Новости

2 мая, 2023 13:07

Самолеты становятся тише. Математические модели ЦАГИ против авиационного шума

Источник: Поиск
Многие из нас любят наблюдать за низколетящими авиалайнерами. Зрелище – захватывающее. Но помимо красивой картинки мы невольно отмечаем сильный шум, который издает самолет. Случайных зрителей этот гул завораживает, однако тем, кто живет неподалеку или работает в авиации, приходится слушать его регулярно. Неудивительно, что борьба с авиационным шумом сегодня считается одной из самых важных проблем авиастроения. О том, какое место в этой борьбе занимают математические модели, рассказал начальник отделения аэроакустики и экологии летательных аппаратов ФАУ «ЦАГИ», доктор физико-математических наук, профессор Виктор Копьев.
Виктор Копьев. Источник: Поиск

– Виктор Феликсович, в 2021 году вы получили грант РНФ на разработку и валидацию математических моделей и вычислительных алгоритмов в аэроакустике. Что вы должны сделать в рамках этой работы?
– В проекте рассматриваются основные аэроакустические процессы, характеризующие шум самолета и вертолета. Это генерация шума турбулентной струей и различными элементами двигателя летательного аппарата (ЛА), самолетными и вертолетными винтами. Исследуется шум взаимодействия струи с элементами планера, дифракция и экранирование звукового излучения различными частями ЛА, распространение звука в каналах двигателя и проблема выбора оптимальных звукопоглощающих конструкций. А также акустические нагрузки, связанные с пульсациями в турбулентном пограничном слое, и их переизлучение в кабину или салон. Чтобы уменьшить каждую из составляющих шума ЛА, необходимо иметь математические модели механизмов излучения звука и программы расчета шума. Отмечу, что сама проблема моделирования аэродинамического шума более 70 лет находится на переднем крае фундаментальной науки, будучи связанной в большой степени со сложностью описания турбулентности. Главная трудность состоит в том, что звуковое излучение определяется не общей динамикой турбулентности, а тонкими механизмами, управляющими динамикой отдельных вихревых образований и их взаимосвязью в турбулентном течении. По этой причине разработка моделей генерации шума и методов его снижения представляет собой сложнейшую нерешенную задачу.

Поэтому для успешного применения математических моделей и основанных на них численных методов необходимы тщательное экспериментальное доказательство (валидация) предложенных решений и определение диапазона параметров, в которых данная модель или метод могут адекватно описывать определенное явление. Таким образом, возникает комплексная задача, состоящая из трех обязательных составляющих: I – построение математической модели; II – разработка численного метода; III – экспериментальная валидация полученных решений.

– Человечество борется с авиационным шумом едва ли не с момента создания самолетов…
– Да, разработка надежных методов моделирования шума самолета и его элементов представляет собой крайне актуальную инженерную задачу. Методы ее решения остро нужны авиационной промышленности, поскольку общество становится все более требовательным к уровню шума, создаваемого самолетами. Согласно нормам ИКАО, шум самолета определяют на взлете и при посадке. И если на взлете основными источниками шума реактивного самолета являются турбулентная струя и вентилятор, то при посадке значимый шум создает турбулентный поток, обтекающий планер. Сложность задачи еще в том, что ученые и инженеры вынуждены сегодня снижать шум сразу от всех источников, поскольку у современного самолета, снабженного тихим двигателем, нет одного ярко выраженного источника шума.

Эта проблема – необходимость решать одновременно ряд разноплановых задач – отражена в структуре проекта, поддержанного РНФ. Цель – разработка и валидация математических моделей и вычислительных алгоритмов для основных задач в аэроакустике.

Сегодня ни один авиапроизводитель не может себе позволить игнорировать современные нормы ИКАО по шуму, поскольку многие аэропорты мира не смогут принимать такую технику. Кроме этого, помимо очевидных вопросов улучшения качества жизни людей, проживающих в зонах интенсивной эксплуатации авиации, проблема шумового загрязнения стала серьезным элементом конкуренции между авиапроизводителями.

Бурное развитие методов вычислительной аэроакустики в последние годы существенно расширило палитру данных, которые исследователь может получать о турбулентном течении. При этом численные методы, будучи тщательно проверенными в эксперименте, позволяют получать уникальные характеристики течения, часть из которых крайне трудно или пока вообще невозможно определить экспериментально. Это открывает новые возможности в познании механизмов шумообразования в турбулентных течениях и при построении моделей этих явлений.

