Table of Contents

Роль тяги в развитии технологий бесшумных самолетов

Стремление к бесшумному самолету представляет собой одну из самых амбициозных целей аэрокосмической техники. По мере того, как городская воздушная мобильность расширяется, и сообщества требуют более спокойного неба, роль тяги - той самой силы, которая продвигает самолет вперед - стала центральной для стратегий снижения шума. Тяга - это не просто мера мощности двигателя; это доминирующий источник акустической энергии в большинстве самолетов, особенно во время взлета и подъема. Понимание того, как тяга генерируется, управляется и оптимизируется, имеет важное значение для проектирования самолетов, которые могут работать с минимальным нарушением звука. В этой статье исследуются сложные отношения между тягой и шумом, рассматривая как современные технологии, так и будущие инновации, которые обещают сделать бесшумный полет практической реальностью.

Основы генерации толчка и шума

Тяга производится путем ускорения массы воздуха или выхлопных газов в противоположном направлении желаемого движения, как предписано третьим законом Ньютона. В реактивных двигателях это ускорение происходит за счет сжигания топлива и вытеснения высокоскоростных газов; в пропеллерных системах оно достигается за счет вращающихся лопастей, которые придают импульс окружающему воздуху. Шум возникает из нескольких механизмов, присущих этому процессу: турбулентное смешивание выхлопных струй, неустойчивые колебания давления на лопастях вентилятора и компрессора и взаимодействие между быстро движущимся воздухом и планером. Джет-шум, шум вентилятора (включая вход и разряд) и шум планера являются тремя основными факторами, способствующими акустике самолета.

Шум реактивного

Реактивный шум генерируется сдвиговым слоем между высокоскоростным выпускным шлейфом и окружающим воздухом. Интенсивность струйных шумов в масштабах с восьмой мощностью реактивной скорости на высоких скоростях, что делает даже небольшие сокращения скорости выхлопа весьма выгодными. Именно поэтому турбовентиляторные двигатели с высоким обходом, которые перемещают большой объем воздуха с меньшей скоростью, по своей сути тише низкоскоростных или турбореактивных двигателей. Современные двигатели с коэффициентом обхода, превышающим 10:1, производят значительно меньше струйного шума, чем их предшественники.

Вентилятор и компрессорный шум

Шум вентилятора состоит как из тональных компонентов (от частот прохождения лопастей), так и из широкополосных компонентов (от турбулентных взаимодействий). Конструкция лопастей вентилятора, расстояние между роторами и статорами и использование передовых акустических вкладышей в гондоле являются критическими факторами. Требование толчка напрямую влияет на скорости ротора и нагрузку на лопасти — более высокие настройки тяги увеличивают колебания давления, которые генерируют шум. Тщательная модуляция тяги во время взлета и подхода, поэтому является ключевой техникой снижения шума при эксплуатации.

Шум в рамке

Хотя непосредственно не связан с генерацией тяги, шум планера становится заметным во время подхода, когда двигатели заглушаются назад. Посадочная передача, закрылки и рейки производят турбулентный поток, который способствует общему шуму. Однако тяга, необходимая для поддержания скорости приближения, все еще должна быть обеспечена, и двигатели, работающие при низкой мощности, могут демонстрировать повышенный шум вентилятора из-за неоптимальных углов лопасти. Управление тягой, таким образом, переплетается с шумом планера в конфигурации посадки.

Стандарты на шум и торможение

Регуляторные рамки привели к большей части инноваций в бесшумных самолетах. Международная организация гражданской авиации (ИКАО) устанавливает стандарты сертификации шума в соответствии с Приложением 16, том I. Эти стандарты стали постепенно ужесточаться, достигнув кульминации в главе 14 (эффективной 2017 года для новых типов самолетов), которая накладывает кумулятивное снижение шума на 7 эффективных воспринимаемых децибел шума (EPNdB) по сравнению с предыдущим пределом главы 4. Производители должны продемонстрировать соответствие в трех точках измерения: эстакада, боковая (боковая) и подход. Снижение тяги во время эстакады и боковые измерения непосредственно снижает шум двигателя, но оно должно быть сбалансировано с запасами прочности и требованиями к производительности. Соблюдение требует сложных систем управления тягой, которые изменяют параметры двигателя в режиме реального времени.

