– На 9-й сессии КАЕП ИКАО были сформулированы, а на 38-й сессии Ассамблеи ИКАО приняты новые нормы по шуму. Они на 7 EPNdB строже предыдущих. Не считаете ли вы их чрезмерно жесткими? Не станут ли они инструментом «выдавливания» России с мирового авиационного рынка?
Юрий Халецкий: Не считаю, что новые нормы слишком жесткие. Международная организация гражданской авиации (ИКАО) и входящий в ее структуру Комитет по защите окружающей среды от воздействия авиации (КАЕП) призваны защищать население, особенно тех, кто живет в районах аэропортов. Путем планомерного ужесточения норм на шум и эмиссию вредных веществ ИКАО побуждает производителей авиационной техники применять на новых самолетах наиболее эффективные технологии снижения шума двигателей и эмиссии вредных веществ. КАЕП никогда не принимает нормы, которые в текущий момент вообще нельзя удовлетворить.
Виктор Копьев: То, что нормы ИКАО – инструмент «выдавливания» России с мирового авиарынка, – это слишком громко сказано. Минус 7 EPNdB – не такое серьезное ужесточение, все ждали большего: снижения и на 10, и на 15 единиц. Это, во-первых. Во-вторых, западные самолеты, и не только новые, легко достигают барьера в 7 EPNdB и даже больше. По-видимому, последнее снижение своей умеренной величиной обязано идее продвижения технологии открытого ротора. В двигателях с открытым ротором невозможно расположить звукопоглощающие конструкции (ЗПК) вокруг лопаточной машины, вообще средств снижения шума для такого типа двигателей очень мало. Доведение их до соответствия предыдущей Главе 4 – уже большая проблема. Наша страна подобную силовую установку (турбовентиляторный двигатель Д-27 с винтами СВ-27) для самолета Ан-70 создала первой в мире. И мы знаем, что для ее доводки по шуму нужно еще много работать. На Западе считают, что создаваемые новые СУ с открытым ротором барьер в 7 EPNdB преодолеют. Поэтому и была введена эта норма, что нам, конечно, на руку. Хотя задача ее соблюдения для наших самолетов тоже непростая.
Ю. Х.: Конечно, ужесточение норм можно рассматривать как инструмент «выбивания» конкурента с поля, если конкурент не считает одним из главных приоритетов своей деятельности производство экологически чистой продукции. Но жизнь не стоит на месте, конкурентная борьба расширяет поле деятельности, вскоре появится новый стандарт на выбросы СО2.
Что касается новых российских самолетов – «Сухой RRJ», Ту-204 и Ту-214, МС-21, то вопрос соблюдения этими самолетами новых требований, содержащихся в Главе 14, технически решаем.
В. К.: За последние десятилетия ведущие авиапроизводящие страны без остановки вели мощную работу по доведению своих самолетов до качественно нового уровня по шуму и весьма преуспели. И если сравнить наш Ту-204 с западными аналогами – А 319, А 320, А 321, B 737, будет понятно, что последние прошли путь от Главы 3 ИКАО минус 25 EPNdB. Некоторые модификации имеют еще больший запас по шуму. А наш Ту-204 по всем имеющимся модификациям имеет запас относительно Главы 3 от 8 до 14,7 EPNdB и все.
Это связано с тем, что на Западе не перестают работать над самолетами, постоянно их сертифицируют, внедряют новшества, борются за каждую долю децибела. В России же доводкой занимаются мало. Да, конкурентное давление есть. Несмотря на то, что количество российских самолетов на мировом рынке ничтожно, их, конечно, имеют в виду. Но нельзя же свои недоделки списывать на конкурентов, надо работать.
– Получается, что у отечественного авиапрома нет перспективы?
Ю. Х.: Не совсем так. Мы, проектируя и производя авиатехнику, всегда занимались вопросами снижения шума и эмиссии вредных веществ. Хорошую перспективу имеют названные мной выше новые российские самолеты – «Сухой RRJ», Ту-204 и -214, МС-21. На мой взгляд, для всех нас очень важно, чтобы в назначенный срок была осуществлена разработка двигателя ПД-14.
В. К.: У российского авиапрома есть перспектива, кто ее может отнять? Есть специалисты и не хуже европейских или американских. В сложившейся ситуации нашего отставания мы имеем одно преимущество: Запад уже прошел этот путь и мы видим, что и как они делали, поэтому сокращение разрыва можно осуществить быстрее, если заниматься этим серьезно, конечно. Беда еще и в другом: в вопросах шума самолета на местности у нас доминирует двигателецентристская модель, то есть убеждение, что шум самолета – это проблема двигателя. Такая модель всех устраивает – и двигателистов, и разработчиков самолета. Но она давно устарела, и для самолетов с большими запасами надо исходить из самолетоцентристской модели, в соответствии с которой все источники, включая такой важный, как двигатель, находятся во взаимосвязи. Эту ситуацию фактически и фиксирует Глава 14, для выполнения требований которой потребуется «настройка» по шуму всего самолета, а она неотделима от его аэродинамики. Но об этом в России пока мало кто задумывается серьезно. Нормы Главы 14 ИКАО и перспективные нормы заставят понять, что одним только совершенствованием двигателя проблему не решить. Причем это касается и новых, и существующих самолетов, включая Ту-204/214. Аналогичные самолеты на Западе имеют требуемый запас!
– На ваш взгляд, у двигателя ПС-90А2 есть будущее?
Ю. Х.: Я думаю, его резервы по снижению шума не исчерпаны. Где их искать? В первую очередь нужно не разбрасываться на мелочи, а обратить внимание на основной источник шума – вентилятор. Тут возможны варианты. Можно его модифицировать, можно улучшить систему шумоглушения двигателя. Если самолету Ту-204СМ будет дан зеленый свет, «Авиадвигатель» доведет ПС-90А2 до требований Главы 14. ЦИАМ готов помогать.
В. К.: Расчетные характеристики ПС-90А2, на мой взгляд, приличные, но проверить их на Ту-204СМ не удалось, к сожалению. Как часто бывает, сертификация проходила в спешке, мы успели только продекларировать ожидаемый высокий результат перед достаточно агрессивным «общественным» мнением, но не получить его. Надо просто признать, что самолет Ту-204СМ можно довести до новых норм (примеры уже упоминались) и спокойно этим заниматься, привлекая специалистов.
– ПС-90А создавался в 80-е годы XX столетия как малошумный двигатель. Сейчас пермское КБ разрабатывает принципиально новый ПД-14. Есть ли преемственность подходов к созданию ПС-90А и ПД-14?
Ю. Х.: А как же без этого? Есть, конечно. К сожалению, преемственность порой переходит в инертность. Конструкторы привыкли при разработке двигателя на начальном этапе решать ряд задач, в число которых почему-то до сих пор не входит экология. Вот недавний пример такого некомплексного подхода к проектированию ПД-14. При разработке конструкции спрямляющего аппарата вентилятора была успешно решена задача снижения веса. Позднее выяснилось, что это решение влечет значительную потерю запаса по шуму. Акустики получают некую конструкцию как данность. Их задача – минимизировать шум двигателя в предлагаемых конструктором рамках. Мы предлагаем какое-либо решение. Слишком часто реакция конструктора: нет, нельзя, мы здесь другую проблему решаем и т. д.
– Как вы относитесь к популярной сегодня идее доминирования численных методов проектирования: больше расчетов, меньше испытаний, экономия средств?
Ю. Х.: На мой взгляд, сегодня никакого доминирования численных методов проектирования над эмпирическими нет. И я, честно говоря, не слышал, чтобы кто-то провозглашал такую идею. Не верьте тому, кто с юношеским запалом утверждает, что он все может рассчитать в аэродинамике и акустике. Пока во всем мире матрицу шума двигателя получают экспериментально. Но наука развивается быстро.
В. К.: Конечно, развитие численных методов нужно и неизбежно: они значительно увеличивают культуру работы с двигателем. Но в любом случае многое из просчитанного надо проверять экспериментом, иногда дорогостоящим. Да, на Западе развивают численные методы, вкладывают огромные деньги в суперкомпьютеры и т. д. Но они одновременно строят новые установки, испытательные стенды, заглушенные камеры, новые симуляторы, на которых проверяют свои расчеты.
Согласен, что проверка на маломасштабных моделях не всегда гарантирует автомодельность, то есть правильное моделирование всех источников, поэтому есть риск смоделировать не то, что является определяющим в шуме самолета. С установками больших масштабов результаты, конечно, будут лучше, но где они у нас?! Поэтому на открытом стенде в Перми необходимо развернуть сейчас именно исследовательскую работу. Это же уникальная установка, особенно в условиях России. Должен быть проведен целый комплекс работ – от малых масштабов до натурных, включая летный эксперимент. Приведу пример из собственной практики. Мы в ЦАГИ в течение ряда лет измеряли шум крыла на малых моделях, при этом узнавали, как отдельные элементы крыла шумят. Для снижения одного из этих шумов придумали некий способ, даже запатентовали его. А вот в измерениях на большом крыле, проведенных нами только что в трубе DNW, когда все источники шума работают одновременно, оказалось, что этот элемент крыла с точки зрения шума малозаметен и шумит слабее некоторых других. Такое ранжирование показывает, чем в первую очередь надо заниматься. Но у нас до этих измерений не было возможности посмотреть интегрально на всю картину, на соотношение источников. А западные исследователи постоянно работают не только на малых, но и на больших испытательных стендах и в больших камерах, используют летный эксперимент. Так происходит планомерное развитие технологий.
Убежден: развивать численные методы надо параллельно с экспериментальной работой. Плюс надо иметь в виду, что не все можно померить. Например, шум в салоне самолета от двигателя в крейсерском режиме нельзя напрямую измерить – нет таких установок. Можно пытаться измерять его в дорогостоящем летном эксперименте или посчитать. Двигатель ПД-14 с этой точки зрения – хороший пример. Формы его кромок таковы, что скачки уплотнения в струе на круизных режимах очень слабые и струя не создает большого дополнительного шума в салоне по сравнению с шумом пограничного слоя. Это один из примеров, где численные методы действительно необходимы, поскольку иначе оценить вклад струи затруднительно.
