Исследование аэродинамического шума и способов его снижения для крыла перспективного сверхзвукового гражданского самолета

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-41-00023

НазваниеИсследование аэродинамического шума и способов его снижения для крыла перспективного сверхзвукового гражданского самолета

Руководитель Копьев Виктор Феликсович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" , Московская обл

Конкурс №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-309 - Турбулентность и гидродинамическая устойчивость

Ключевые слова Аэроакустика, сверхзвуковой гражданский самолет, шум обтекания, механизация крыла, снижение шума

Код ГРНТИ30.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сверхзвуковой гражданский самолет (СГС) может стать альтернативным средством для быстрых авиаперелетов, особенно когда речь идет о межконтинентальных рейсах, поэтому его разработка привлекает большое внимание авиационной отрасли. Однако помимо удобства, которое СГС может принести нашему обществу, критическим вопросом становится его воздействие на окружающую среду, включающее в себя несколько проблем, таких как звуковой удар во время крейсерского полета и высокий уровень шума на местности на дозвуковом режиме во время взлета и посадки. Данный проект посвящен последней проблеме. Важность проблемы шума на местности проистекает из того факта, что будущий СГС, как ожидается, должен будет соответствовать действующим нормам по шуму для современных дозвуковых самолетов. Недавние достижения в исследовании снижения шума для сверхзвуковых самолетов позволяют сделать оптимистичный вывод о том, что шум двигателей СГС может быть снижен в достаточной степени, чтобы соответствовать этим нормам, что делает обязательным изучение других источников шума СГС, таких как шум планера. Механизированное крыло (HLD) СГС является важным источником шума планера, но, в отличие от случая дозвуковых самолетов, исследования этого источника шума для СГС крайне малочисленны. Как следствие, понимание шума HLD и других источники шума планера для СГС недостаточно, что затрудняет его моделирование и выработку подходов к снижению этого важного источника шума. Данный проект заполнит этот пробел путем изучения аэродинамического шума для крыла концепции СГС следующего поколения и разработки подходов для снижения этого шума. Прежде всего, будут тщательно исследованы механизмы генерации шума и эффект масштабирования с использованием как эксперимента, так и моделирования. В частности, в начале проекта будут проведены акустические испытания модели крыла СГС в аэроакустических трубах, в том числе маломасштабной АК-2 в ЦАГИ и крупномасштабной FL-17 в CARDC. Такие испытания ранее не выполнялись. Эксперименты будут проводиться для одной и той же геометрии модели крыла, но разных масштабов, и будут охватывать различные параметры, такие как скорость потока и углы атаки. Будут проведены как аэродинамические, так и акустические измерения, т.е. давление на поверхности, поле скорости, локализация и ранжирование источников шума и т. д. Одновременно будет выполнено аэроакустическое численное моделирование с использованием подхода LES/FW-H, при этом численное моделирование будет валидироваться данными экспериментов. Во-вторых, будет разработана полуэмпирическая модель для прогнозирования шума крыла СГС. Модель будет опираться на результаты теоретического исследования, с коэффициентами, подбираемых на основе данных эксперимента и моделирования. Наконец, будут экспериментально и численно исследованы методы снижения шума, такие как структурированные пористые задние кромки и законцовки боковых кромок, для уменьшения основных источников шума крыла СГС с применением оптимизационного подхода для максимизации эффектов снижения шума. Результаты и выводы этого проекта могут заложить прочную основу для снижения шума СГС и будут способствовать развитию самолетов нового поколения в Китае и России.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Беляев И.В. Копьев В.Ф., Миронов М.А. АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ НАД ПЛОСКОЙ ГЛАДКОЙ ГРАНИЦЕЙ Акустический журнал / Acoustical Physics, Акустический журнал, Т. 70(6), с.865-877 (год публикации - 2024)
10.31857/S0320791924060067

2. Ван Й., Вэн Ж., Жао Ж., Копьев В.Ф., Гао Д., Чен В. Progress in beamforming acoustic imaging based on phased microphone arrays: Algorithms and applications Measurement (Elsevier), Measurement, V.242, Part C, 116100 (год публикации - 2025)
10.1016/j.measurement.2024.116100

