飞机高升降装置,如襟翼、滑板和档翼,是实现起飞和着陆时所需的升降量的根本。 然而,这些装置是机体噪音的重要促成因素,随着飞机业务向噪音敏感的城市环境扩展,机场实施更严格的降噪程序,这一因素变得至关重要。 设计高升降装置平衡空气动力性能与声学自由裁量权,是一个涉及气声学、材料科学和先进的计算模型的多学科挑战。 本条探讨了噪音产生机制、当前设计战略、内在权衡以及可能更安静、更可持续的航空的新兴创新。

高升降设备产生的噪音:机制和影响

高升降装置噪音来自若干不同的气声源,主要机制包括:在襟翼表面上空的扰动边界层、从斜翼和襟翼边缘上产生的涡旋以及机翼和部署装置间间隙的不稳定压力波动。 这些来源产生的宽带噪音往往在接近和着陆期间主宰整个机体噪音足迹,尤其是因为发动机噪音已通过现代涡轮范设计减小。

详细气声源

  • 斯拉特噪声:[ 领先的边缘斜拉线和主翼之间的空隙产生复杂的流场. 连通的涡旋结构以及不稳定的剪切层在宽频范围内散射噪声. 斯拉特的后缘也起到强大的噪声源的作用.
  • Flap侧 ⁇ 对接噪音:] 部署的襟翼的暴露侧边缘产生强烈的涡旋,与襟翼表面和周围的流相互作用,产生强的直径和宽带组件.
  • 襟翼间隙噪声:[ 主翼与襟翼之间的槽间流与襟翼的前缘相互作用,产生不稳负载,作为声音散射。这在多翼翼翼配置中特别突出。

监管和社区压力

诸如国际民用航空组织(民航组织)第14章和美国联邦航空管理局(FAA)第5阶段标准等噪音条例,逐步收紧了允许的噪音水平。伦敦希思罗、阿姆斯特丹施普霍尔和洛杉矶国际等人口稠密地区的机场实行宵禁和噪音附加费,直接影响航空公司业务。社区反对机场扩建的呼声影响往往以噪音影响为中心,使低噪音高升降装置不仅成为工程目标,而且成为商业和政治需要。 (见[ FAAA关于噪音的咨询通告和民航组织噪音标准。 )

减少噪音的核心设计战略

工程师们开发了一系列被动和主动的技术,在不损害安全或操作灵活性的情况下减轻高升降装置产生的噪音,这些战略针对的是产生声音的具体流体特征.

被动技术:几何、材料和表面处理

  • 平整的斜拉和侧翼轮廓:[ 通过仔细塑造斜拉的前缘和侧翼的后缘,设计者可以降低涡流的断裂强度和延迟流分离. 渐变的曲率和最小的空隙大小有助于保持附着的流,同时降低不稳状态.
  • ] Side 对接修改: 将小栅栏,翼片或多孔边缘加到侧边,会干扰强烈的连结涡扇的形成. 一些设计使用笔状的附件或切夫龙图案来分散涡扇,减少股噪.
  • 面部处理:[]微粒(肋),凹陷,或用于板和襟面的多孔涂层,可以减少皮肤的软化波动,从而减少动荡的边界层产生的噪音。
  • 斜槽河槽填充: 斜槽前缘的凸槽表面船尾是主要噪声源,填充这个河槽时,可收回或固定的调理使气流平滑,消除了废 ⁇ 的尖端音调. 空中客车A320neo家族采用这种设计,实现了显著的噪声减少.

活动技术: 流控和噪音取消

  • 吹动襟翼: 将发动机的流血空气引向襟翼间隙,激发边界层,减少分离和由此产生的不稳定压力波动,这种方法既能改善升降噪音,又能降低噪音,尽管发动机性能受到惩罚.
  • 普拉斯马振动器: 放置在斜拉片或襟翼上的电阻放电等离子振动器可以通过诱导近地的体力来改变局部的流,这些振动器已被证明在风洞试验中可以抑制涡流的发生,并减少宽带噪声,最多可达到数个分贝.
  • 主动噪声取消: 微型扬声器或微型喷气阵列的阵列可以产生反相声来取消特定的噪声组件. 虽然飞行中难以实施,但这一技术有可能瞄准襟翼侧边最侵入性的舌状气体排放.