– Существуют известные миру технологии снижения шума. Быть может, достаточно применить их и гарантированно получить «тихий» двигатель и самолет?
В. К.: Действительно, кажется, что рецепт есть: купи западный хороший двигатель – и вперед. Но решим ли мы таким образом проблемы шума самолета? Нет. Люди, которые разрабатывали этот двигатель, создавали эти технологии, видят подводные камни, знают область применимости, осведомлены о том, где технологии перестают работать, где начинают «выпирать» эффекты взаимодействия, не имеющие, вообще говоря, отношения к двигателю. Если мы слепо будем повторять или использовать чужие наработки, я боюсь, ничего не получится.
Ю. Х.: Любую известную в мире или неизвестную, то есть вами придуманную, технологию снижения шума необходимо проверять на конкретной конструкции двигателя, поскольку его реакция на применение того или иного способа снижения шума неоднозначна. Во всем мире проверка эффективности новых технологий выполняется на модельных стендах – так быстрее и дешевле. В частности, в ЦИАМе есть модельный стенд с заглушенной камерой, где на имитаторе двигателя можно отрабатывать акустические технологии. Не знаю, по каким причинам, но, к сожалению, при разработке ПД-14 «Авиадвигатель» этот стенд практически не использовал. Да и в целом доля НИР по акустике оказалась невелика, что может сказаться на уровне экологического совершенства нового двигателя.
– «Авиадвигатель» впервые в истории отечественного двигателестроения занимается разработкой мотогондолы. На ваш взгляд, это пойдет на пользу двигателю?
Ю. Х.: Я считаю, что да. Так повелось в нашей стране, что двигателисты отвечали за шум выходного устройства, а самолетчики – за шум вентилятора и воздухозаборников. В то время не было открытых стендов, двигатели испытывались в боксах, с лемнискатой. Самолетный воздухозаборник появлялся, когда машина уже выходила на летные испытания. Конструкторам двигателя и самолета на этом этапе нужно было искать точки соприкосновения, что не всегда получалось. Жизнь показала, что шумоглушение – это система, а не набор средств. И то, что мотогондолу отдали пермскому конструкторскому бюро, – шаг вперед. Это значительно упростило взаимодействие конструкторов самолета и двигателя.
В. К.: Сам вопрос отражает отчасти двигателецентристскую точку зрения на предмет шума самолета. Кто создает мотогондолу – самолетчики или двигателисты – не так важно, если есть понимание комплексности задачи. Слишком все взаимосвязано: и ЗПК, и режимы работы двигателя, и аэродинамика взлета. А вот когда самолетчики заказывают двигатель (пусть с воздухозаборником) и в ТЗ ставят характеристики, относящиеся к шуму их же самолета, считая такую работу по двигателю самодостаточной с точки зрения шума, это неправильно, и я пытался об этом сказать выше. Мы все делаем общее дело. Создание атомизированного конкурентного поля в сегодняшней ситуации опасно или по меньшей мере неэффективно.
– А как вы воспринимаете появление акустического центра в «Авиадвигателе»?
Ю. Х.: Двояко. С помощью этой акустической установки в конечном счете можно как-то оценивать характеристику глушителя шума. Но в нашей промышленности уже есть две подобные установки, причем, на мой взгляд, дающие более качественную оценку эффективности глушителя шума. Так ли уж необходима третья? Насколько мне известно, General Electric и Pratt & Whitney не страдают от отсутствия каких-либо экспериментальных установок. Они тесно связаны с центрами НАСА, где выполняются совместные исследования. Такой принцип работал и в нашей стране. Теперь настали другие времена – своя рубаха ближе. Было бы замечательно, чтобы экспериментальная акустическая база пополнилась другими стендами и все это действительно стало центром.
С другой стороны, хорошо, что в пермском конструкторском бюро появились новые рабочие места, которые заняли молодые специалисты. У нас проблема преемственности кадров по существу не решается.
В. К.: Мне очень нравится новая экспериментальная база «Авиадвигателя». Во-первых, делается все, чтобы поддерживать свою науку, университетскую, молодых ученых, выпускников, которых нужно заинтересовывать в работе.
Во-вторых, система взаимоотношений КБ и отраслевых институтов, когда КБ заказывает работу только нам (будь то ВИАМ, ЦИАМ, ЦАГИ), мы ее делаем, получаем деньги, отдаем результат, несколько устарела. КБ должно понимать, что за услуги ему предлагают, а не брать «кота в мешке» только потому, что этот мешок от ЦАГИ или от ЦИАМа.
Но одновременно «Авиадвигатель» создает конкурентное поле на ровном месте, о котором я уже говорил. Это в наших условиях не очень хорошо, поскольку обязательно появятся желающие с помощью вашей лаборатории, не опираясь на научные школы ЦАГИ или ЦИАМа, оторвать больший кусок бюджетного пирога. Для реального дела ничего не получат ни они, ни вы. Вот это вызывает опасения. Посмотрите, как устроено взаимодействие в Европе при работе над проектами ЕС. Различные хорошо оснащенные лаборатории включены в единый процесс, и прямая конкуренция коллективов значительно снижена (если не преодолена). Поэтому база пермского КБ в совокупности с базами институтов при правильной организации должна бы давать прекрасный результат. В конце концов все мы входим в единую кооперацию создателей двигателя ПД-14.
– Если отечественному авиапрому так сложно угнаться за конкурентами, может, не стоит для внутреннего потребления создавать самолеты, соответствующие Главе 14 ИКАО? Пусть внутри страны летают наши машины, а за рубеж – Airbus и Boeing...
В. К.: Россия как постоянный член ИКАО должна поддерживать экологические инициативы, это правильно. Есть, правда, особенности у нас с труднодоступными областями (а их, считай, полстраны!), где может потребоваться особая техника. Но для полетов по европейской части России нужна хорошая современная техника – мы же страна, прославившая мировую авиацию выдающимися достижениями. Есть проблема старого парка, конечно. Я слышал от авторитетных авиаперевозчиков, что российским авиакомпаниям выгодны только перевозки за границу. И это несмотря на страшную дороговизну авиабилетов по России. Однако чтобы летать за границу, авиакомпания должна быть членом Международной ассоциации воздушного транспорта (ИАТА). А это автоматически означает, что компании запрещено в своем парке иметь самолеты экологически несовершенные.
С другой стороны, китайцы вскоре сделают свой самолет, и создается впечатление, что им не важно, какой Главе ИКАО он будет соответствовать. Страна большая, народу много – летать надо. И никто не запретит внутри страны использовать те самолеты, какие они захотят. Пусть какая-то авиакомпания Поднебесной не войдет в ИАТА, ее не для того и создавали, как и самолет.
В российском безумном бизнес-пространстве не работает принцип «пусть цветут все цветы». Укрупнение авиакомпаний неизбежно. А крупные компании хотят летать за границу. Следовательно, должны входить в ИАТА и подчиняться ее правилам. Круг замыкается. С другой стороны, конечно же, надо всячески поддерживать инициативы ИКАО по «выдавливанию» старой техники, заменяя ее новыми отечественными самолетами. Где здесь золотая середина, я не знаю.
Ю. Х.: В России действуют авиационные правила АП-36, гармонизированные с правилами США и Европы, в соответствии с которыми мы обязаны и на внутренних рейсах использовать хорошие самолеты. Я считаю, что наши люди ничем не хуже европейцев или американцев и должны летать на экологически совершенных самолетах.
– Что вы хотели бы пожелать специалистам «Авиадвигателя»?
Ю. Х.: Главное пожелание – успешно завершить цикл испытаний и осуществить запуск в серию двигателя ПД-14. Ведь после разработки ПС-90А прошло около тридцати лет. Сейчас мы обязаны догонять и наверстывать упущенное время. Другое пожелание: хотелось бы, чтобы в результате наших совместных усилий возник мостик в завтрашний день. Ведь использовать известные сегодня технологии – значит создавать двигатель вчерашнего дня. А наша общая задача – создавать перспективу отечественной авиации. Для этого нужно постоянно пробовать что-то новое. Вот над этим надо серьезно задуматься. Уверен: настало время думать не только о сегодняшних проблемах, а еще и о том, чтобы Россия восстановила статус авиационной супердержавы. В этом и экономическая безопасность страны, и сохранение ее высокого научно-технического потенциала.
В. К.: Несмотря на то, что пермяки работают над перспективным проектом ПД-14, нельзя оставлять без внимания ПС-90А. За него надо бороться, совершенствовать его постоянно, предлагать новые модификации. Я убежден: самолетам с двигателями семейства ПС-90А найдется применение и надолго.
Мне многое импонирует в работе пермского КБ: желание объединять специалистов всей отрасли для реализации главной цели, понимание правильного устройства кооперации и совместной работы. Наша общая задача – честно делать свое дело в современных условиях. Других условий у нас нет и не скоро появятся. «Авиадвигатель», на мой взгляд, олицетворяет ту жизнь, которая пытается преодолеть бюрократическую и коррупционную мертвечину, заполонившую все вокруг.
topwar.ru
Шум очень важная проблема в авиации. Борьба с шумом занимает второе место по значимости вслед за обеспечением безопасности полетов. До появления самолетов с реактивным двигателем крупнейшие аэропорты принимали около 10 самолетов в сутки. Сегодня это число увеличено до нескольких сотен. Посадка и взлет воздушных судов производится практически ежеминутно. Этот фактор вместе с увеличением плотности населения, числа аэропортов и их расположения вблизи городов еще больше усугубляет проблемы борьбы с шумом. Пассажиры самолетов также страдают от шума. Уровень шума современного реактивного самолета при взлете равен 130–140 децибел.
Такой шум способен вызвать у человека болевые ощущения, поскольку это величина порога выносливости человеческого уха. А в кабине современного самолета шум иногда достигает 100 Дб, что нарушает комфорт, мешает пассажирам отдыхать и разговаривать. Требование к уровню шума на сегодняшний день является одним из основных критериев при создании авиалайнеров. Международный аэропорт ни за что не примет современный самолет, в случае если он не соответствует стандартам по уровню шума. Перед создателями первых пассажирских самолетов ставилось главное задание снижения уровня шума в кабине. Появление первых реактивных двигателей способствовало уменьшению шума, но он возрос на земле при посадке и взлете ВС.
