Наука летать и не шуметь

В Подмосковье прошла
3–я открытая Всероссийская конференция по аэроакустике.

Проблема пролетных шумов возникла тогда же, когда появилась и сама авиация. Она является абсолютно неизбежной – самолету требуется двигатель, который не способен работать бесшумно. Остроты проблема достигла со вступлением авиации в реактивную эру. Самолеты с турбореактивными двигателями, особенно скоростные, оказывают на окружающую среду несоизмеримо большее воздействие, чем пропеллерные аэропланы прошлого. Даже то, что они летают на большей высоте, не меняет дела. Действие самолетного шума неблагоприятным образом влияет и на нервную систему человека. Но тем не менее выход из сложившейся ситуации существует. В чем он заключается? Какой выход ученые, инженеры и конструкторы предлагают для снижения шума?
Эти вопросы и обсуждались на конференции по аэроакустике.
Работа конференции велась по шести секциям: «Шум самолетов и вертолетов на местности и акустика авиационных двигателей», «Шум в салонах самолетов и вертолетов», «Источники аэродинамического шума в авиации», «Инновационные методы в аэроакустике», «Вычислительная аэроакустика» и «Авиаэкология».
Актуальность проблем, рассматривавшихся на конференции, связана с дальнейшим ужесточением норм по шуму, рекомендованных решениями 9–го совещания комитета ИКАО по защите окружающей среды. Новые нормы будут касаться только самолетов новых типов и вводятся с 31 декабря 2017 года для самолетов взлетной массой выше 55 тонн и с 31 декабря 2020 года для воздушных судов, у которых взлетная масса ниже указанного значения.
Основную проблематику сформулировал в своем докладе «Проблемы авиационной акустики, критичные при создании перспективных воздушных судов с улучшенными экологическими характеристиками» доктор физико–математических наук, профессор В. Копьев. Предпосылки проблемы связаны с тем, что экология авиационного транспорта стала одним из главных показателей, определяющих его конкурентоспособность на мировом рынке. Основными экологическими факторами воздействия авиации на окружающую среду являются шум, производимый летательными аппаратами, эмиссия двигателей и выбросы углекислого газа. ИКАО в последние годы развивает качественно новый подход к вредному воздействию авиации на окружающую среду и климат планеты, в котором все аспекты воздействия (шум, эмиссия, выброс парниковых газов), интенсивность перевозок на конкретных маршрутах, а также экономическая составляющая эксплуатации рассматриваются комплексно. Уже на стадии формирования концепции воздушного судна необходимо закладывать такие его характеристики, которые обеспечат минимальное воздействие как на окружающую среду, так и на пассажиров и экипаж. Реализация данного подхода требует детальной проработки сценариев применения создаваемого самолета, учитывающих его место в транспортной системе, базу данных полетов, зоны негативного влияния вблизи аэропортов, а также влияние на климат на крейсерских режимах полета.
В США и ЕС приняты национальные программы по снижению воздействия авиации на окружающую среду. Высокий темп их реализации, а также их мультидисциплинарный характер требует от России перестройки работ, проводимых в данном направлении. Промедление или неэффективная их организация могут привести к поражению России в борьбе за все рынки, включая отечественный.
Проект аналогичной российской программы был разработан ЦАГИ совместно с ЦИАМ, ГосНИИ ГА, ОАО «Авиадвигатель». Дальнейшая работа по ее доведению и принятию является важнейшей задачей, стоящей перед аэроакустическим сообществом России.
Сертифицированные за последние годы новые модификации самолетов ведущих стран удовлетворяют нормам ИКАО по шуму на местности с большими запасами и легко укладываются в новые нормы. Поэтому второй проблемой, стоящей перед аэро-
акустиками России, является разработка различных технологий по снижению шума как для перспективных самолетов, так и для существующих, а также внедрение эксплуатационных процедур, снижающих шум на местности.
Вопрос разработки технологий не сводится только к снижению шума в каждом источнике. Проблема шумов взаимодействия, возникающая, например, при интеграции турбореактивного двигателя с высокой степенью двухконтурности с элементами механизации крыла, существенно зависит от особенностей взлета и используемых эксплуатационных процедур. Поэтому необходимость точной оценки экологических параметров существующих и перспективных воздушных судов подразумевает переход от двигателецентрированного подхода, в котором шум самолета сводится к рассмотрению силовой установки в качестве единственного источника шума, к самолетоцентрированному, при котором двигатель и создаваемый им шум находятся в связи с аэродинамическими показателями самолета в целом.
Создание новых технологий снижения шума непосредственно связано с исследованием физической природы его образования и изучением закономерностей формирования акустических полей. Поэтому проблема исследования фундаментальных вопросов образования шума турбулентными потоками является важнейшей для аэроакустики начиная с 50–х годов прошлого столетия.
В число важнейших также входит проблема шума в кабине. По этому показателю отечественные самолеты проигрывают зарубежным.