Для получения более подробной информации о стандартах шума ИКАО посетите страницы шума ИКАО .

Передовые конструкции двигателей, оптимизирующие тягу для низкого шума

Высокоскоростные турбофаны и сеяные турбофаны

Переход от низко-обходных к высоко-обходным турбовентиляторам представляет собой наиболее значительное снижение шума самолета на сегодняшний день. Путем перемещения большей массы воздуха с меньшей скоростью эти двигатели производят ту же тягу с резко сниженным реактивным шумом. Следующий скачок - это управляемая турбовентиляторная установка (GTF), такая как серия Pratt & Whitney PW1000G. Редукционная коробка передач позволяет вентилятору вращаться с более медленной, аэродинамически оптимальной скоростью, независимой от турбины низкого давления и компрессора. Это разделение уменьшает шум вентилятора на 15-20 дБ в низкочастотном диапазоне и устраняет многие тональные компоненты. Способность GTF поддерживать высокую тягу при низких скоростях вентилятора является прямым стимулом более спокойных операций.

Открытый ротор и невыведенные вентиляторные двигатели

Двигатели с открытым винтом (также известные как невыдержанные вентиляторы) обеспечивают более высокую двигательную эффективность, удаляя гондолу, тем самым уменьшая сопротивление и позволяя более крупным лопастям. Однако отсутствие вихря лопасти и неустойчивая нагрузка производят заметный тональный шум. Современные исследования фокусируются на противовращающихся лопастях с тщательно оптимизированной стреловидностью и интервалом для отмены источников шума. Программа RISE GE Aerospace разрабатывает концепцию открытого ротора следующего поколения, которая направлена на достижение 20% снижения расхода топлива при соблюдении пределов шума главы 14 посредством усовершенствованной конструкции лопасти и управления тягой. Дополнительную информацию можно найти в GE Aerospace RISE программа .

Электрическое и гибридное электрическое движение

Электрические системы тяги обещают принципиально более низкий шум, потому что они работают с меньшим количеством движущихся частей и устраняют шум сгорания. Электрические двигатели могут быть распределены вдоль крыла или фюзеляжа, что позволяет производить большее количество меньших двигателей, каждый из которых производит более низкий шум индивидуально. Отсутствие турбомашины снижает высокочастотный тональный шум. Однако шум пропеллера на низких скоростях все еще может быть значительным, и тяга, обеспечиваемая электрическими двигателями, должна быть точно подобрана к условиям полета. Экспериментальный самолет НАСА X-57 Maxwell продемонстрировал, что распределенная электрическая тяга (DEP) может уменьшить общий шум, распространяя спрос на энергию через многие небольшие, медленно вращающиеся пропеллеры. компромисс заключается в том, что электрические системы тяги в настоящее время имеют более низкую плотность энергии по сравнению с реактивным топливом, ограничивая дальность и выносливость. Достижения в технологии батареи и сверхпроводящих двигателях раздвигают границы; см. Исследования НАСА по снижению шума для текущих проектов.

Шумовое щитование и интеграция

Ориентация на тягу относительно планера может резко повлиять на воспринимаемый шум. Размещая двигатели над крылом или фюзеляжем, планер действует как барьер, который отражает и дифрактирует звуковые волны вверх, от земли. Концепция самолета без звука NASA / SAX-40 использовала смешанный корпус крыла (BWB) со встроенными двигателями и змеиным входом для защиты лица вентилятора. Эта конфигурация уменьшила шум примерно на 50 кумулятивных EPNdB относительно обычной трубы и крыла. Ключом было то, что ось тяги двигателей была направлена назад, но защитные поверхности нарушили прямую линию зрения между источником шума и наблюдателем. Инициатива Тихого самолета в Массачусетском технологическом институте и Кембриджском университете впервые в этом исследовании.