Как уменьшают уровень шума самолета
Компоновка самолетов двухконтурными двигателями и установка в силовых установках звукопоглощающих облицовок несколько уменьшили «неудобства» от самолетов на земле. Но этих мероприятий недостаточно. Чтобы защитить людей от шума, излагаемого работой авиационной техники, принимаются различные меры. Например, запрещается возведение вблизи жилых домов. Разрабатываются новые методы посадки и взлета, рационально используется воздушное пространство. Но главная задача авиаконструкторов – создание «тихого» самолета. Для решения этой проблемы требуется вложение немалых финансовых средств. Исходя из оценки зарубежных фирм, снижение интенсивности шума наполовину требует около 200 тыс. рублей на один самолет. А для снижения шума в 4 раза нужно 600 тыс. рублей! Поэтому снижение шума всего самолетного парка стоит немалых денег.
Поскольку шум в основном создает двигатель, наибольшее внимание в работе уделяется именно ему. Большая доля шума возникает от реактивной струи газов. Поэтому сопла реактивных двигателей делают гофрированными и создают на них насадки. Второй вариант уменьшения уровня шума силовых установок – установка специальных стержней и сеток. Вокруг вырывающей струи предлагается создание звукоизолирующей оболочки, а также использовать сторонний источник шума, погашающий основной.
Многие современные авиадвигатели комплектуются звукопоглощающей облицовкой внутренних каналов. Она представлена перфорированными пластинами, которые размещены на небольшом расстоянии от жесткой стенки. Пространство между стенкой и пластинами заполняют сотовым заполнителем. Чтобы снизить уровень шума в кабине самолета, применяют звукоизолирующие и звукопоглощающие материалы. Их укладывают между внутренними панелями салонов и обшивкой в несколько слоев.
avia.pro
В двухконтурных турбореактивных двигателях (ТРДД) главным и преобладающим источником шума является вентилятор или компрессор низкого давления. Поэтому снижение шума, создаваемого вентилятором, является определяющим.
Уменьшение шума, генерируемого вентилятором, достигается несколькими конструктивными приемами. Одним из эффективных приемов является уменьшение количества вентиляторных ступеней и в лучшем случае сведение их к одной.Следует отметить, что шум вентилятора в основном определяется первой ступенью, а все последующие только увеличивают его. Выполнение первой ступени вентилятора без входного направляющего аппарата также достаточно эффективное средство снижения шума вентилятора. Создание дозвукового вентилятора без направляющего аппарата практически не ухудшает его работу, а шум при этом значительно снижается.
Увеличение осевого зазора между рабочим колесом компрессора и спрямляющим аппаратом также является эффективным способом снижения шума.
При этом рекомендуется расстояние между плоскостями рабочего колеса и спрямляющего аппарата выбирать не менее двух хорд лопатки рабочего колеса. Уменьшение шума, создаваемого компрессором или вентилятором, может быть достигнуто оптимальным соотношением количества лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата. С точки зрения шумоглушения рекомендуется число лопаток спрямляющего аппарата иметь в два раза больше, чем на рабочем колесе.
Уменьшения шума в вентиляторе можно добиться путем изменения геометрии входного устройства. Для этого может быть применен.
Естественно, что все эти мероприятия отрицательно сказываются на тяге двигателя, но они являются весьма эффективными для целей шумоглушения, и их применение может быть оправдано для двигателей с большой тягой.
Большое значение для уменьшения шума, создаваемого вентилятором, имеет так называемая акустическая обработка воздухозаборного канала и деталей вентилятора. Акустическая обработка предусматривает меры, направленные на устранение шероховатостей, которые служат источником турбулизации потока, и на применение шумозаглушающей облицовки канала (облицовка с сотовым наполнителем).
Облицовка обычно имеет вид панелей, в которых большое число замкнутых полостей заключено между жесткой системой и обращенным к потоку пористым слоем. В замкнутых полостях панелей происходит рассеяние энергии акустического излучения, что и является причиной снижения шума. В выхлопных устройствах для снижения шума реактивной струи также применяют акустическую обработку поверхностей.
www.uralproekt-ufa.ru
| Виктор Милешин,начальник отделения ЦИАМ,кандидат физико-математических наук.Юрий Халецкий,начальник сектора ЦИАМ,кандидат технических наук.Роллан Шипов,главный научный сотрудникЦИАМ, доктор технических наук,профессор | В предыдущем номере журнала «Авиапанорама» была опубликована статья сотрудников ЦАГИ под названием «Бесшумные самолеты: проблемы и суждения». Соглашаясь в целом с ее тональностью и позицией авторов, хотелось бы дополнить и уточнить некоторые моменты, чтобы адекватно охарактеризовать состояние проблемы авиационного шума и наиболее перспективные средства ее решения. |
Достигнутый в последние десятилетия гигантский прогресс в снижении шумности мировой гражданской авиации фактически стал результатом прогресса в развитии основного типа маршевого двигателя – турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД). Снижение шумности ТРДД достигалось в основном увеличением степени двухконтурности двигателей и совершенствованием глушителей шума вентилятора, то есть облицовкой канала наружного контура ТРДД и его воздухозаборника звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). При этом рост степени двухконтурности изначально осуществлялся с целью повышения топливной экономичности ТРДД, снижение же шума двигателя получалось в качестве благоприятного побочного эффекта.Дело в том, что увеличение степени двухконтурности сопровождается быстрым уменьшением скорости реактивной струи и связанным с ним снижением шума, иных эффективных средств снижения которого до сих пор не найдено, поскольку этот шум образуется уже вне двигателя – при смешении струи со спутным потоком воздуха. Одновременно с ростом степени двухконтурности несколько возрастает шум вентилятора вследствие увеличения его размера. Однако этот шум на пути его распространения к выходу из силовой установки удается поглотить с помощью ЗПК.В свое время требования Главы 2 1972 г.) Стандарта ИКАО удалось обеспечить переходом от одноконтурных двигателей к ТРДД малой двухконтурности. Позже обеспечение требований Главы 3 (1977 г.) этого стандарта потребовало уже применения ТРДД с умеренной или большой двухконтурностью с облицовкой каналов однослойными ЗПК. Введение же Главы 4 (2006 г.) Стандарта ИКАО стало возможным, прежде всего, в связи с внедрением двухслойных широкополосных ЗПК.Если ставить задачу приблизительно равномерного снижения шума в диапазоне частот от 1 кГц до 6,3 кГц, двухслойная облицовка решает ее лучше, несмотря на понижение эффективности в одной-двух третьоктавных полосах частот. Дело в том, что видимое преимущество однослойных ЗПК по максимальному поглощению в какой-то одной узкой полосе частот реально трудно использовать, поскольку общая шумность двигателя в основном определяется частотной полосой с максимальной шумностью, которая с изменением режима работы двигателя смещается по частоте. Двухслойная облицовка имеет более равномерный спектр поглощения и поэтому она более универсальна по отношению к различным режимам работы двигателя. Именно двухслойные ЗПК легли в основу нового глушителя шума вентилятора двигателя ПС-90А, разработанного совместно ОАО «Авиадвигатель», ЦИАМ и ЦАГИ (Рис. 1, 2).Заметим, что совершенствование любой экологической характеристики (в том числе и авиационной техники) имеет разумный предел, определяемый естественным фоном этого параметра в окружающей среде. Применительно к авиационному шуму вблизи аэропортов можно сказать, что на заселенной территории снижение уровня шума авиационной техники ниже уличного шума бессмысленно. Поэтому на большом временном промежутке процесс снижения шумности воздушных судов должен представляться в виде некоторой кривой, асимптотически приближающейся к пределу, то есть к фоновому шуму. Естественно поэтому темп снижения шумности авиации должен постепенно снижаться, и уж во всяком случае – не возрастать. Приведенные в упомянутой выше статье «Бесшумные самолеты: проблемы и суждения» графики как раз полностью подтверждают эти соображения. Особенно хорошо это видно на третьей иллюстрации, где показано фактическое изменение по времени уровней шума сертифицируемых самолетов. Однако на втором рисунке этой статьи, где представлено изменение по времени норм по шуму, пунктиром представлен прогноз хода этой кривой в ближайшем будущем, причем этот пунктирный отрезок, сломав достаточно плавную линию реального снижения норм по шуму, устремляется вниз.Внимательный читатель легко найдет объяснение этому неожиданному изменению тенденции, поскольку у пунктирного отрезка имеется надпись «Предложение NASA». По части гражданской авиации NASA, то есть Национальная аэрокосмическая администрация США, является по существу научно-исследовательской организацией. Декларируемые ею цели своих научных программ в последствии отнюдь не всегда совпадают с реальным развитием событий. Известен целый ряд программ NASA, в итоге которых поставленные цели были достигнуты не в полной мере. Постановка завышенных целей – хорошо известный прием активизации творчества исследователей.Процесс роста степени двухконтурности ТРДД отечественной гражданской авиации в прошлые годы имел некоторые отличия от общемировых тенденций, главной из которых стало создание в 19603х годах ТРДД с умеренной двухконтурностью Д330КУ/КП, пришедших на смену ТРДД малой двухконтурности.В авиации США и Западной Европы, хотя и несколько позже, был совершен переход сразу к ТРДД большой двухконтурности. Указанными обстоятельствами объясняется различие ситуаций, сложившихся к настоящему времени с проблемой шума в нашей и зарубежной авиации. Дело в том, что более ранний «рывок» по степени двухконтурности – с 1 до 2,3 – позволил нашим самолетам Ил-62М и Ту-154М соответствовать нормам Главы 3 Стандарта ИКАО по шуму, избежав при этом дорогостоящий процесс модернизации силовых установок воздушных судов старых типов, в который втянулась в 1970-е – 1980-е годы американская авиапромышленность. Однако недостаточность этого «рывка» сказывается ныне, требуя модернизации наших наиболее массовых самолетов, оборудованных двигателями с двухконтурностью 2,3, чтобы соответствовать уже новым нормам Главы 4.