Инновации в механизмах снижения шума для городской мобильности воздуха

Акустический вызов городской воздушной мобильности

Городская воздушная мобильность (UAM) готова революционизировать городской транспорт, но ее успех зависит от завоевания общественного признания. Загрязнение шумом является главным барьером для интеграции сообщества. В отличие от обычных самолетов, которые работают на больших высотах над аэропортами, eVTOL и беспилотники будут летать низко над жилыми кварталами, взлетая и приземляясь в городских кварталах. Один шумный перелет может вызвать широкое противодействие. Исследования связывают постоянный шум самолета с нарушением сна, сердечно-сосудистым стрессом и снижением когнитивных функций у детей. Для того, чтобы UAM стал жизнеспособным ежедневным режимом транзита, выбросы шума должны быть уменьшены намного ниже текущих уровней вертолета - в идеале, чтобы смешать с фоновыми городскими звуками при 40-50 дБ (А). Это делает инновации в шумоснижающих клапанных механизмах не только инженерным упражнением, но и социальным императивом.

Источники аэродинамического шума на винтокрылом или фиксированным крылом eVTOL многочисленны: основные и хвостовые винты, пропеллеры и устройства повышенной грузоподъемности. Листовки — развёртываемые поверхности, изменяющие камбер крыла и площадь — генерируют значительный шум на низких скоростях при взлете, переходе и посадке. Поскольку eVTOL обычно используют распределенную электрическую тягу и имеют относительно небольшие крылья, закрылки часто развёртываются под высокими углами для достижения необходимого подъема. Это создаёт сложные взаимодействия потока: турбулентные будки, вихревое сбрасывание на боковых краях закрылков и неустойчивые колебания давления, излучающие шум. Понимание этих механизмов — первый шаг к их успокоению.

Основы Flap-генерированного шума

Чтобы оценить новые концепции снижения шума, необходимо ухватить аэроакустические источники на обычной системе закрылков. Когда клапан отклоняется вниз, воздушный поток над основным элементом крыла ускоряется, а затем отделяется или повторно присоединяется в промежутке между крылом и закрылком. Ключевые шумопроизводящие явления включают:

• Трейлинговый краевой шум: Турбулентный пограничный слой, проходящий через острый задающий край закрылка, рассеивается в звуковые волны — широкополосный источник шума, доминирующий на более высоких частотах.
• Помеховые боковые края шума: На частично-пролетных закрылках сильный вихрь катится вверх по бортовым и подвесным краям, генерируя интенсивные, низкочастотные тона и широкополосный шум.
• Шум разрыва: Прорезь между основным крылом и лоскутом создает высокоскоростную струю, которая ударяется о поверхность лоскута, производя тональные и широкополосные компоненты.
• Шум разделения: При высоких углах отклонения поток может отделяться от поверхности лоскута, что приводит к крупномасштабным неустойчивым будкам и низкочастотному грохоту.

Каждый из этих механизмов представляет собой конкретную цель для инноваций. Задача состоит в том, чтобы смягчить шум, не жертвуя при этом характеристиками увеличения подъемной силы или сопротивления, которые делают закрылки необходимыми для работы в коротком поле. Многие подходы, которые уменьшают турбулентность, также могут уменьшить сопротивление, предлагая беспроигрышный вариант.

Инновации в механизмах шумоподавления

Недавние исследования и разработки позволили создать набор технологий снижения шума, адаптированных к самолетам eVTOL и UAM. Некоторые из них являются адаптацией концепций коммерческой авиации; другие - это новые конструкции, использующие электрическую двигательную установку и распределенные архитектуры. Здесь мы рассмотрим наиболее перспективные категории.