3. Ван Й., Суо К., Гуо П., Жао К., Копьев В.Ф. Experimental Investigation of Airfoil Instability Tonal Noise Reduction Using Structured Porous Trailing Edges Applied Sciences (MDPI), Applied Sciences, V. 14, 2992 (год публикации - 2024)
10.3390/app14072992

4. Зверев А.Я., Лазарев Л.А., Панкратов И.В. Звукоизоляция фюзеляжных самолетных конструкций с различным составом резонансных элементов Акустический журнал / Acoustical Physics, Т.71, №2, с.299-304 (год публикации - 2025)
10.31857/S0320791925020122

5. Копьев В.Ф., Казанский П.Н., Копьев В.А., Моралев И.А., Панкратов И.В. Активное управление шумом обтекания полости с помощью плазменного актуатора Акустический журнал / Acoustical Physics, Т.71, №3, с.430-437 (год публикации - 2025)
10.31857/S0320791925030104

6. Копьев В.Ф., Беляев И.В., Величко С.А. Computation of Variable Noise Reduction System Eﬃciency for Supersonic Civil Aircraft During Takeoﬀ MDPI, V.15, 1475 (год публикации - 2025)
10.3390/app15031475

7. Демьянов М.А., Копьев В.Ф., Юдин М.А. Корреляционная функция равновесных термоакустических флуктуаций в вязком теплопроводном газе Акустический журнал / Acoustical Physics, Т.71, №2, с.260-272 (год публикации - 2025)
10.31857/S0320791925020092

8. Денисов С.Л., Остриков Н.Н., Воронцов В.И. Приложение метода конечных элементов к проблеме исследования эффективности экранирования авиационных источников шума Акустический журнал / Acoustical Physics, Т.71, №4, с.554-574 (год публикации - 2025)
10.31857/S0320791925040068

9. Ван Й., Зуо К., Беляев И.В., Копьев В.Ф., Жао К. Experimental investigation of aerodynamic noise characteristics and noise reduction for the wing of supersonic civil aircraft Applied Acoustics, V.249, 111304 (год публикации - 2026)
10.1016/j.apacoust.2026.111304