Давно замечено, что один и тот же двигатель, будучи установленным на разные самолеты, обеспечивает им различное «акустическое качество». Например, два самолета Ту-154М и Ил-76 оборудованы двигателями фактически одной конструкции, однако первый относительно простыми средствами обеспечил требования Главы 3, тогда как второй так и «застрял» на Главе 2. Дело тут, по крайней мере, в двух обстоятельствах. Во-первых, на шум самолета оказывает влияние его компоновка. Так, при заднем расположении силовой установки (например, как у Ту-154М, Ил-62М и Як-42) удается использовать благоприятное экранирование распространяющегося к земле шума крыльями и фюзеляжем самолетов. Во-вторых, сильное влияние на шум воздушного судна оказывает величина его тяговооруженности. При этом, как ни странно, недостаток тяги двигателей всегда приводит не к снижению, а к росту шума самолета, поскольку самолет вынужденно эксплуатируется на повышенных режимах работы двигателей.У последнего обстоятельства есть и вторая сторона. Поскольку разработка и доводка новых двигателей – весьма дорогостоящий процесс, в мировой практике на новых самолетах часто устанавливаются модификации уже существующих двигателей. При этом, чтобы избежать недостатка тяги, на новые воздушные суда ставятся двигатели требуемой тяги, а если таковых не находится, – двигатели повышенной тяги, то есть «переразмеренные» ТРДД. Чтобы убрать лишнюю тягу, ее просто снижают с помощью системы регулирования, как бы «назначая» взлетную тягу необходимого уровня. Оказывается, что самолеты с «переразмеренными» (то есть с более тяжелыми!) двигателями обладают, однако, заметными достоинствами, связанными с тем обстоятельством, что они эксплуатируются на пониженных режимах. При этом вместе с более высокими ресурсом и надежностью в ряду этих достоинств оказывается и пониженный уровень шума двигателя и самолета. Анализ показывает, что наиболее малошумные зарубежные самолеты либо оснащены именно такими «переразмеренными» ТРДД, либо являются двухдвигательными, высокая тяговооруженность которых вызвана требованиями безопасности, в частности, требованием обеспечения возможности полета на одном двигателе.Фактически этот «прием» снижения шума давно используется отечественной авиапромышленностью.Примером подобного рода являются самолеты Ил-62М и Ту-154М, снабженные конструктивно идентичными двигателями Д-30КУ и Д-30КУ-154. В конце 1970-х при разработке Ту-154М тяга двигателя Д-30КУ оказалась для него слишком большой и, чтобы «приспособить» его к этому самолету, взлетную тягу искусственно снизили до 10,5 т, то есть на полтонны! Модификацию двигателя Д-30КУ с пониженной взлетной тягой и назвали Д-30КУ-154.История мировой авиации свидетельствует, что технические решения, позволяющие снизить авиационный шум, как правило, первоначально разрабатывались авиационной наукой. Принцип развития техники путем внедрения достижений науки в практику представляется естественным и даже тривиальным. К сожалению, история нашей авиации знает примеры пренебрежения мнением ученых. Обычно это приводило к достаточно неприятным последствиям, связанным с созданием техники, не отвечающей вызовам времени.Так, в середине 19703х в ходе работы макетной комиссии самолета Ил-86, ученые-акустики ЦИАМ и ЦАГИ высказали свое особое мнение о невозможности удовлетворения этим самолетом с разрабатываемыми двигателями НК-86 требований Главы 3 Стандарта ИКАО. С того дня прошло более тридцати лет. Настало время придать этот факт огласке и признать, что, к сожалению, ученые оказались правы. И хотя сегодня (наука ведь не стоит на месте!) ученые уже могли бы предложить средства обеспечения этим, в целом достаточно удачным, самолетом требований Главы 3 Стандарта ИКАО по шуму путем модернизации его двигателей, но время упущено: вошла в действие Глава 4 этого стандарта.Более внимательно прислушиваться к мнению ученых следует и при оценке роли и важности тех или иных международных событий, касающихся гражданской авиации. Так, специалисты ЦИАМ высказывали твердое убеждение в том, что угроза широкого введения европейских ограничений «Глава 3 минус 5 EPN дБ» является надуманной. Появление этой промежуточной европейской «нормы» объясняется просто необходимостью «сохранения лица» ЕС после поражения в конфликте с США по поводу попытки введения в Европе запрета на эксплуатацию модифицированных по шуму старых американских самолетов.Время показало, что мировая авиапромышленность фактически не заметила этого «европейского демарша». Поэтому мы продолжаем выступать за доведение самолета Ту-154М сразу до требований Главы 4, что, по нашему мнению, можно обеспечить с помощью уже изготовленных в ОАО «Сатурн» опытных двигателей Д-30КУ-154 с новыми звукопоглощающими конструкциями. К сожалению, двигатели давно изготовлены, но уже третий год не удается найти самолет для проведения летных акустических испытаний!Увы, ряд этих печальных фактов нашей давней и недавней истории можно было бы продолжить. Однако, учитывая уроки прошлого, наука всегда устремлена в будущее. Какие же задачи снижения шума ТРДД актуальны сегодня?Нынешний этап решения проблемы снижения шума ТРДД характеризуется тем, что фактически выбраны все резервы применения очевидных и относительно простых средств. Набор таких приемов хорошо известен и используется практически на всех ТРДД гражданской авиации: применение вентилятора без входного направляющего аппарата с большим расстоянием между рабочим колесом (РК) и спрямляющим аппаратом (СА), выбор определенных значений чисел лопаток РК и СА, использование двухслойных ЗПК в наружном канале и воздухозаборнике. Поэтому нынешний этап снижения шума ТРДД можно определить как акустическую «зачистку» ТРДД, состоящую в тонкой взаимной настройке узлов двигателя, как единого акустического устройства.В первую очередь для одновременного повышения КПД и снижения шума необходимо использовать резервы пространственного профилирования лопаток РК и СА вентилятора. То есть сам лопаточный аппарат вентилятора должен генерировать меньше шума! Исследования в этом направлении носят комплексный расчетно-экспериментальный характер. На этом пути работают ученые разных стран, в том числе достаточно успешные работы такого рода ведутся в ЦИАМ.Если говорить о расчетном аспекте этих исследований, то речь идет о прямом математическом моделировании процессов генерации, распространения и излучения шума вентилятора с учетом реальной пространственной формы его лопаток, а также прочих элементов проточной части. Последние десятилетия отмечается большой прогресс в разработке методов прямого численного моделирования течений в вентиляторах ТРДД. При этом наибольшее развитие получили методы расчета стационарного течения газа в вентиляторе, что позволяет создавать аэродинамически более совершенные турбомашины. Однако не требует особого обоснования утверждение, что аэродинамическое совершенствование турбомашины способствует и снижению ее шума. В ЦИАМ был разработан ряд опытных рабочих колес вентиляторов ТРДД пониженной шумности. Эти лопаточные венцы отличаются сложным пространственным профилированием лопаток (Рис. 3)В порядке же реализации решения собственно акустической проблемы в ЦИАМ разработали численный метод трехмерного расчета шума вентилятора, базирующийся на прямом численном решении нелинейных и линейных невязких трехмерных уравнений для возмущений с помощью численных методов вычислительной акустики. Метод успешно опробован при расчетах акустических характеристик ряда вентиляторов. В частности, он позволяет рассчитать поле пульсаций давления для основной составляющей шума, излучающейся через воздухозаборник (Рис.4). Видно, что поток акустической энергии преимущественно излучается в направлениях 50 – 60° к оси, что качественно согласуется с экспериментом.Такие методы расчета уже сегодня позволяют детально разобраться в структуре акустического поля вентилятора, от которой зависит выбор средств снижения его шума.Однако «проклятие» широкого диапазона частот, установленного стандартом ИКАО для измерения шума самолетов, делают прямую чисто расчетную акустическую сертификацию самолета в ближайшие годы нереальной. Поэтому одновременно интенсивно развиваются методы акустического моделирования вентиляторов ТРДД для экспериментальных исследований средств снижения их шума в специальных акустических камерах.Недавно в ЦИАМ была создана акустическая камера с установленным в ней универсальным стендовым имитатором двигателя (УСИД), представляющим собой уменьшенную модель вентилятора ТРДД, помещенную в мотогондолу с воздухозаборником и соплом (рис. 5). Испытания таких имитаторов позволяют по сравнению с испытанием натурного ТРДД в несколько раз снизить стоимость исследования варианта конструкции лопаток вентилятора и варианта облицовки его каналов звукопоглощающими конструкциями. Стенд ЦИАМ позволяет испытывать вентиляторы и биротативной схемы, последние годы вновь оказавшимися в центре внимания мировой авиационной науки. Такой вентилятор имеет два рабочих колеса встречного вращения (Рис. 6).В заключение напомним, что при создании новых авиадвигателей научно-исследовательская часть работ, определяя их оптимальный облик и высокое техническое качество, требует относительно небольшой доли общих затрат. Конкурировать с передовыми двигателестроительными фирмами мира можно только, опираясь на достижения современной науки, поскольку именно так действуют и они сами!
aviapanorama.su
Белова С.Е.Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёвадоцент кафедры "Авиационные двигатели", канд., техн. наук, докторант очной докторантуры
Библиографическая ссылка на статью:Белова С.Е. Проблемы акустического совершенствования турбин ТРДД перспективного «зеленого» ЛА // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/01/20396 (дата обращения: 07.06.2018).
В настоящее время ведутся активные научно-исследовательские и проектные работы по созданию двигателей для перспективных малошумных экономичных пассажирских самолетов.
Перспективный пассажирский высокоскоростной самолет 2020-2035 гг. (поколения N2, N3 по терминологии NASA) должен иметь низкий звуковой удар, высокую топливную эффективность, допуск к полетам со сверхзвуковой скоростью над сушей, быть экологически приемлемым. Проблема снижения шума самолета и его двигателей является одной из ключевых во всех рассматриваемых концепциях, тем более, если учесть, что объем пассажирских авиаперевозок гражданской авиации России к 2020 г., по прогнозам аналитиков, может достигнуть 138 млн. пассажиров в год, т. е. увеличиться почти в 3 раза.