Векторирование тяги для управления шумом

Векторирование тяги — способность перенаправлять выхлопной шлейф — обычно связано с маневренностью в истребителях, но также имеет шумовые приложения. Путем векторизации выхлопа вниз во время взлета высокоскоростная струя может быть направлена от земли, уменьшая воздействие реактивного шума на боковые сообщества. И наоборот, векторирование вверх во время подхода может минимизировать шум на земле при сохранении необходимой тяги для крутого спуска. Вентилятор подъема F-35B и векторное сопло иллюстрируют принцип, хотя в первую очередь для вертикального / короткого взлета и посадки (V / STOL). Коммерческие приложения остаются концептуальными, но изучаются для будущих сверхзвуковых бизнес-джетов, где шум во время взлета и подъема является основным барьером.

Управление эксплуатационной тягой для снижения шума

Шум в самолетах является не только функцией конструкции двигателя, но и того, как тяга используется в полете. Авиакомпании и аэропорты внедряют процедуры снижения шума, которые изменяют уровни тяги на различных этапах.

Уменьшенный взлет тяги

Умеренный или уменьшенный взлет тяги являются стандартными в аэропортах с ограничениями по шуму. Пилот выбирает уровень тяги ниже максимально доступного, часто на основе условий окружающей среды и длины взлетно-посадочной полосы. Это снижает скорость двигателя и скорость выхлопа, непосредственно снижая реактивный и вентиляторный шум. Современные системы управления полетом автоматически вычисляют оптимальный разряд. При уменьшенной тяге увеличивается расстояние взлетного крена, поддерживаются запас прочности.

Непрерывный подход к спуску (CDA)

При посадке обычный понижающий подход требует сегментов полёта уровня с двигателями при малой мощности, что может увеличить шум вентилятора. CDA использует устойчивый, неглубокий спуск с высоты круиза на взлетно-посадочную полосу, с двигателями бездействия или при минимальной тяге. Это снижает как шум двигателя, так и шум планера, поскольку закрылки и шасси могут быть развернуты позже. CDA может давать снижение шума на 3-5 дБ в сообществах под подходом. Однако для поддержания скользящего пути требуется точное управление тягой, часто с использованием систем автодроссельной заслонки.

Обрезка спины во время восхождения

После взлета самолеты обычно уменьшают тягу для подъема на указанную высоту (например, 1000 футов). Это сокращение значительно снижает шум для сообществ, находящихся дальше от аэропорта. Производители двигателей разрабатывают графики сокращения, которые минимизируют шум при обеспечении адекватного градиента подъема. Некоторые современные двигатели используют функции переменного цикла для дальнейшего снижения шума при сокращении мощности, такие как модуляция впускных направляющих лопастей или корректировка скорости наконечника вентилятора.

Шум и ржавчина в условиях городской мобильности воздуха

Электромобили вертикального взлета и посадки (eVTOL) представляют собой новую границу для бесшумной тяги. Эти самолеты полагаются на несколько роторов или воздуховодов для создания подъема и тяги. В профиле шума eVTOL преобладают широкополосный ротор и тональный шум, но поскольку транспортные средства обычно меньше и работают на более низких скоростях, пиковые уровни шума намного ниже, чем коммерческие самолеты. Однако кумулятивный шум от многих операций в городских условиях требует чрезвычайно тихих конструкций. Инженеры экспериментируют с роторами с низкой скоростью спуска, распределенной тягой и активным шумоподавлением. Тяга, необходимая для вертикального подъема, высока, но она может быть распространена на многих небольших движителях, каждый из которых работает на более низкой скорости вращения. Такие компании, как Joby Aviation, Archer и Lilium, активно работают над конфигурациями, которые соответствуют цели 65 дБ на 500 футов, сопоставимой с окружающим городским шумом.