Одним из важнейших препятствий для создания новых технологий, применимых к существующим и перспективным самолетам, является отсутствие современной экспериментальной базы. В ее состав входят, в частности, экспериментальные стенды с акустически заглушенными рабочими частями для исследования шума горячих струй большого масштаба в заглушенных акустических камерах, шума открытых роторов и вертолетных винтов, а также шума обтекания планера. Развитые страны, имеющие собственный авиапром, в дополнение к имеющимся установкам создали систему доводки акустических характеристик новых самолетов по результатам летных экспериментов с точки зрения шума как на местности, так и в салоне. Этот подход позволяет обнаружить и ранжировать источники звука на летающих лабораториях, что особенно важно в связи с трансформацией источников звука, возникающей в полете, сложно моделируемой в стендовых условиях. Поэтому разработка новых самолетов с улучшенными характеристиками требует развития в России акустического летного эксперимента.
Современные технологии продвижения воздушных судов на мировые рынки включают в себя дополнительную к обязательной сертификации регистрацию самолетов в базах данных ИКАО. Применительно к шуму на местности – это база данных NoiseDb и база летно–технических и шумовых характеристик ANP (Aircraft Noise and Performance).
С докладом по данной теме «Опыт представления самолета Ту–204 в международную базу данных ANP ICAO» выступили специалисты ЦАГИ
(С. Величко, Н. Остриков и В. Копьев), а также ОАО «Туполев» (Е. Подопросветов и А. Платонов). Согласно существующим правилам такие данные должны представляться производителем самолета. Одним из важнейших назначений данной базы является ее использование при расчете зон зашумленности в окрестностях аэропортов с заданным расписанием полетов самолетов конкретных типов. Крупные зарубежные аэропорты, используя базу данных ANP, планируют трассы взлета и захода на посадку, а также расписание полетов днем и ночью. Если самолет не зарегистрирован в этой базе, планирование его расписания становится затруднительным. Зарубежные авиастроительные фирмы с целью успешного продвижения своих самолетов на рынке регистрируют их в рассматриваемой базе. До настоящего времени ни один самолет российского производства не был представлен в ней.
На сегодняшний день сформирован для представления в базу полный набор необходимых данных по самолету Ту–204–100Е. Работа проведена совместно двумя коллективами – ЦАГИ и ОАО «Туполев».
Проблема создания малошумных двигателей для гражданских самолетов продолжает оставаться актуальной. Ее исследования представил в своем пленарном докладе А. Ланшин (ЦИАМ).
Пути снижения шума самолета были изложены в докладе о проблемах проектирования акустически совершенных самолетов гражданской авиации, который подготовили специалисты корпорации «Иркут» В. Нарышкин и Г. Паранин.
Специалисты ЦАГИ В. Копьев, М. Зайцев, Н. Остриков и И. Беляев исследовали проблему усиления шума струи вблизи крыла в спутном потоке. Установка турбореактивных двигателей с высокой (8–10) и сверхвысокой (от 10 до 15) степенями двухконтурности на магистральные самолеты, большинство которых построены по схеме низкоплана, приводит к геометрии, при которой реактивная струя развивается в непосредственной близости от несущей поверхности крыла. В этом случае на взлетном и посадочном режимах острые кромки отклоненных закрылков находятся в зоне повышения пульсаций давления ближнего поля струи, а при некоторых значениях управляющих параметров имеет место замывание нижних поверхностей крыла и закрылков потоком турбулентной струи. Данные факторы способствуют возникновению интенсивного шума.
В настоящий момент ведущие мировые авиационные центры прорабатывают концепции магистральных самолетов будущего. Так как проблема дальнейшего снижения шума самолетов на местности является одной из приоритетных задач, то идет интенсивный поиск технических решений, которые обеспечат это снижение шума. Одно из решений связано с разработкой таких компоновок малошумных самолетов, в которых обтекаемые поверхности экранируют шум силовых установок (СУ). Работы по применению интегральной компоновки при проектировании самолетов (схема типа «летающее крыло») с двигателями, расположенными над крылом (над планером) были начаты с середины 70–х годов прошлого века. Предполагалось, что интегральная компоновка позволит осуществить акустическое экранирование шума двигателя как в передней (шум вентилятора), так и в задней (шум струи) полусферах. В первое десятилетие XXI века исследования экранирования шума основных источников СУ с помощью поверхностей летательного аппарата значительно интенсифицировались.
С докладом по данной теме «Исследования по выбору оптимальной методики расчета дифракции звука, генерируемого некомпактными источниками различного типа, на обтекаемых поверхностях летательных аппаратов» выступили специалисты ЦАГИ. Основной вывод доклада состоит в том, что на современном этапе невозможно корректное предсказание эффекта экранирования, и для его корректного предсказания необходимы фазовые характеристики излучения в ближнем поле, что в настоящий момент можно получить только из прямого эксперимента. В рамках госконтракта «Самолет–2020» ЦАГИ планирует провести серию экспериментальных исследований эффекта экранирования, включая исследование экранирования для нетрадиционной компоновки «летающее крыло».
Проблема снижения уровня шума в кабине также является одной из важнейших – от нее во многом зависит продвижение воздушного судна на рынок. Доклад о современных акустических приборах и методах исследования уровня шума на борту летательных аппаратов подготовила группа ученых и инженеров ЛИИ имени М.М. Громова (В. Митенков, В. Мокеев и В. Кудашин).
На конференции проблемы аэроакустики были рассмотрены в различных аспектах. Конференция показала, что научно–технические предпосылки для успешного решения поставленных задач, касающихся аэроакустики, в настоящее время созданы. Необходимо активно внедрять достижения науки и техники в практику производства.

Петр КРАПОШИН

14.11.2013