Двигатель для самолетов поколения N+3 (по терминологии NASA – это поколение, которое планируется ввести в действие в 2020-2035 г.г.), пока все еще виртуальный, вобрал в себя комбинацию самых перспективных технологий, предложенных двигательными фирмами, и сейчас используется как концептуальный при исследованиях и оптимизации облика самолета. Этот виртуальный двигатель, по мнению исследователей, обеспечивает расчетные уровни характеристик самолетов поколения N+3 и позволяет приблизиться к долгосрочным целям.
Если оценить обсуждаемые западными фирмами перспективные параметры турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) для экологически чистых («зеленых») пассажирских самолетов (таблица 1), то можно сделать следующие выводы. При высоких степенях двухконтурности (m = 8 … 18) планируется реализовать большие суммарные степени повышения давления в компрессоре π*Σ и соответствующие им высокие температуры газа перед турбиной. Российские фирмы называют еще более амбициозные значения параметров перспективных ТРДД: максимальная полная температура газа перед турбиной Т*Гмакс = 2100 … 2350 К, суммарная степень повышения давления в компрессоре по полным параметрам π*кΣ = 50 … 100 и максимальная степень двухконтурности mмакc = 10 … 35 («ЦИАМ им. П.И. Баранова»).
Таблица 1. Основные параметры газогенераторов ТРДД для самолетов поколения N2А
| N2A | ||||||||
| π*в=1,4 | π*в=1,5 | π*в=1,6 | π*в=1,7 | |||||
| Полетные условия | Н=0, М=0 | Н=9,5 М=0,8 | Н=0, М=0 | Н=9,5 М=0,8 | Н=0, М=0 | Н=9,5 М=0,8 | Н=0, М=0 | Н=9,5 М=0,8 |
| π*Σ | 43,7 | 48,4 | 43,6 | 46,4 | 43,5 | 44,9 | 43,6 | 43,6 |
| Т*г, К | 2200 | 1966 | 2200 | 1940 | 2200 | 1922 | 2200 | 1910 |
| Т*грк, К (на входе в РК 1-й ст.) | 2112 | 1891 | 2112 | 1886 | 2112 | 1850 | 2112 | 1838 |
| Т*СА, К (на выходе из СА 2-й ст.) | 1640 | 1464 | 1640 | 1445 | 1640 | 1431 | 1640 | 1421 |
По данным статистики и указаниям многих авторов, из всех неблагоприятных экологических факторов шум вызывает больше всего жалоб от населения – это объясняется тем, что от шума практически невозможно спрятаться, а жилые зоны при росте мегаполисов все ближе и ближе подходят к зонам аэропортов.
Известно, что шум двигателя доминирует при разбеге и взлёте, а именно эти режимы и влияют на акустический комфорт жилых районов.
Таким образом, одной из важнейших составляющих экологичности летательных аппаратов (ЛА) является приемлемый уровень шума его силовой установки. Задача обеспечения конкурентоспособности самолета по акустическим характеристикам непростая, её можно решить только комплексно, отдавая ведущую роль шумоглушению двигателя.
В России и в зарубежных странах решению этой задачи уделяется много внимания. В настоящее время действует, например, программа «Silencer», цель которой снизить до 2015 года уровень шума в окрестностях аэропортов до уровня шума «highway» («наземного транспорта»).
В этой программе принимают участие около 50 фирм Европы и Америки. При реализации «Silencer» предпочтение отдается классическим методам подавления шума (пассивному шумоглушению, конструктивным решениям и т.д.), и только намечены активные методы борьбы с шумом. Но уже в следующей, разрабатываемой в настоящее время программе «Openair» акценты смещены в сторону активных методов.
Не исключая пассивно снижение шума, «Openair» позволяет рассчитывать на качественный рывок в снижении его уровней до степени «bedroom» («в спальном районе»), что будет соответствовать предполагаемому ужесточению норм по шуму для новых самолетов на ~ 10 EPN дБ.
В ТРДД LEAR-X (фирма «CFM International»), работы по которому начались в 2008 г., например, применена турбина с низкой густотой решеток. А при разработке ТРДД Trent применена акустическая обработка корпуса турбины низкого давления (НД).
Несмотря на достигнутые успехи в шумоглушении, силовые установки по-прежнему остаются определяющим источником шума самолета на местности.
Основные причины шума лежат в области аэродинамики рабочего тела двигателя. Из-за огромной скорости реактивная струя турбулизирует окружающий её воздух, вследствие чего возникает шум. Кроме того, шумят механические детали: компрессор и турбина, лопатки которых тоже создают значительную турбулентность. Ранее большие резервы по уменьшению шума дала замена обычного турбореактивного двигателя (ТРД) двухконтурным турбореактивным двигателем (ТРДД), причем, чем выше двухконтурность m ТРДД, тем ниже генерируемый им уровень шума.
Согласно известным исследованиям максимальные уровни звуковой мощности современных двигателей при взлетном режиме работы достигают величины: у ТРДД с низкой степенью двухконтурности – 170 дБ (на примере двигателя НК86, m=1,3), у ТРДД с высокой степенью двухконтурности – 155 дБ (на примере двигателя Д18Т, m=6). Акустический КПД достигает максимального значения при взлетном режиме работы двигателя и составляет 1,5 % у ТРД (m=0), и 0,1…0,3 % – у ТРДД со степенью двухконтурности m = 5…6. С уменьшением режима работы двигателя его акустический КПД также уменьшается. Реактивная струя переводит в звук около 1,5% своей энергии, а лопаточные машины – на уровне 0,1…0,3 % энергии.
У двигателей с высокой степенью двухконтурности (m > 3), а именно такие и станут силовыми установками «зеленого» ЛА, наиболее мощным источником акустического излучения на всех режимах работы двигателя все-таки является вентилятор. Далее по уровню акустической мощности располагаются реактивная струя, камера сгорания и турбина. Но в то же время относительный уровень мощности турбины возрастает на низких дроссельных режимах работы двигателя.
Двигатель работает на режимах с пониженной тягой в момент взлета и посадки, именно поэтому в плане акустической безопасности перспективного «зеленого» ЛА роль турбины выходит на передний план по степени важности.
На режиме захода на посадку, когда двигатели работают на пониженных дроссельных режимах, акустическое излучение турбины особенно заметно именно у ТРДД с высокой степенью двухконтурности.
Шум турбины в принципе вызывается теми же причинами, что и шум вентилятора, но имеет специфические особенности, главная из которых связана с высокой крупно- и мелкомасштабной неравномерностью и флуктуациями потока, выходящего из камеры сгорания. Это значительно усиливает все широкополосные и дискретные составляющие шума турбины. В результате турбина создает широкополосный шум как в области низких, так и в области высоких частот. Дискретные составляющие возникают на частотах следования лопаток турбин компрессора и вентилятора, а также на кратных им и комбинированных частотах.
Самым важным в нашем исследовании является то, что дискретный шум от тихоходных турбин вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности может находиться в области наиболее неприятных для человеческого уха средних частот. Поэтому иногда специально увеличивают число лопаток турбины вентилятора для перемещения в высокочастотную зону. Но этого зачастую оказывается недостаточно.
Высокая степень турбулизации и неоднородности, значительная скорость, а иногда и закрутка потока за турбиной являются причинами появления шума выходного канала ТРДД. Здесь возникают два вида шума. Вихревой шум появляется при обтекании стоек и др. препятствий, а турбулентный представляет собой шум взаимодействия потока газа со стенками канала и т.п.
Надо сказать, что имеющиеся в известной литературе экспериментальные данные по шуму турбин ТРДД, как правило, не обладают необходимой степенью общности для построения надежной аналитической или эмпирической методик расчета дальнего акустического поля турбин, работающих в системе ТРДД. Известен целый ряд работ, посвященных изучению шума турбины. В результате исследований установлено, что в дальнем акустическом поле ТРДД обычно бывает заметно излучение от последней ступени турбины, служащей для привода вентилятора двигателя.
Интересно отметить тот факт, что распространение шума турбины вверх по потоку затруднено вследствие загромождения проходного сечения проточной части (тракта) камерой сгорания и ступенями компрессоров и конвекции звука потоком. На распространение шума турбины вниз по потоку заметное влияние оказывают импеданс среза сопла в осевом направлении, пульсации скорости и температуры в потоке, градиенты скорости и температуры в зонах перемешивания газовой и воздушной струи ТРДД между собой и с окружающей воздушной средой.
Что касается ступени турбины, то здесь образование шума осложняется наличием поля пульсаций температуры потока. При этом важнейшим источником шума являются пульсации давления на поверхности лопаток рабочего колеса (РК) и соплового аппарата (СА), когда они взаимодействуют с турбулентными следами за лопатками, расположенными выше по потоку.
Вследствие рефракции звуковых волн и дисперсии скорости звука в зонах турбулентного перемешивания потоков, которые приводят к неупорядоченным изменениям амплитуды и фазы колебаний вдоль фронта, происходит рассеяние энергии гармонических колебаний в области частот, прилегающих к частоте следования лопаток РК турбины. В результате действия этих явлений излучение турбины на частоте следования лопаток РК проявляется в дальнем акустическом поле в виде «размытого» по частоте спектрального максимума. Измерения, выполненные на фирме «Роллс-Ройс», показали, что непосредственно за турбиной в спектре пульсаций давления присутствует дискретная составляющая на частоте следования лопаток РК, однако после прохождения звука через выхлопную струю в дальнем акустическом поле фиксировался лишь «размытый» по частоте максимум давления.
Экспериментально установлено, что интенсивности отдельных составляющих в спектре акустического излучения турбины зависят от взаимного расположения сопел внутреннего и наружного контуров ТРДД, от соотношения чисел сопловых и рабочих лопаток, от закрутки лопаток СА, от степени равномерности распределения лопаток РК по шагу, от величины осевого зазора на ступени и числа оборотов ротора и т.п.
В настоящее время учеными разных стран предпринимаются значительные усилия по снижению шума турбин существующих и перспективных гражданских самолетов.
Конечно, сейчас повсеместно применяются способы внешнего глушения. При этом, важным способом снижения шума двигателя стало широкое использование так называемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК).
