualität erheblich beeinträchtigen können. Das Ziel dieser Studienarbeit war es, das aeroakustische Verhalten des SOFIA-Teleskopschachts mit Hilfe von verfügbaren Flugversuchsdaten zu analysieren. Hierfür wurde eine optimierte Datenprozesskette mit leistungsfähigen grafischen Funktionalitäten implementiert, um die Versuchsergebnisse qualitativ sowie quantitativ auszuwerten und sie mit bisherigen theoretischen Erkenntnissen und numerischen Simulationen zu vergleichen. Damit bietet diese Untersuchung weitere wichtige Erkenntnisse sowie ein tieferes Verständnis des kritischen aeroakustischen Verhaltens der SOFIA-Konfiguration und trägt somit zur interdisziplinären Optimierung der Teleskop-Positioniergenauigkeit bei.