Nowe techniki laboratoryjne sprawiają, że samoloty stają się cichsze
Hałas generowany przez samoloty stanowi poważny problem środowiskowy, który dotyka w szczególności osoby zamieszkujące obszary otaczające lotniska. Jednym z głównych negatywnych skutków hałasu jest fakt, że zakłóca zdrowy sen, co prowadzi do występowania licznych dolegliwości zdrowotnych, w szczególności chorób układu sercowo-naczyniowego. Osoby niedosypiające mają również często problemy z koncentracją, co w przypadku uczniów i studentów może prowadzić do występowania trudności w nauce i przekładać się na gorsze wyniki. Pomimo tego, że niektóre lotniska wprowadzają okresy ciszy nocnej, zwykle okresy te nie trwają zbyt długo. Ponadto, nawet hałas w ciągu dnia może być przyczyną stresu, co może prowadzić do występowania dalszych problemów zdrowotnych, a co gorsza, sytuacja ulega nieustannemu pogarszaniu wraz ze wzrostem ruchu lotniczego o 4,3 % rocznie. Według istniejących prognoz popyt na podróże lotnicze będzie rósł do co najmniej 2038 roku, jednak obawy związane z rosnącym zanieczyszczeniem hałasem zagrażają tej ekspansji. Z tego powodu nawet pomimo faktu, że współczesne samoloty są o 75 % cichsze niż te, które latały po naszym niebie jeszcze 30 lat temu, branża lotnicza potrzebuje jeszcze cichszych odrzutowców. W związku z tym Unia Europejska określiła wytyczne, których realizacja została zaplanowana na 2050 rok.
Nowe techniki i modele
W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu IMAGE zostały przeprowadzone badania metod pozwalających na obniżenie poziomu hałasu. W pierwszej kolejności badacze opracowali nowatorskie metody eksperymentalne oraz obliczeniowe, których wykorzystanie pozwoliło im na zbadanie z punktu widzenia fizyki podstaw dwóch głównych rodzajów hałasu generowanego przez samoloty. Silniki lotnicze są najbardziej hałaśliwe w czasie startów, natomiast hałas płatowca, generowany przez turbulencje powstające w wyniku wysunięcia klap oraz podwozia, staje się najbardziej uciążliwy w czasie lądowania. Zespół skupiony wokół projektu zajął się również badaniem możliwych mechanizmów i strategii ograniczania hałasu, skupiając się przede wszystkim na trzech technologiach lotniczych i podnosząc dzięki temu poziom ich gotowości technologicznej. Projekt IMAGE stanowi jeden z elementów unijnej inicjatywy polegającej na współpracy z partnerami z Chin w ramach projektów dotyczących aeronautyki. Uczestnikom projektu udało się osiągnąć sześć głównych rezultatów, spośród których pierwszym było udoskonalenie technik pomiaru hałasu akustycznego. Jedna z takich metod wykorzystuje okładziny akustyczne, które w tym przypadku stanowią porowate powłoki pokrywające kanały wentylatorów silnika. Udoskonalenia w zakresie metod obliczeniowych polegały na opracowaniu modeli matematycznych wykorzystywanych w procesie badania dynamiki płynów i aeroakustyki (CFD/CAA). „Opracowane metody mogą zostać wykorzystane w procesie projektowania właściwości aerodynamicznych i aeroakustycznych, a także w diagnostyce problemów”, twierdzi koordynator projektu Shia-Hui Peng.
Usprawnione projekty
Naukowcy wykorzystali nowe techniki pomiarowe i metody obliczeniowe w celu przewidywania skutków zmian w projektach elementów silników oraz płatowca, wśród których znalazły się okładziny akustyczne, siłowniki plazmowe (wykorzystujące wyładowania elektryczne oraz przepływ zjonizowanego powietrza w celu ograniczenia powstawania hałasu w wyniku separacji przepływu) oraz ekrany z siatki drucianej przeciwdziałające powstawaniu turbulencji, które stanowią jedno z głównych źródeł hałasu. Opracowane przez uczestników projektu ekrany pozwoliły na zmniejszenie hałasu o 3-4 decybele, natomiast ulepszone okładziny akustyczne przyniosły poprawę o kolejne 5-6 decybeli. „Mamy duże nadzieje, że nasze okładziny akustyczne pozwolą na ograniczenie hałasu generowanego przez wloty i wyloty silników lotniczych”, dodaje Peng. Kolejnym rezultatem projektu było sprawdzenie w praktyce koncepcji cichych konfiguracji łopatek i skrzydeł wentylatora, które powstały w ramach przeprowadzonych prac, a także testowanie oddziaływań pomiędzy silnikiem i skrzydłem. Realizacja projektu wiązała się również z opracowaniem bazy danych konfiguracji przypadków testowych na potrzeby weryfikacji przy pomocy narzędzi CFD/CAA, uwzględniających oraz nieuwzględniających siłowników ograniczających hałas. Baza ta ma również zostać udostępniona na potrzeby przyszłych projektów badawczych realizowanych w Unii Europejskiej. Ponadto zespół opracował zestaw wytycznych dotyczących najlepszych praktyk związanych z wykorzystaniem metod CFD/CAA oraz wdrażania technologii ograniczających hałas. W ramach prac naukowców powstała również ocena techniczna badanych technologii, w której znajduje się opis ich gotowości oraz potencjału do zastosowania przemysłowego. Projekt IMAGE dobiegł końca w połowie 2019 roku. Niektórzy partnerzy skupieni wokół projektu postanowili dołączyć do innych trwających projektów unijnych z zamiarem dalszego rozwoju i wykorzystania metodologii opracowanych w ramach inicjatywy IMAGE. Inni partnerzy zainicjowali z kolei swoje własne partnerstwa dwustronne. Branża lotnicza nie dysponuje jeszcze supercichymi samolotami, jednak badania zrealizowane w ramach projektu IMAGE sprawiają, że taka wizja staje się coraz bardziej rzeczywista.
Słowa kluczowe
IMAGE, hałas aeroakustyczny, samolot, zdrowie, ograniczanie hałasu, podstawowa fizyka lotu