Как известно, по принципу работы звукопоглощающие конструкции, выполняющие функции звуковых фильтров, разделяют на два типа: резонансные и диссипативные (с рассеиванием энергии). В резонансных ЗПК энергия падающей звуковой волны гасится за счёт возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объёмах резонаторов. В диссипативных ЗПК потеря акустической энергии происходит за счёт трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала.
Резонансные ЗПК, применяемые в системах шумопоглощения авиационных двигателей, представляют собой одно- или двухслойные сотовые конструкции. Двухслойные ЗПК могут быть настроены не на одну, а на две частоты. Но, надо сказать, что у обоих типов полоса гасимых частот достаточно узкая.
Прорывом на фронте борьбы с шумом можно считать создание градиентных звукопоглощающих конструкций с плавным изменением пористости и плотности по толщине слоя. Отличительная черта этих материалов, созданных во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ), — высокая звукопоглощающая способность в очень широком диапазоне.
Благодаря установке ЗПК на отечественных авиадвигателях удалось снизить шум самолётов семейства Ту-204 и Ил-96 до норм ИКАО, действующих с 2001 г. К сожалению, применение звукопоглощающих конструкций не только удорожает строительство самолёта, но утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива.
Известно, что эффективная длина облицовки звукопоглощающим покрытием определяется в четыре калибра канала.
Все существующие на данный момент средства шумоподавления относятся к пассивным, то есть глушится уже существующий звук. Но развитие науки и техники в настоящее время заставляет активно воздействовать на источники шума. Например, есть проект, предусматривающий установку внутри корпуса двигателя системы из микрофонов и излучающих устройств, которые принимают звуковой сигнал и подают его обратно в противофазе. Но в данный момент экспериментальная система весьма сложна и громоздка.
Многого ждут сейчас от фундаментальных исследований механизмов генерации шума турбулентными потоками, роли в этом процессе вихревых структур, изучения проблем образования вихрей и их распада. Так, удалось установить, что турбулентная струя состоит из совокупности элементарных вихревых колец различного размера, напоминающих по структуре кольца табачного дыма. Каждый такой вихрь генерирует узкополосные звуковые колебания, которые в сумме дают широкополосный шум турбулентной струи.
Развитие расчетно-экспериментальных методов для разрабатываемых перспективных двигателей на базе унифицированного газогенератора позволяет оптимизировать ротор-статор взаимодействие, определить модальный состав этого взаимодействия и настраивать акустические характеристики звукопоглощающих конструкций на подавление наиболее энергонесущих мод.
Ещё одним существенным мероприятием могло бы стать применение наклонных лопаток, снижающих уровень шума за счет фазового рассогласования излучения на выходе из колеса.
Для эффективной борьбы с шумом турбины перспективного «зеленого» ТРДД необходимо досконально разобраться в причинах, порождающих этот шум.
В плане изучения акустики турбины интересны опыты NASA на трехступенчатой турбине, которые показали: шум на дискретных частотах увеличивается при росте степени расширения на турбине и при постоянной скорости вращения; шум на дискретных частотах уменьшается при Т*г = const и при увеличении скорости вращения. Этот результат эквивалентен увеличению шума с повышением относительной скорости на рабочих лопатках при Т*г = const.
Очевидно, что для глушения шума перспективных турбин целесообразно реализовать программу, содержащую комплекс мер, перечисленные далее.
Для уменьшения шума необходимо, чтобы поток на входе в ступень был равномерным. С этой целью необходимо исключить косой задув в ступень, не допускать образование толстого пограничного слоя на стенках канала, удалить входной направляющий аппарат и другие тела, расположенные в потоке перед входом в ступень, которые могут являться причиной появления крупномасштабной турбулентности потока.
Снижения шума ступени лопаточной машины можно достичь увеличением относительного осевого зазора, определяемого отношением осевого зазора к хорде лопатки, вплоть до Δ=1. Но при Δ >1,0 увеличение дает незначительное снижение шума.
На уровень шума решетки турбомашины большое влияние оказывает геометрический угол входа потока, причем существует оптимальный угол, соответствующий оптимальному углу установки лопаток, при котором шумоизлучение минимально при любых углах атаки.
Уменьшение уровня шума на основной гармонике частоты следования лопаток f = nz (где n – частота вращения, z – число лопаток) достигается расфазировкой источников шума одним из следующих методов: неравномерным размещением лопаток; применением лопаток с изломом; использованием наклонных лопаток.
Снижение шума также достигается применением пористых лопаток или лопаток с отверстиями для смещения точки отрыва пограничного слоя.
Библиографический списокВсе статьи автора «Светлана Белова»
web.snauka.ru
Международные требования к шуму воздушных судов изложены в форме стандартов и рекомендуемой практики в документе Международной организации гражданской авиации (ИКАО) “Приложение 16 “Охрана окружающей среды” (том 1 “Авиационный шум”) Конвенции о международной гражданской авиации 1944г.
Проблема авиационного шума возникла с конца 50-х годов со времени внедрения и начала интенсивной эксплуатации в мировой гражданской авиации реактивных воздушных судов. Уже во второй половине 60-х годов жалобы населения в окрестностях аэропортов на шум реактивных самолетов и связанные с этим массовые протесты страдающих от шума людей достигли такой степени, что мировое авиационное сообщество оказалось вынужденным срочно и конструктивно отреагировать на сложившуюся ситуацию.
В период 1966-1969 гг был проведен ряд международных конференций по вопросам снижения шума и беспокойства, причиняемого гражданскими воздушными судами. В 1969 г. Специальное совещание государств-членов ИКАО по авиашуму в окрестностях аэропортов обсудило возможные методы измерения авиационного шума и процедуры сертификации по шуму воздушных судов. Рекомендации, разработанные Совещанием, положены в основу документа ИКАО “Приложение 1б”, вступившего в силу в 1971 г.
В соответствии с требованиями Приложения 16 основным критерием сертификации по шуму является эффективный уровень воспринимаемого шума, который учитывает суммарную интенсивность шума по частотам акустических колебаний и продолжительность шума по времени. Эффективный уровень воспринимаемого шума измеряется в дециБеллах (дБ).
Белл - единица измерения уровня шума, названная по имени ее автора - американского изобретателя телефона Грегори Белла, который впервые ввел использование подобного критерия уровня шума в практику. Физически данная единица измерения шума выражает относительное превышение слышимой силы звука к минимальной силе звука, которую в состоянии слышать человеческое ухо (“порог слышимости”). При этом повышение силы звука в 10 раз соответствует росту уровня шума на 1 Белл, повышение силы звука в 100 раз — росту уровня шума в 2 Белла и т.д. Поскольку единица 1 Белл оказывается очень крупной единицей, в практике авиашума получила применение единица, составляющая 1/10 Белла, т.е. 1 дБ. Диапазон силы звука, нормально воспринимаемый человеческим ухом, весьма широк и составляет порядка 140 дБ. Вместе с тем, поскольку человеческое ухо обладает разной чувствительностью к звукам различной высоты, при сертификации воздушных судов учитывается уровень силы звука по его высоте (частоте колебаний) и продолжительности, что в результате образует показатель, называемый “Эффективный уровень воспринимаемого шума”.
Шум воздушного судна определяется в трех контрольных точках относительно взлетно-посадочной полосы: на взлете, при пролете и при заходе на посадку. Значения допускаемых уровней шума зависят от величины максимальной взлетной массы и числа двигателей воздушного судна и возрастают пропорционально численному увеличению этих параметров.
Приложение 16 в действующем виде содержит две категории требований к уровням шума дозвуковых реактивных самолетов:
Данные стандарты к настоящему времени также распространены на все винтовые самолеты с максимальной взлетной массой более 5700кг.
Стандарты Главы 2 вступили в силу в 1973г., стандарты Главы 3 -в 1977г. Разница в нормах на авиашум между требованиями Главы 2 и Главы 3 составляет величину порядка 17 дБ по сумме уровней в трех контрольных точках.
В 2001 г. в ИКАО были разработаны новые стандарты на шум дозвуковых реактивных самолетов, обозначенные как “Глава 4” со вступлением в действие с 1.01.2006г. Требования Главы 4 жестче требований Главы 3 на 10 дБ по сумме уровней в трех контрольных точках.
Несмотря на очевидные достижения мирового авиационного сообщества в регулировании уровня авиашума на местности, высокие темпы развития мировой гражданской авиации способствуют обострению проблемы авиационного шума в ряде развитых государств. В результате возникают ситуации, когда мировое авиационное сообщество оказывается перед лицом намерений этих государств решения проблемы авиашума односторонними мерами, включая введение эксплуатационных ограничений на выполнение международных полетов воздушных судов по авиашуму.
На протяжении целого ряда лет Европейский Союз (ЕС) осуществляет политику, направленную на введение с 1.04.2002 г. запрета на осуществление международных полетов в государствах-членах ЕС воздушными судами Главы 2. Более того, в апреле 1999г. ЕС своим постановлением №925 распространил такой запрет на эксплуатацию в аэропортах на территории ЕС с 1.04.2002г. “повторно сертифицированных гражданских дозвуковых реактивных самолетов”, к которым отнесены воздушные суда Главы 2, модернизированные на соответствие Главе 3 путем установки звукопоглощающих конструкций (ЗПК).
Под указанные ограничения попали в том числе и следующие типы воздушных судов российского производства:
Самолеты Главы 2
Самолеты Главы 2, модернизированные на соответствие требованиям Главы 3 путем установки ЗПК и повторно сертифицированные турбореактивные самолеты
Под ограничения ЕС не попали воздушные суда российского производства, разработанные, начиная с этапа проектирования, под соответствие требованиям Главы 3:
Проблема шума воздушных судов на местности является долговременной приоритетной проблемой деятельности ИКАО, которая, начиная с 1966 г., осуществляет руководящую роль в разработке и внедрении международных стандартов в том числе и по авиационному шуму. Односторонние действия ЕС, связанные с введением ограничений на эксплуатацию воздушных судов по авиашуму, вызвали острую озабоченность многих государств-членов ИКАО. Наличие такой озабоченности наглядно продемонстрировано на международном Коллоквиуме ИКАО по экологическим аспектам деятельности авиации 2001г. и на 33-й сессии Ассамблеи ИКАО 2001г.
