Турбулентные струи реактивных двигателей самолета создают сильный гул, особенно при взлете. Существующие методы борьбы с этой проблемой уменьшают низкочастотный шум, но усиливают высокочастотный. Это не только оказывает физиологическое воздействие на человека, вызывая утомляемость и дискомфорт, но и создает вибрации, что может приводить к возникновению усталости материалов и узлов конструкции самолета. Ученые Пермского Политеха выяснили, где возникает шум, и предложили метод, позволяющий снизить его на 2-3 дБ (децибела). В кабине самолета он может достигать порядка 100 дБА, поэтому даже небольшое уменьшение этих показателей облегчит переносимость авиатранспорта пассажирами и снизит риск преждевременного разрушения материалов самолета.
Статья опубликована в материалах конференции «E3S Web of Conferences». Исследование проведено в рамках гранта РНФ (22-72-00063).
Турбулентная струя — это выхлоп двигателя, раскаленный газ, который с огромной скоростью вырывается из сопла самолета во время полета. На выходе он смешивается с холодным воздухом, и из-за разницы скоростей и температур возникает хаотичное вихревое движение — турбулентность. Чем дальше от сопла это происходит, тем струя шире и медленнее, но первые ее метры — самые «шумные».
Обычное дозвуковое сопло — это коническая труба, которая создает мощную, но хаотичную струю. Для управления турбулентностью инженеры придумали разные вариации его форм: шевронные (с зубцами) и гофрированные (с волнистыми краями). Первые хорошо гасят низкочастотный рев, но добавляют неприятный свист на высоких частотах. Вторые снижают шум без «побочных эффектов», но пока этот процесс мало изучен и нуждается в подробном исследовании.
Ученые Пермского Политеха выяснили, как разные сопла (конические и гофрированные) влияют на уровень шума и распределение его источников внутри струи. Для этого они использовали специальную «сеть» из 54 сверхчувствительных микрофонов, которые поставили в 2,5 метрах от сопла. Их направили точно на выход реактивной струи и в лабораторных условиях запустили специальную установку, имитирующую выхлопную струю авиационного двигателя, на скорости 0,6 Маха (примерно 740 км/ч). Каждый микрофон записывал возникающий звук отдельно, а специальная программа анализировала, откуда именно он исходит.
— Исследование показало, что шум рождается не в одном месте, а вдоль всей струи. У обычных конических сопел самые громкие звуки идут с расстояния в 4-9 диаметров от края сопла, а у гофрированных — смещаются дальше от выхода. Анализ и сравнение показали: чтобы уменьшить звук, подойдут гофрированные сопла с плавным рифлением лепестков. Шум удается снизить на 2-3 дБ без усиления высокочастотных составляющих. Также получилось изменить распределение источников шума: на высоких частотах они сместились ближе к соплу, на низких — дальше от него. Все это означает, что лепестки такой формы отлично выполняют шумоподавляющую функцию и найдут успех в использовании в современных самолетах, — комментирует Игорь Храмцов, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Результаты ученых ПНИПУ позволяют снизить уровень шума авиадвигателей без усиления высоких частот, что особенно важно для комфорта пассажиров и долговечности конструкций воздушного судна. Особенно это актуально для аэропортов, расположенных вблизи жилых зон, где остро стоит проблема шумового загрязнения.
Исследование также помогло лучше понять физику шумообразования в турбулентных потоках. Дальнейшая разработка технологии может привести к созданию нового поколения экологичных авиадвигателей с улучшенными акустическими характеристиками.