Именно комбинация методов физического моделирования, экспериментального исследования с помощью современных приборов и методов, а также подходов, основанных на численном моделировании, позволяющих извлекать достаточно подробную информацию о пространственно-временных свойствах ближнего и дальнего поля течения, как ожидается, позволит продвинуться в понимании структуры звуковых источников, прояснить их связь с вихревой динамикой, уточнить существующие модели звуковых источников и в конечном счете предложить новые методы снижения шума. Такой процесс лежит в основе проекта РНФ, о котором мы говорим.

– Как вы думаете, почему Фонд поддержал ваше исследование?
– Я думаю, в поддержке РНФ нашего проекта не последнюю роль играли масштабность и всесторонность предлагаемого исследования и в то же время его исключительная научная сложность.

Учитывая огромное значение, которое имеет в настоящий момент и в перспективе цифровизация различных подходов в современной инженерной науке, проблема валидации разработанных программ или имеющихся промышленных кодов применительно к задачам аэроакустики приобретает особо важное значение и актуальность. Поэтому прикладной характер многих результатов также мог повлиять на выбор РНФ нашего проекта.

– На что идут средства гранта РНФ?
– Мы рассматриваем эту уникальную поддержку со стороны РНФ как возможность построить всю работу на современном уровне, более активно привлечь молодежь в работу по проекту и вообще в аэроакустику. Мы ждем от таких инфраструктурных изменений большой отдачи и новых научных результатов, которые обязательно повлекут за собой и прикладной успех. А это то, что требует от науки высокотехнологичная промышленность.

– Ваш проект поможет оценить, насколько далеко задача создания акустического цифрового двойника самолета или его элементов находится от реальности? И вообще, что такое цифровой двойник?
– В прикладной науке все бÓльшую значимость приобретает понятие «цифровых двойников», позволяющих численно описывать поведение объекта, в том числе иногда и за пределами исходного математического или лабораторного моделирования. Создание цифровых двойников позволяет существенно ускорить и упростить получение технических решений в тех областях, где их удается сделать. Сложность получения акустических цифровых двойников летательного аппарата связана в первую очередь с плохо предсказуемыми процессами генерации шума, турбулентностью, понимание которых необходимо не только для правильного описания аэроакустических явлений, но и для нахождения технических решений.

– Какие результаты ожидаются от исследований в рамках гранта?
– Проект направлен на разработку новых моделей источников аэродинамического шума, создание соответствующих им вычислительных алгоритмов. В рамках такого подхода в нем рассматриваются восемь направлений, связанных с решением отдельных проблем аэроакустики летательного аппарата. Эти направления находятся на разных уровнях разработки вычислительных алгоритмов, поэтому рассматриваются в проекте по отдельности. Цель – с одной стороны, проследить универсальность такого подхода, с другой стороны, там, где могут появиться работающие валидированные программы, постараться довести их до инженерного уровня, чтобы ими могла воспользоваться промышленность. Такая задача стоит, в частности, в исследовании и описании шума несущего винта вертолета.

– Что уже удалось сделать в рамках проекта?
– Я думаю, перечисление уже полученных результатов займет слишком много места и потребует уровня изложения научных статей. Косвенно можно сказать, что результаты работы публикуются в ведущих научных изданиях России и мира. Что касается инженерного аспекта работы, подготовлен и передан индустриальному партнеру первый пакет валидированных программ для расчета тонального шума несущего винта вертолета на режиме висения.

– Какие практические испытания проводятся?
– Их много, в основном они проводятся на стендовой базе ЦАГИ. Например, испытания, связанные с исследованиями шума струй, шума обтекания элементов планера самолета, шума воздушных винтов вертолетов и самолетов проводятся в заглушенной камере АК-2. Это единственная в России установка, где реализован трехконтурный подвод воздуха в заглушенное помещение. Здесь реализуется эффект свободного звукового поля, т. е. практически отсутствует отражение звука от стенок помещения. При этом внутренний и средний контуры позволяют создавать двухконтурные дозвуковые и сверхзвуковые соосные потоки, которые моделируют струи современных двухконтурных двигателей, а внешний контур создает поток, моделирующий эффект полета самолета на взлетно-посадочных режимах. Однако все, как в известной шутке: «Зарплата у меня хорошая, но маленькая». Размер потока все же недостаточен для постановки многих определяющих экспериментов. Нужны более крупные установки, и в основных авиапроизводящих странах они есть!