Совет ИКАО принял в марте 2000 г. к рассмотрению заявление о разногласии между США и 15 европейскими государствами, официально представленное США в отношении неправомерности введения ЕС односторонних ограничений на эксплуатацию повторно сертифицированных на соответствие Главы 3 воздушных судов, доработанных ЗПК.
ЗАЯВЛЕНИЕ СОЕДИНЕННЫХ ШТАТОВ АМЕРИКИ
Соединенные Штаты Америки ("заявитель") настоящим представляют свое заявление согласно статье 84 Конвенции о международной гражданской авиации ("Чикагской конвенции") и статье 2 Правил по разрешению разногласий ("Правил"), испрашивая решение Совета Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по изложенному ниже разногласию, касающемуся толкования и применения Чикагской конвенции и Приложений к ней. В соответствии со статьей 2 Правил к настоящему прилагается меморандум Соединенных Штатов Америки. Заявитель просит Генерального секретаря предпринять действия по данному заявлению в соответствии со статьей 3 Правил.
Настоящее разногласие существует с Австрией, Бельгией, Германией, Грецией, Данией, Ирландией, Испанией, Италией, Люксембургом, Нидерландами, Португалией, Соединенным Королевством, Финляндией, Францией и Швецией ("ответчиками"). В порядке обоснования этого разногласия заявитель утверждает, что ответчики, являющиеся государствами - членами Европейского союза, приняв и обязавшись применять на своих территориях постановление Европейского совета (ЕС) №925/1999 ("постановление"), нарушили свои международные обязательства по Чикагской конвенции, руководящие принципы ИКАО, а также международную практику недопущения дискриминации при использовании основанных на характеристиках стандартов сертификации по шуму, включая статьи 11, 15, 38 и 82 Чикагской конвенции и Стандарт 1.5 тома I ("Авиационный шум") Приложения 16. Действия ответчиков затрагивают вопросы толкования и применения Чикагской конвенции и Приложений к ней.
Постановление вводит ограничения на регистрацию и эксплуатацию на территориях ответчиков воздушных судов, полностью соответствующих самым жестким международным стандартам по шуму. Рассматриваемые в постановлении воздушные суда включают воздушные суда, модифицированные на соответствие стандартам по шуму главы 3 путем установки устройств подавления шума (оборудования, выполняющего функции глушителя в авиационных двигателях) для снижения шума двигателей, и воздушные суда, на которых старые шумные двигатели заменены более современными и менее шумными двигателями со степенью двухконтурности менее 3 ("рассматриваемые воздушные суда"). Постановление увязывает введение таких ограничений с национальностью воздушных судов.
Заявитель утверждает, что постановление проводит политику дискриминации воздушных судов по признаку национальности в вопросах их регистрации и доступа в аэропорты на территориях ответчиков, что является нарушением статей 11 и 15 Чикагской конвенции. Кроме того, сделанный в постановлении упор на проектные параметры, а также на факт модификации и повторной сертификации воздушного судна является отступлением от Стандартов ИКАО, изложенных в Приложении 16. Ответчики не представили в ИКАО уведомление об этих различиях, которое требуется согласно статье 38 Чикагской конвенции. Наконец, в соответствии со Стандартом 1.5 тома I Приложения 16 ответчики обязаны признавать сертификацию по шуму, выполненную Соединенными Штатами Америки в отношении воздушных судов, находящихся в реестре этой страны. Однако, несмотря на это обязательство, постановление обязывает ответчиков отказывать в регистрации воздушных судов, сертифицированных таким образом.
В силу упомянутых причин Соединенные Штаты Америки просят Совет ИКАО установить, что ответчики нарушают Чикагскую конвенцию, обязать ответчиков соблюдать все положения Конвенции и предписать ответчикам принять незамедлительные меры с целью обеспечить их освобождение от обязательств, вытекающих из постановления ЕС.
Настоящее заявление и меморандум представляются Генеральному секретарю 14 марта 2000г.
Давид С.Ньюман, Представитель от США, Гос.департамент США
На 33-ей сессии Ассамблеи ИКАО (25.09 - 5.10.2001г., Монреаль, Канада) проблема регулирования авиашума на местности была затронута очень комплексно, ИКАО одобрила резолюцию A3 3-7 "Сводное заявление о постоянной политике и практике ИКАО в области охраны окружающей среды", определяющую, помимо прочего, собственную долговременную политику по авиационному шуму. Одобренная Ассамблеей политика в области охраны окружающей среды позволяет продолжить эксплуатацию на международных авиалиниях воздушных судов "Главы 2" и повторно сертифицированных воздушных судов "Главы З" на условиях их поэтапного вывода с эксплуатации в течение согласованных сроков.
Со ссылкой на выполнение резолюции АЗЗ-7 представители ЕС информировали в октябре с.г. Совет в рамках продолжающегося рассмотрения разногласия между США и 15 европейскими странами принял решении отозвать постановление ЕС №925 и заменить его на новую директиву, отвечающую данной резолюции ИКАО. Указанное решение обеспечивает выполнение после 1.04.2002 г. международных полетов в Европу российскими авиакомпаниями с использованием самолетов Ту-154М и Ил-62М.
Вместе с тем, в отношении пересмотра запрета на эксплуатацию после 1.04.2002 г. самолетов Главы 2 при выполнении международных полетов подобного решения ЕС до настоящего времени не последовало. В связи с этим Российская Сторона продолжает проводить интенсивную работу на всех уровнях деятельности мирового авиационного сообщества по обеспечению беспрепятственной эксплуатации на международных трассах Европейского региона российских судов "Главы 2", которые подпадают под заявленные ЕС ограничения по авиашуму.
skalolaskovy.ru
Шум, создаваемый деталями двигателя, снижают с помощью звукопоглощающих конструкций (места их размещения на рисунке показаны красным цветом). Воздух, подаваемый вентилятором во второй контур, уменьшает турбулизацию реактивной струи и также способствует сн
Первые нормы, регламентирующие шум, введены в 1971 году. Срок их действия закончился в 2003 году. В 1976 году ввели более жёсткие нормы, которые действуют в настоящее время. После 2012 года будут обязательными нормы, введённые в 2001 году.
Шевроны, или тэбы, на срезе сопла предназначены для подавления вихрей в турбулентной струе и соответствующего снижения шума.
Однослойные звукопоглощающие конструкции (слева) на стороне, обращённой к источнику шума, имеют перфорацию. Внутренняя сотовая структура представляет собой набор резонаторов, настроенных на подавляемую частоту звукового диапазона.
Основной элемент градиентных звукопоглощающих конструкций — материал с плавно изменяющимися по толщине плотностью и пористостью. Эти конструкции обладают высокой эффективностью в широком диапазоне частот, и в будущем их предполагают применять очень широко
Крылья противопожарного самолёта-амфибии Бе-200 хорошо экранируют шум размещённых над ними двигателей.
Во время полёта и посадки шум, создаваемый элементами планера, сопоставим по уровню с шумом мотора. Сильно шумят шасси и ниши, из которых они выпущены; источники шума находятся также на фюзеляже, органах управления на крыльях и оперении.
В активных глушителях шума звуковая волна (красная кривая), улавливаемая микрофонами, с помощью звукоизлучателей возвращается в противофазе (зелёная кривая). Взаимодействуя, волны гасят одна другую, и шум от работы двигателя заметно снижается.
Самолёт, выполненный по схеме летающего крыла, обладает хорошей обтекаемостью и меньше турбулизирует воздух вокруг себя. Кроме того, для расположенных сверху воздухозаборников крыло и широкий фюзеляж становятся эффективным звуковым экраном.
‹
›
Темпы развития гражданской авиации до 2020 года (около 6% в год), по прогнозам, будут превышать рост мировой экономики (4,8% в год). В 2006 году в реестре Международной организации гражданской авиации (ИКАО) значилось 22 820 магистральных и региональных самолётов американского и европейского производства, а также около 4,5 тыс. самолётов, построенных в России и в Украине (из них около 1500 подконтрольны Межгосударственному авиационному комитету СНГ (МАК), а остальные летают под флагами других стран). Здесь не учтены летательные аппараты сельскохозяйственной авиации, организаций по ликвидации чрезвычайных ситуаций и многие другие. По расчётам фирмы «Боинг», к 2025 году регулярные международные и региональные авиарейсы будут выполнять более 60 тыс. самолётов.
Казалось бы, только радоваться авиастроителям. Но не всё обстоит так радужно. В авиации есть два фактора, к которым приковано пристальное внимание многочисленных организаций защитников окружающей среды, — акустический шум и выброс, или, на профессиональном языке, эмиссия отработавших газов.
Первой возникла проблема шума. В середине прошлого века появились быстрые и вместительные самолёты с турбореактивными двигателями, такие как Ту-104, Боинг-707, DС-8 и др. Экономическая выгода использования этих машин была налицо, но оглушительный рёв могучих моторов раздражал людей, живших в окрестностях аэропортов. Посыпались протесты, которые часто принимали форму судебных исков против авиакомпаний и аэропортов.
Вообще говоря, из всех неблагоприятных экологических факторов шум вызывает больше всего жалоб от населения, и их число уступает лишь количеству жалоб на вырубку зелёных насаждений во дворах. Это объясняется тем, что от шума практически невозможно спрятаться. Даже спящий человек не защищён от звуков. Наш слуховой орган выполняет роль «сторожа», сигнализируя об опасности, и поэтому уши в отличие от глаз всегда «работают». Долгое воздействие шума приводит к расстройствам нервной системы, ухудшению работоспособности и другим печальным последствиям.
В результате многочисленных жалоб населения на самолётный шум в 1969 году под эгидой ИКАО была созвана специальная конференция, на которой выработаны основные принципы его оценки, ограничения и акустической сертификации новых типов летательных аппаратов. Все эти принципы отражены в Приложении 16 к основному документу ИКАО — Чикагской конвенции о международной гражданской авиации 1944 года.