平衡性能和声学:关键挑战

降低噪音战略都伴随着权衡。 首要的挑战是保持安全低速飞行所需的高升降性能,同时尽量减少噪音。 许多有效的噪音控制方法都降低升降或增加拖力、燃料消耗和系统复杂性。

空气动力学效率与减少噪音

例如, Slat cove 填充会减少噪音,但会增加重量和机械复杂性。 Side ⁇ edge 改装会通过改变涡流结构来增加拖曳,从而降低最大升降系数。 主动流控制系统需要动力、流血空气或液压输入,从而影响飞机的整体效率。 因此,工程师必须进行多目标优化,同时考虑噪音、升降、拖曳和重量。高级 NASA 气声学研究 侧重于开发设计方法,在设计周期早期就包含噪音限制。

结构和重量限制

高升降装置必须承受起飞和着陆的空气动力载荷以及反复部署周期产生的疲劳。 将降噪特性——如多孔表面或嵌入式振动器——结合起来,不得损害结构完整性或导致过度维护。复合材料提供了一些解决办法:它们可以模制成复杂的形状,并可能包括加压层来吸收振动。然而,飞行安全的新材料认证是一个漫长的过程。从额外增益器、振动器或传感器中增加重量,也降低了有效载荷或范围,使轻量级溶液成为优先事项。

创新和未来方向

推动静音高升力装置正在推动对高级模拟工具,形态结构,以及新动感概念的研究.

高级模拟和优化

计算流体动力学(CFD)与气声解器相结合,现在可以让工程师在风洞或飞行测试前预测高升力配置产生的噪音。 高升力大度的“LES”模拟可以捕捉造成噪音的不稳定流体特征,从而能够对空隙大小、襟翼角度和表面形状进行参数化研究。 这些模拟与进化优化算法相结合,产生了在维持升力的同时将噪音减少2–4 dB的斜面和襟翼设计。 这种虚拟原型化大大降低了开发时间和成本。 (例如,参见欧洲清洁天空方案在低升力设备上的工作 ) 。

粉碎和适应性设备

粉碎可以不断改变形状的领先边缘和后缘,而不是部署离散的斜拉片和侧翼,为在每一个飞行阶段都实现最佳性能提供了潜力,而不会产生噪音缺口或侧翼。 灵活柔性鼻或适应性后缘等概念可以适应理想的空气动力轮廓,从而完全减少噪音的来源。 研究中正在开发可靠、轻量的形态皮肤和振动器,可以承受恶劣的飞行环境。

等离子体起动器和流控

等离子体激发器仍然是减少噪音的有希望的积极技术。 缺少移动部件和微秒反应能力,使得它们具有抑制不稳定流动的吸引力。 最近对高升力配置的风洞研究表明,战略定位的等离子体激发器将斜体湾噪声降低至6分贝。 然而,这些设备的大小可以达到生产飞机的全尺寸,并确保它们在雨、冰和闪电打击条件下可靠运行,是重大的障碍。

结论

为敏感噪音的城市和机场环境设计高升降装置是一个迅速演变的领域,需要整体整合空气动力学、气声学、材料和控制系统。 被动几何学改进——如斜坡河岸填充和侧-边缘处理——已经在生产飞机上实施,可以实现可衡量的降噪效果。 从吹动的襟翼到等离子体振动器等积极技术保证了更大的收益,但需要进一步成熟。由于监管压力的增强和社区要求更安静的天空,所以继续投资模拟-驱动设计和新材料将至关重要。 下一代飞机可能依赖形态表面和智能流控来实现安全操作所需的高升力以及社区接受所需的低噪音。