Слотированные и многоэлементные Flap-дизайны

Традиционные однослотные закрылки производят узкую струю через щель, создавая сильный смешивающий шум. Расширенные многоэлементные закрылки — с двумя или тремя слотами — распределяют градиент давления на нескольких этапах, уменьшая пиковые скорости и интенсивность турбулентности. Каждый слот позволяет реактивировать пограничный слой, задерживая разделение и позволяя более высокому подъему с меньшим отклонением. Результатом является более плавное пробуждение с более низким широкополосным шумом. Исследователи из Исследовательского центра НАСА Гленна продемонстрировали, что правильно спроектированный трехэлементный закрылок может снизить общий уровень звукового давления на 5-8 дБ по сравнению с однослойным закрылком при том же коэффициенте подъема. Электрический самолет также может использовать дифференциальное планирование разрыва: последовательность развертывания закрылка оптимизирована не только для подъема, но и для шума, используя управление замкнутым контуром для минимизации акустических выбросов во время каждой фазы траектории полета.

Методы контроля пограничного слоя

Управляя тонким слоем воздуха, примыкающим к поверхности лоскута, инженеры могут уменьшить турбулентность, которая генерирует шум. Проводятся испытания нескольких методов:

• Активное всасывание: Малые пористые секции на поверхности лоскута удаляют жидкость с низким импульсом, задерживая переход и уменьшая турбулентные вихри. Отсос также может подавлять разделение потока под высокими углами, позволяя меньшие отклонения лоскутов для того же подъема. В то время как ранние системы были тяжелыми и энергоемкими, легкие микронасосы и композитные пористые кожуры сделали всасывание возможным для небольших эВТОЛ.
• Плазменные приводы:] Диэлектрические барьерные разрядные плазменные приводы, установленные на поверхности лоскута, создают силу тела, которая ускоряет поток ближней стенки. Их можно пульсировать для нацеливания на конкретные частоты, отменяя неустойчивые вихри, которые генерируют тональный шум. Исследователи из Техасского университета показали, что плазменные приводы могут уменьшить шум зазора лоскута на 3-4 дБ в испытаниях аэродинамической трубы с минимальным весом.
• Генераторы вихрей (VG): Микрофургоны, расположенные выше по течению от петли лоскута, активизируют пограничный слой, предотвращая разделение и уменьшая масштаб вихрей сбрасывания. Поворот VG под углом также может направить вихрь боковых краев лоскута от задней кромки, ослабляя его. Штраф незначительно увеличивается, но для типичного подхода eVTOL преимущество шума перевешивает его.

Умные материалы и структуры морфинга

Фиксированные геометрические закрылки являются компромиссом между шумом, подъемом и перетаскиванием на разных фазах полета. Умные материалы позволяют клапану непрерывно менять форму, поддерживая оптимальную аэродинамику в каждый момент - и более спокойный поток в качестве побочного продукта. Ключевые разработки включают:

• Сплавы сланцевой памяти (SMA) исполнительные механизмы: Тонкие провода SMA, встроенные в композитный лоскут, могут сокращаться при нагревании, в результате чего лоскут может изгибаться или скручиваться. В отличие от обычных шарниров, которые создают зазоры и ступени, морфинговые закрылки на основе SMA имеют гладкие, непрерывные поверхности, которые полностью устраняют шум слота. Программа НАСА Adaptive Compliant Trailing Edge продемонстрировала бесшовный лоскут, который уменьшил сопротивление круиза на 5-10% и приблизился к шуму на 2-3 дБ.
• Пьезоэлектрические пластыри: Встроенные в кожу лоскута, эти материалы могут вибрировать на высоких частотах, чтобы активно отменять колебания поверхностного давления, прежде чем они излучаются в виде звука.
• Пустящие структуры: Лента может щелкать между двумя устойчивыми формами — убранными для круиза, развернутыми для посадки — с использованием встроенных пружин и маломощных триггеров. Отсутствие петель, связей и зазоров снижает как механическую сложность, так и источники шума. Несколько университетских команд изучают сотовые ядра морфинговых шкур.

Акустические линейные и звукопоглощающие материалы

Пассивные шуморегулирующие материалы, встроенные непосредственно в лоскутные конструкции, могут поглощать звук у источника.