Будущие технологии и направления исследований

Пограничный уровень проглатывания (BLI)

При поглощении потока пограничного слоя с низким импульсом на фюзеляже, движители BLI могут уменьшить тягу, необходимую для данной скорости воздуха, потому что они повторно заряжают будку. Это снижает необходимую мощность двигателя и, следовательно, шум. BLI также снижает реактивный шум, потому что проглатывание потока медленнее, уменьшая дифференциал скорости. Финансируемый НАСА корпус Boeing X-48 и проект Airbus NAGRA включают концепции BLI. Однако BLI накладывает проблемы на конструкцию вентилятора из-за неравномерного притока, который может увеличить шум, если не тщательно управляется. Активное управление потоком и адаптивные лопасти вентилятора находятся под следствием.

Двигатели переменного цикла

Двигатель переменного цикла может переключаться между режимом турбовентилятора высокого обхода (низкий шум, эффективный круиз) и режимом низкого обхода или турбореактивного двигателя (высокая тяга для сверхзвукового полета). Двигатель GE Affinity, выбранный для сверхзвукового бизнес-джета Aerion AS2 (теперь отмененный), продемонстрировал принципы переменного цикла. В дозвуковом режиме он использовал больший вентилятор для тихой работы; в сверхзвуковом режиме он обходила вентилятор для более высокой скорости выхлопа. Тяга модулируется не только по величине, но и в фундаментальном термодинамическом цикле. Эта технология обещает для сверхзвукового самолета следующего поколения, который должен соответствовать правилам шума.

Адаптивные и морфинговые выхлопные сопла

Форма выхлопной сопла влияет на реактивный шум. Шевроны (зазубренные задней кромки) использовались на двигателях, таких как GE90, в течение многих лет для снижения реактивного шума, способствуя смешиванию. Новые адаптивные сопла могут изменять геометрию в полете — например, расширяясь до шевронного рисунка на малой высоте и убираясь для эффективного круиза. Насадки с вектором тяги также попадают в эту категорию. Точно контролируя поток выхлопа, эти устройства могут минимизировать длину корреляции турбулентных структур, основного источника низкочастотного реактивного шума.

Социально-экономическое и экологическое воздействие безмолвных самолетов

Разработка более тихих самолетов - это не просто техническая задача; это имеет глубокие последствия для сообществ, аэропортов и климатической политики. Аэропорты во всем мире сталкиваются с комендантским часом, эксплуатационными ограничениями и значительными затратами на снижение шума. Безмолвные авиационные технологии могут обеспечить 24-часовую работу, увеличить пропускную способность аэропорта и уменьшить воздействие на здоровье, такое как нарушение сна и сердечно-сосудистый стресс. Экономическая выгода от снижения шумовых ограничений взлетно-посадочной полосы оценивается в миллиарды долларов в год для крупных узлов. Оптимизированные с учетом шума самолеты являются ключевым фактором этих преимуществ.

С экологической точки зрения бесшумные самолеты часто идут рука об руку с повышением топливной эффективности. Более низкий уровень шума обычно происходит из-за более низких скоростей выхлопа, что также снижает расход топлива (поскольку тяга пропорциональна скорости массового расхода, а эффективность повышается с меньшей скоростью для данной тяги). Однако существуют штрафы за вес и сложность. Таким образом, путь к бесшумному полету является многообъективной оптимизацией, где тяга играет центральную роль.

Заключение

Тяга — это гораздо больше, чем сила, преодолевающая сопротивление; это основная акустическая подпись самолета. Путь к бесшумному самолету зависит от понимания и манипулирования тем, как генерируется, направляется и контролируется тяга. От турбовентиляторов с высоким обходом до распределенной электрической тяги, от шевронных сопл до проглатывания пограничного слоя, каждое нововведение стремится согласовать спрос на достаточную тягу с императивом для уменьшения шума. Авиационная промышленность добилась значительного прогресса, достигнув общего снижения шума на 75% за операцию за последние 50 лет. Тем не менее, поскольку городская воздушная мобильность, сверхзвуковые путешествия и растущий спрос раздвигают границы, роль тяги в конструкции бесшумного самолета станет только более важной. Продолжение исследований, мотивированных постоянно ужесточающимися правилами и общественными ожиданиями, гарантирует, что тихое небо будущего построено на основе разумной тяги.