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Рассматриваемая в проекте проблема измерения шума крыла СГС в настоящее время находится в центре внимания ИКАО, поскольку уровни шума такого самолета должны соответствовать определенным постоянно ужесточаемым требованиям. Для СГС эти требования сейчас разрабатываются и для принятия решения необходимы экспериментальные данные, которые в настоящий момент отсутствуют. Для посадочной точки шум современных самолетов определяется шумом обтекания планера. Поэтому проведенные измерения могут быть непосредственным ответом на вопрос о величине посадочного шума СГС. В ходе работ по второму этапу работ по проекту были получены следующие результаты: 1. Изготовлена маломасштабная модель крыла сверхзвукового гражданского самолета (СГС) для проведения испытаний в УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2 ЦАГИ», обеспечивающая возможность проведения аэроакустических измерений для 4 вариантов углов отклонения закрылка. Эта геометрия идентична той модели (за исключением масштаба), что изготавливалась китайским партнером по проекту для испытаний в своей заглушенной установке FL-17 CARDC. 2. Для изготовленной маломасштабной модели крыла СГС в АК-2 ЦАГИ проведены экспериментальные исследования шума обтекания крыла для различных углов отклонения закрылков, скоростей набегающего потока и углов атаки крыла, а также при наличии/ отсутствии турбулизатора на передней кромки крыла. Получены двумерные и трехмерные карты локализации источников шума обтекания крыла СГС с использованием микрофонных решеток, которые позволили определить боковые кромки закрылка и конец крыла как основные источники шума. Получено, что использование сглаженной кромки закрылка существенно снижает шум обтекания крыла. Стоит подчеркнуть, что результаты трехмерной локализации источников шума обтекания крыла СГС были получены впервые в мировой практике. 3. На основе полученных результатов экспериментальных исследований в УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2 ЦАГИ» для шума обтекания маломасштабной модели крыла СГС и результатов решения теоретической задачи о шуме турбулентного пограничного слоя, проведенного на первом этапе проекта, разработана полуэмпирическая модель шума обтекания крыла СГС. 4. Российские специалисты приняли участие в уникальных измерениях шума обтекания крупномасштабной модели крыла СГС с механизацией, которые прошли в большой заглушенной установке FL-17 CARDC (Китай). Получены уникальные экспериментальные данные по исследованию механизмов генерации шума обтекания для крупномасштабной модели крыла СГС для различных углов отклонения закрылков, скоростей набегающего потока и углов атаки крыла. Исследована эффективность существующих методов снижения шума обтекания крыла, таких как пористые кромки закрылка или законцовки боковой кромки закрылка. Стоит отметить, что результаты измерений шума обтекания крупномасштабной модели крыла СГС в заглушенных условиях были получены впервые в мировой практике.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Проведен анализ уникальных результатов измерений шума обтекания для крупномасштабной модели крыла СГС в большой заглушенной установке FL-17 CARDC (Китай). Были определены параметрические зависимости шума обтекания крыла СГС от различных характеристик конфигурации (угол отклонения закрылка, скорость набегающего потока, угол атаки крыла). 2) Проведено сравнение результатов, полученных в ходе анализа экспериментальных данных по шуму обтекания крупномасштабной модели крыла СГС в большой заглушенной установке FL-17 CARDC, с результатами экспериментальных исследований шума обтекания для маломасштабной модели крыла СГС в УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2 ЦАГИ». В классе такого типа моделей, разработан метод пересчета результатов испытаний для маломасштабной модели крыла СГС на большие масштабы. 3) Выполнено сравнение оценок шума обтекания для крупномасштабной модели крыла СГС с помощью существующих полуэмпирических моделей шума обтекания механизированного крыла, используемых для дозвуковых традиционных крыльев (модели Финка, Гуо и др). Было получено значительное (на 6-10 дБ) расхождение между предсказаниями этих моделей и экспериментальными данными. Была сформулирована уточненная полуэмпирическая модель для шума обтекания крыла СГС с учетом экспериментальных данных по шуму крупномасштабной модели крыла СГС. 4) Проведено сравнение рассмотренных модификаций боковой кромки закрылка (20 вариантов пористых кромок закрылка и 18 вариантов форм законцовок боковой кромки) с точки зрения снижения шума обтекания крыла при одновременном учете воздействия этих модификаций на аэродинамические характеристики крыла. Показано, что пористые кромки не оказывают влияния на шум обтекания, тогда как законцовки боковых кромок закрылка приводят к снижению шума на величину до 4 дБ. Полученные результаты являются уникальными в мировой практике в связи с отсутствием экспериментальных данных по шуму обтекания крыла СГС в заглушенных условиях и имеют большое значение для проведения оценок сертификационных уровней шума разрабатываемых перспективных СГС.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время в Российской Федерации ведутся активные работы по созданию отечественного сверхзвукового гражданского самолета (СГС) нового поколения. Вопрос шума СГС на местности при этом оказывается принципиальным, т.к. он во многом определяет облик СГС и его силовой установки. Как следствие, наличие надежных методов определения шума СГС, включая шум обтекания планера, на этапах проектирования СГС, является важным условием выбора его оптимальной конфигурации, обеспечивающей допустимый уровень шума СГС в сертификационных точках. В то время как существующие модели оценки шума двигателя СГС и шума шасси для определения сертификационных уровней шума СГС рассматриваются как достаточно надежные, модели оценки шума крыла (вообще говоря, разработанные и валидированные для дозвуковых самолетов) всегда вызывали сомнения в своей применимости для крыла СГС, имеющего принципиально отличную от дозвукового крыла форму. Проведенные в данном проекте исследования показали, что шум крыла СГС действительно отличается от предсказаний существующих полуэмпирических моделей. Разработанные в данном проекте модель пересчета результатов измерений шума маломасштабной модели крыла СГС на большие масштабы и модель оценки шума крыла СГС представляют собой на настоящий момент наиболее надежный метод определения шума крыла СГС для последующей оценки шума СГС в сертификационных точках. Таким образом, полученные результаты будут способствовать созданию отечественного СГС нового поколения, соответствующего сертификационным требованиям по шуму на местности.