Przełomowa technologia pozwala osiągać cele związane z redukcją hałasu przewidziane dla statków powietrznych
W ramach finansowanego ze środków UE projektu AERIALIST zidentyfikowano i opracowano przełomowe technologie oparte na metamateriałach. Mają one pomóc w realizacji celów związanych z redukcją hałasu przewidzianych w europejskiej wizji dla lotnictwa i określonych w strategii ACARE Flightpath 2050. Metamateriały powstały z myślą o uzyskiwaniu efektów nieosiągalnych dla materiałów naturalnych, a charakteryzują się powtarzalną strukturą w skali makro lub mikro. Członkowie konsorcjum bazowali na aktualnej teorii metamateriałów o właściwościach akustycznych, studiując efekt rzeczywistych przepływów aerodynamicznych w celu opracowania metod numerycznych symulujących zachowanie metamateriałów o właściwościach akustycznych w warunkach lotu statku powietrznego. Uczestnicy projektu AERIALIST ocenili również techniczną wykonalność urządzeń redukujących hałas w oparciu o opracowane koncepcje i zaproponowali plan działań w kierunku ich praktycznego wykonania.
Nowe narzędzie projektowe
Partnerzy projektu skupili się na redukcji hałasu propagującego się poza osłony turbowentylatorów (gondole), wykorzystując niekonwencjonalne właściwości metamateriałów akustycznych do modyfikowania wzorców rozpraszania hałasu. „Zbadaliśmy techniki eliminacji fal dźwiękowych za pomocą rozpraszania, hiperkoncentracji i wychwytywania fal w celu uzyskania możliwości skupienia emisji hałasu ku górze bez konieczności zmiany kształtu przewodu wlotowego i zmniejszania wydajności aerodynamicznej (ang. virtual scarfing of intakes), odpowiedniego stanu przewodów odpływowych oraz wzmocnienia efektu osłony”, mówi koordynator projektu Umberto Iemma. Podejście to polegało na połączeniu modelowania teoretycznego, metod numerycznych, projektowania, obróbki przyrostowej i walidacji doświadczalnej w ramach zintegrowanego łańcucha narzędzi projektowych. „Opracowanie tego narzędzia projektowego z powodzeniem wpisało się w symulowanie docelowego zachowania metamateriałów, które uznano za istotne w kontekście zmniejszania hałasu w samolotach”, wyjaśnia Iemma. Naukowcy opracowali teorię modelowania metamateriałów w kontekście aeroakustycznym, która uwzględnia zastosowanie narzędzi i metod wykorzystywanych w badaniach aeroakustycznych oraz przez branże przemysłowe. Aeroakustyka zajmuje się badaniem zjawiska generowania hałasu podczas turbulentnego przepływu płynu lub przez siły aerodynamiczne oddziałujące z powierzchniami. Następnie, wykorzystując zaawansowaną technologicznie obróbkę przyrostową, stworzyli oni obiekt 3D na podstawie trójwymiarowego modelu cyfrowego i połączyli modelowanie z próbkami eksperymentalnymi. Kolejnym krokiem było przeprowadzenie doświadczeń w tunelu aerodynamicznym, których celem była ocena opracowanych koncepcji i walidacja metod symulacji.
Zastosowanie w wielu branżach
Nowo opracowane technologie, w tym nowe modele teoretyczne i techniki analizy, mogą imitować odpowiedzi akustyczne poruszającego się ośrodka oraz stosować metodę identyfikacji odwróconej. „Uzupełniliśmy proces opracowywania modeli numerycznych o pewne aspekty innowacyjne. Uwzględniliśmy niejednorodną konwekcję i modele o zredukowanym rzędzie, tak by w projekcie struktur okresowych o wielu ogniwach móc wziąć pod uwagę straty właściwości wiskotermicznych”, mówi Iemma. „Ponadto zastosowanie zaawansowanych technik optymalizacji przy projektowaniu metamateriałów odbijających fale dźwiękowe w określonym kierunku znacząco zwiększyło skuteczny zakres częstotliwości, w jakich mają one zastosowanie”. W przyszłości łańcuch narzędzi projektowania metamateriałów przyczyni się do ich włączania do procesów projektowania przemysłowego, przynosząc korzyści zarówno ośrodkom badawczym, jak i samemu przemysłowi. Koncepcje jakie powstały i zostały poddane ocenie w ramach projektu AERIALIST do trzeciego poziomu gotowości technologicznej (TRL) włącznie mogą być doskonalone i rozwijane do kolejnych istotnych z punktu widzenia przemysłu poziomów TRL. Część z tych działań ma być wykonana w ramach finansowanego ze środków UE projektu ARTEM. Można zatem uznać, że projekt AERIALIST zdołał przyczynić się do opracowania podejścia do wykorzystania potencjału metamateriałów o właściwościach akustycznych w aeronautyce oraz w wielu innych zastosowaniach inżynieryjnych, w których zakłócenia akustyczne generowane przez źródła będące w ruchu rozchodzą się w ośrodku pozostającym w ruchu. „Z tego też względu wyniki projektu można z łatwością przełożyć na sektory motoryzacyjny, kolejowy i morski”, zaznacza Iemma.
Słowa kluczowe
AERIALIST, projekt, hałas, metamateriały, statek powietrzny, aeroakustyka, lotnictwo, modelowanie, łańcuch narzędzi