Здесь надо уточнить, что оценка уровня шума в авиации имеет свою специфику. В обычных условиях для этих целей применяется шумомер, дающий интегральную характеристику шума в децибелах во всём диапазоне звуковых частот. Но различные области звукового диапазона по-разному воспринимаются ухом: например, на фоне оркестра всегда выделяются фанфары — их звучание кажется более громким. Поэтому при измерении шума в авиации звуковой диапазон разбивается на полоски шириной в 1/3 октавы и для каждого участка устанавливается свой весовой коэффициент. Таким образом, для самолётного шума были введены так называемые эффективные уровни воспринимаемой шумности, выражаемые в специальных единицах EPNдБ.
Уже в 1972 году нормы ИКАО были введены в действие. Дважды — в 1976 и 2001 годах — нормы ужесточались.
Это дало заметные результаты. Самолёты стали тише. Но стало ли тише вокруг аэропортов, которые располагаются достаточно близко от крупных населённых пунктов? К сожалению, ответ отрицательный. Количество взлётов и посадок самолётов с каждым годом растёт, городские кварталы приближаются к аэропортам, аэропортов также становится больше, и они оборудуются дополнительными взлётно-посадочными полосами. Так что работы по снижению шумности продолжаются, и их интенсивность не снижается.
В России основная роль по разработке стандартов на шум и методов их выполнения принадлежит Центральному аэрогидродинамическому институту (ЦАГИ).
Основной шум производят двигатель и планер самолётов. При разбеге и взлёте доминирует шум двигателя; при крейсерском полёте и посадке шум, вызываемый обтеканием воздухом элементов планера, приближается по уровню к шуму двигателя.
В турбореактивных двигателях компрессор гонит воздух в камеру сгорания, сжимая его до давления 6—7 атм. Воспламенение топлива рождает струю раскалённых газов, которая, вырываясь с огромной скоростью из сопла, создаёт реактивную тягу. Вот из-за этой-то огромной скорости реактивная струя турбулизирует окружающий её воздух, отчего и возникает шум. Кроме того, шумят механические детали: компрессор и турбина, лопатки которых тоже создают сильную турбулентность.
Большие резервы по уменьшению шума дала замена обычного турбореактивного двигателя (ТРД) двухконтурным турбореактивным двигателем (ТРДД). Вентилятор в переднем отделе ТРДД подаёт часть воздуха в компрессор, а часть пускает вокруг него по второму внешнему контуру. Струя воздуха на выходе из сопла смешивается с более холодным воздухом второго контура, снижает свою скорость и температуру и соответственно турбулизацию.
Чем больше отношение диаметров корпусов первого и второго контуров, тем выше эффект. На выставке «Двигатели-2008», проходившей в рамках Конгресса по двигателестроению, был показан отечественный двигатель ПС-90А2. Этот гигант имеет воздухозаборник диаметром около 3 м, в котором размещён многолопастный вентилятор с лопатками очень сложной конфигурации. На основе исследований специалистов ЦАГИ и Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ) удаётся снизить уровень шума подбором закрутки лопаток, их количества и расстояния между ними.
Снизить турбулентность и соответственно шум струи позволяют шевроны волно-образной формы на срезе сопла.
Если воздухозаборник сделать скошенным, чтобы его нижняя часть выступала вперёд, то звуковая волна от работающего вентилятора пойдёт вверх и не будет достигать земли.
Другим способом снижения шума двигателя стало широкое использование так называемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Сегодня их разработка — самостоятельная область акустики.
По принципу работы звукопоглощающие конструкции, выполняющие функции звуковых фильтров, разделяют на два типа: резонансные и диссипативные (с рассеиванием энергии). В резонансных ЗПК энергия падающей звуковой волны гасится за счёт возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объёмах резонаторов. В диссипативных ЗПК потеря акустической энергии происходит за счёт трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала.
Резонансные ЗПК, применяемые в системах шумопоглощения авиационных двигателей, представляют собой одно- или двухслойные сотовые конструкции. Двухслойные ЗПК могут быть настроены не на одну, а на две частоты, но у обоих типов полоса гасимых частот достаточно узкая.
Чтобы расширить область звукопоглощения, в настоящее время акустики и конструкторы активно работают над созданием многослойных ЗПК, ячейки которых заполнены мелкопористым материалом, а также адаптивных ЗПК, изменяющих свои свойства в зависимости от параметров звукового поля.
Прорывом на фронте борьбы с шумом можно считать создание градиентных звукопоглощающих конструкций с плавным изменением пористости и плотности по толщине слоя. Отличительная черта этих материалов, созданных во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ), — высокая звукопоглощающая способность в очень широком диапазоне.
Благодаря установке ЗПК на новых отечественных авиадвигателях удалось снизить шум самолётов семейства Ту-204 и Ил-96 до норм ИКАО, действующих с 2001 года. К сожалению, применение звукопоглощающих конструкций не только удорожает строительство самолёта, но утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива.
Уровень шума двигателей, достигающий земли, зависит и от компоновочной схемы самолёта. Практически все гражданские авиалайнеры выполнены по той же схеме, что и появившиеся в середине 1950-х годов Ту-104 и Боинг-707. В то же время у хорошо известного во многих странах пожарного самолёта-амфибии Бе-200 два двигателя установлены над крыльями. Это продиктовано необходимостью максимально удалить их от водной поверхности, на которой глиссирует, взлетает и приводняется самолёт. Но такая компоновка дала и хорошие акустические характеристики: самолёт даже с не самыми тихими двигателями легко выполняет нормы шума ИКАО. Дело в том, что наиболее неприятные тона работающего реактивного двигателя находятся в области 3 кГц, и ширина крыльев достаточна, чтобы они оказались хорошим звуковым экраном.
Как упоминалось выше, шумят не только двигатели, но и фюзеляж, крылья, оперение и другие детали планера. Причина — в той же турбулентности. Обтекаемое тело с гладкой поверхностью обладает малым сопротивлением именно потому, что поток воздуха огибает его беспрепятственно, нигде не нарушаясь и образуя минимальное количество вихрей. На практике самолёт с такими аэродинамическими свойствами создать невозможно — любой выступ и даже швы между панелями корпуса становятся источниками турбулентности. Успехом на этом направлении стало создание технологии бесшовного воздухозаборника, который не создаёт даже малых возмущений воздушных потоков.
Правда, в некоторых случаях без дополнительной турбуленции не обойтись. Так, при посадке, чтобы снизить скорость, выпускают подкрылки. На их кромках происходит срыв потока встречного воздуха, образуются завихрения, создающие дополнительное сопротивление и тормозящие самолёт. Но эти же завихрения приводят к увеличению шумности.
Такие же явления возникают при выпускании шасси. С вихрями пытаются бороться, устанавливая на шасси специальные обтекатели.
Все существующие средства шумоподавления относятся к пассивным, то есть глушат уже существующий звук. Но развитие науки и техники приблизило нас к возможности активно воздействовать на источники шума. Например, внутри корпуса двигателя можно установить систему из микрофонов и излучающих устройств, которые принимали бы звуковой сигнал и подавали бы его обратно в противофазе. Пока экспериментальная система получается весьма сложной и громоздкой, однако хорошо уже, что процесс пошёл.
Многого мы ждём от фундаментальных исследований механизмов генерации шума турбулентными потоками, роли в этом процессе вихревых структур, изучения проблем образования вихрей и их распада. Так, удалось установить, что турбулентная струя состоит из совокупности элементарных вихревых колец различного размера, напоминающих по структуре кольца табачного дыма, которые выпускают виртуозы-курильщики. Каждый такой вихрь генерирует узкополосные звуковые колебания, и они в сумме дают широкополосный шум турбулентной струи. Возможно, в будущем мы научимся управлять излучением звука и создавать высокоэффективные методы снижения шума.
Проблема эмиссии отработавших газов возникла позже — в середине 1970-х годов. Причиной стало появление на международной арене организации Гринпис, занимающейся охраной окружающей среды. В 1977 году в ИКАО был организован комитет по эмиссии авиационных двигателей. Его специалисты разработали ограничения по выбросу с отработавшими газами вредных веществ, и в 1981 году эти нормы принял Совет ИКАО. В нормах указывались предельное содержание окиси углерода (СО), несгоревших углеводородов (НВ) и оксидов азота (NОx).
Выполнение норм позволяло улучшить обстановку в районах аэропортов, но оставались вопросы относительно полётов на высоте. Дело в том, что в последние годы человечество озабочено глобальным потеплением климата. На роль антропогенного фактора в этом процессе существуют противоположные взгляды, и сторонники обеих точек зрения не раз выражали своё мнение на страницах журнала «Наука и жизнь». Тем не менее, пока дискуссия не закончилась, конструкторы авиадвигателей вынуждены принимать меры по уменьшению выбросов в атмосферу парниковых газов. Правда, «вклад» авиации в эмиссию углекислого газа невелик и составляет всего 3%, но положение усугубляется тем, что авиационные выбросы имеют место на большой высоте, где формируется климат.
Перед инженерами встают дополнительные трудности, поскольку в полёте выявить влияние эмиссии на окружающую среду, увы, невозможно. Кроме того, прекратить выбрасывать в атмосферу углекислый газ можно будет только после изобретения альтернативного топлива, появление которого сейчас невозможно прогнозировать.
Пока же реально попытаться повысить эффективность использования в авиационных двигателях традиционного углеводородного топлива. Для этого, в частности, вместо трубчатых камер сгорания начинают использовать кольцевые, применяют устройства для более мелкого распыления топлива и создания максимально однородной горючей смеси (гомогенизации). Подобные работы ведутся в ЦИАМ в сотрудничестве со специалистами ЦАГИ.
Успешно бороться с шумом и вредными выбросами поможет переход к новому типу самолётов на основе концепции летающего крыла. У этого летательного аппарата сверхширокий фюзеляж плавно переходит в крыло. Подобная форма способствует уменьшению турбулентности, и соответственно улучшаются аэродинамические характеристики, снижается шумность. Воздухозаборники двигателей располагаются над верхней поверхностью корпуса, который превращается в эффективный звуковой экран. Это будет уже настоящий «зелёный» самолёт.
Иллюстрации предоставлены авторами.
www.nkj.ru