• Пористый металл или композиционные вкладыши:] Слой пены с открытыми ячейками или металлический войлок, прикрепленный к нижней стороне или задней кромке закрылка, действует как широкополосный поглотитель. Импеданс настроен на соответствие доминирующим частотам шума (обычно 500-2000 Гц для шума лоскута). При современном аддитивном производстве сложные структуры с градуированной пористостью могут быть изготовлены без добавления значительного веса.
• Акустические резонаторы: Малые резонаторы Гельмгольца, встроенные во внутреннюю полость клапана, могут быть настроены на конкретные тональные частоты — такие как частоты пропускания лопастей от соседнего пропеллера или частоты вихря, сбрасывающие частоту с бокового края лопасти. Эти резонаторы могут ослаблять тоны на 10-15 дБ. Проблема заключается в том, что эффективная полоса пропускания узкая, поэтому необходимы несколько резонаторов или регулируемые объемные камеры.

Сочетание активных и пассивных подходов — акустического лайнера с активным шумоподавлением — обеспечивает более широкое покрытие частоты и является фокусом проекта ARTEM (Aeroacoustic Reduction Through Emerging Materials), финансируемого ЕС.

Системы активного шумоподавления

Концепция отмены шума закрылка с противодействующими звуковыми волнами была продемонстрирована в лабораторных условиях. Микрофонная матрица вблизи задней кромки закрылка обнаруживает входящие помехи давления; цифровой сигнальный процессор приводит в действие громкоговорители или поверхностные исполнительные механизмы для получения антифазного сигнала. Однако реальная реализация сталкивается с серьезными препятствиями: акустическое поле сильно направлено и изменяющееся во времени, требуемая полоса пропускания привода высока, и система должна быть легкой и энергоэффективной. Несмотря на эти препятствия, несколько стартапов разрабатывают компактные контроллеры с низкой задержкой, которые могут быть интегрированы в интерьер закрылка. Снижение шума обычно ограничивается тональными компонентами; отмена широкополосного доступа остается неуловимой без импрактически большого количества каналов. Тем не менее, для eVTOL, которые работают в узком скоростном режиме во время посадки, система отключения тонала может быть эффективной.

Интеграция инноваций: тематические исследования и текущие исследования

Реальные программы eVTOL уже включают в свои проекты концепции шумоподавления. Joby Aviation, лидер в этой области, заявил, что его архитектура наклона-пропеллера - в сочетании с тщательной конструкцией закрылка - дает уровни шума ниже 65 дБ (А) на высоте 500 футов. Пятиместный самолет компании использует многоэлементные закрылки с оптимизированными щелями слотов и контролем пограничного слоя для достижения спокойного профиля. Аналогично, воздушное такси VoloCity VoloCity использует жесткую многокоптерную конструкцию с фиксированными роторами и без закрылков, но его преемник VoloRegion, как ожидается, будет включать развертываемые поверхности с высокой подтяжкой; инженеры немецкой компании изучают щелевые конфигурации с активным всасыванием.

В NASA проект Revolutionary Vertical Lift Technology Project финансирует исследования систем с низким уровнем шума для будущих автомобилей UAM. Заметное исследование, проведенное в Исследовательском центре Эймса в 2023 году, сравнило базовые однослойные закрылки с морфинговым, SMA-актуированным бесшовным закрылком на полумодели eVTOL. Бесшовный закрылок уменьшил общий шум на 3-4 дБ по всем углам измерения, с особым преимуществом в заднем и боковом направлениях, где доминирует боковой край шума. Другое сотрудничество NASA с Университетом Флориды показало, что размещение небольших генераторов вихря чуть выше петли закрылка может снизить приближающийся шум на 2 дБ, не влияя на коэффициент подъема.

В Европе в проектах Clean Sky 2, таких как SATELLITE и NOISEplus, были исследованы композитные акустические лайнеры для зазоров закрылков и адаптивных задней кромки. В этих проектах были изготовлены прототипные закрылки со встроенными резонаторами Гельмгольца, которые снижали тональные пики до 12 дБ в испытаниях аэродинамической трубы. Технология рассматривается для Airbus CityAirbus NextGen, четырехместного eVTOL, запланированного к сертификации к 2025 году. CityAirbus использует фиксированное крыло с четырьмя наклонными роторами и простой системой закрылков; компания изучает морфинг секций задней кромки для замены обычных закрылков.