Исследования звукопоглощающих конструкций (ЗПК) проводятся на интерферометре с потоком, где измеряется импеданс ЗПК в зависимости от скорости потока и уровня звукового давления. Такие установки сейчас есть в большинстве аэроакустических лабораторий мира. Их использование характеризуется трудностями, ко-торые также имеют универсальный характер.

Исследования проблем, связанных с разработкой технологий снижения шума в салонах воздушных судов, проводятся на уникальной установке АК-11, состоящей из двух реверберационных камер и большой заглушенной камеры, связанных между собой специальными проемами, что позволяет измерять характеристики звукоизоляции бортовых конструкций воздушных судов различными методами. Идея установки настолько хороша, что в начале 2000-х годов проект заинтересовал специалистов делегации Boeing. Посмотрев нашу установку, они потом у себя построили аналогичную.

Отдельные работы удается проводить на натурном двигателе, на стенде или непосредственно на летающем объекте.

– Какое оборудование используется?
– В данном проекте используются самые современные существующие на настоящий момент в России методы и подходы применительно к исследованию генерации шума турбулентными течениями, а оснащение оборудованием находится на уровне ведущих зарубежных лабораторий. БОльшая часть приборов или уже имеется в ЦАГИ, или дополнительно закуплена в рамках проекта – это прецизионные многомикрофонные комплексы и антенны B&K, включая антенны для летных испытаний, системы измерения параметров нестационарных течений TR PIV La Vision, термоанемометрические комплексы DANTEC, высокопроизводительные компьютеры.

Для валидации расчетов шума несущих вертолетных винтов используются данные акустического летного эксперимента с вертолетом Ка-62. Также применяются имеющиеся в лаборатории данные крупномасштабных экспериментов, отражающие богатый опыт сотрудников по участию в совместных с зарубежными и отечественными партнерами измерениях шума, создаваемого различными элементами самолета, на самых известных крупномасштабных акустических установках мира (заглушенные аэродинамические трубы DNW NWB и DNW LLF, CARDC FL-17, NTF QinetiQ, DLR AWB, открытый двигательный стенд АО ОДК «Авиадвигатель» ОС-5, открытый вертолетный стенд «Камов»).

– С какими сложностями сталкиваетесь?
– Главная трудность у нас одна – отсутствие в стране крупномасштабной акустической установки, без которой трудно, а то и невозможно разрабатывать новые технологии. Они есть во всех авиапроизводящих странах, только в Китае за последние годы построено несколько таких стендов. Создание отечественной установки остро необходимо.

Что же касается самой работы по проекту, то любое новое дело всегда требует некоего преодоления и собственной инерции. И инерции коллектива. ЦАГИ высоко ценит эту работу, направленную на создание эффективной современной лаборатории на базе акустического отделения. Уже сейчас подготовлены новые помещения и уникальная инфраструктура для проведения исследований, численного моделирования, валидации и обсуждения получаемых результатов.

– Как результаты исследования будут применяться на практике?
– В результате выполнения проекта будут развиты новые численные инструменты и проведена валидация и оценка этих, а также существующих инструментов (включая коммерческие коды) с точки зрения эффективности предсказания шума на местности и в салоне самолета. Важно отметить, что постановка исследований, проводящихся в рамках проекта, во многом непосредственно вытекает из проблем обеспечения улучшенных акустических характеристик главных отечественных авиационных проектов. Это воздушные суда SSJ-NEW, МС-21, Ил-114, Ка-62 и двигатели ПД-8, ПД-14, ПД-35.

Поэтому достигнутые результаты будут востребованы конструкторскими бюро России, разрабатывающими авиационную технику. Ведь ряд полученных в рамках проекта результатов уже используется в лаборатории, они работают.

Теги
Интервью
18 мая, 2023
«Вся эта пустыня — искусственное образование, которое возникло только из-за человека». Разговор за жизнь с палеоэкологом Аркадием Савинецким
Из-за чего вымерли мамонты? И правда ли, что последнюю стеллерову корову убил Витус Беринг? А откуда...
19 апреля, 2023
Биолог Альберт Ризванов: «Трансляционная медицина – это достижение конкретного результата»
Традиционные методы лечения рака, такие как химиотерапия и лучевая терапия, могут быть эффектив...