Для дополнительного чтения о текущем состоянии исследований обратитесь к странице NASA Revolutionary Vertical Lift Technology и Подход к шуму в авиации . Научные статьи Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) Aeroacoustics Conferences регулярно сообщают о снижении шума лоскутов; материалы находятся в открытом доступе.

Пути регулирования и сертификации

Сертификация шума для самолетов UAM является движущейся целью. Текущие стандарты шума FAA Part 36 для вертолетов (15 CFR Part 36, Subpart H) основаны на измерениях эстакады, взлета и подхода на определенных расстояниях. Они адаптируются для eVTOL, при этом FAA и EASA работают над новыми показателями, которые отражают уникальные шумовые сигнатуры - часто более высокие частоты, более тональное содержание и различные модели направленности. Агентство по авиационной безопасности Европейского союза (EASA) выпустило свое специальное условие для самолетов VTOL в 2019 году, которое включает в себя шумовые ограничения, которые первоначально получены из стандартов вертолета, но признают необходимость более низких пределов для обеспечения принятия сообществом.

Инновационные механизмы отвода, которые снижают шум, должны доказать, что они не ставят под угрозу безопасность: они должны по-прежнему обеспечивать адекватный подъем во всех условиях полета, оставаться устойчивыми к ударам птиц и мусору и надежно функционировать после повторных циклов развертывания. Обязательство по сертификации активных систем (насосов, приводов, электроники) выше, чем для пассивных механических конструкций. Однако регулирующие органы открыты для признания преимуществ снижения шума и могут предоставлять в будущем эксплуатационные кредиты, такие как увеличенные часы работы или более низкие минимальные высоты для самолетов с проверенными технологиями с низким уровнем шума.

Будущее и остающиеся вызовы

Несмотря на быстрый прогресс, интеграция механизмов снижения шума в серийные самолеты UAM сталкивается с препятствиями. Вес и стоимость остаются основными проблемами: морфинговые структуры и активные системы управления добавляют сложность. Например, морфинговый клапан на основе SMA требует источника питания, способного быстро нагревать провода (часто при 1-2 кВт для небольшого eVTOL), что влияет на диапазон батарей. Надежность цикла использования интеллектуальных материалов в пыльной, влажной городской среде еще не полностью подтверждена.

Существует также фундаментальный компромисс: некоторые методы снижения шума увеличивают сопротивление или снижают максимальный коэффициент подъема. Активное всасывание, при успокаивании потока, требует насоса, который потребляет энергию и добавляет режимы отказа. Приводы плазмы производят озон и могут мешать бортовой электронике. Оптимальное решение, вероятно, включает в себя комбинацию пассивной акустической обработки - пористые задней кромки, зазубренные скины - с активными элементами, которые можно выключить в круизном режиме для экономии энергии.

Другая проблема заключается в том, что шум лоскутов является только одним компонентом общего шума UAM. Роторы и пропеллеры часто доминируют, особенно при взлете. Поэтому шумопоглощающие закрылки должны быть частью целостной конструкции самолета с низким уровнем шума: тихие роторы, оптимизированные траектории полета и вертикальные поверхности подъема, которые минимизируют углы подхода. В следующем десятилетии будет наблюдаться итеративный процесс, в котором каждое новое поколение демонстраторов eVTOL включает уроки из более ранних инноваций лоскутов.

Траектория ясна: уровни шума лоскутов, которые были приемлемы для традиционных самолетов, не будут допускаться в городских условиях. Благодаря инженерным закрылкам, которые тихо ревут - с использованием оптимизации слотов, управления пограничным слоем, интеллектуальных материалов и акустически обработанных поверхностей - индустрия UAM может сделать обещание спокойного городского неба реальностью. Эти инновации - не просто технические усовершенствования; они являются мостом между новой концепцией и повседневной транспортной реальностью, которую будут приветствовать соседи.

Для текущих разработок следуйте за страницей EASA VTOL и инициативой FAA Urban Air Mobility . С каждым развертыванием утихающего закрылка UAM на один шаг приближается к плавному слиянию с акустической тканью современного города.