Виктор Милешин,
начальник отделения ЦИАМ,
кандидат физико-математических наук.
Юрий Халецкий,
начальник сектора ЦИАМ,
кандидат технических наук.
Роллан Шипов,
главный научный сотрудник
ЦИАМ, доктор технических наук,
профессор
В предыдущем номере журнала «Авиапанорама» была опубликована статья сотрудников ЦАГИ под названием «Бесшумные самолеты: проблемы и суждения». Соглашаясь в целом с ее тональностью и позицией авторов, хотелось бы дополнить и уточнить некоторые моменты, чтобы адекватно охарактеризовать состояние проблемы авиационного шума и наиболее перспективные средства ее решения.

Бурлак Д-30КП-3
Достигнутый в последние десятилетия гигантский прогресс в снижении шумности мировой гражданской авиации фактически стал результатом прогресса в развитии основного типа маршевого двигателя – турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД). Снижение шумности ТРДД достигалось в основном увеличением степени двухконтурности двигателей и совершенствованием глушителей шума вентилятора, то есть облицовкой канала наружного контура ТРДД и его воздухозаборника звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). При этом рост степени двухконтурности изначально осуществлялся с целью повышения топливной экономичности ТРДД, снижение же шума двигателя получалось в качестве благоприятного побочного эффекта.
Дело в том, что увеличение степени двухконтурности сопровождается быстрым уменьшением скорости реактивной струи и связанным с ним снижением шума, иных эффективных средств снижения которого до сих пор не найдено, поскольку этот шум образуется уже вне двигателя – при смешении струи со спутным потоком воздуха. Одновременно с ростом степени двухконтурности несколько возрастает шум вентилятора вследствие увеличения его размера. Однако этот шум на пути его распространения к выходу из силовой установки удается поглотить с помощью ЗПК.
В свое время требования Главы 2 1972 г.) Стандарта ИКАО удалось обеспечить переходом от одноконтурных двигателей к ТРДД малой двухконтурности. Позже обеспечение требований Главы 3 (1977 г.) этого стандарта потребовало уже применения ТРДД с умеренной или большой двухконтурностью с облицовкой каналов однослойными ЗПК. Введение же Главы 4 (2006 г.) Стандарта ИКАО стало возможным, прежде всего, в связи с внедрением двухслойных широкополосных ЗПК.
Если ставить задачу приблизительно равномерного снижения шума в диапазоне частот от 1 кГц до 6,3 кГц, двухслойная облицовка решает ее лучше, несмотря на понижение эффективности в одной-двух третьоктавных полосах частот. Дело в том, что видимое преимущество однослойных ЗПК по максимальному поглощению в какой-то одной узкой полосе частот реально трудно использовать, поскольку общая шумность двигателя в основном определяется частотной полосой с максимальной шумностью, которая с изменением режима работы двигателя смещается по частоте. Двухслойная облицовка имеет более равномерный спектр поглощения и поэтому она более универсальна по отношению к различным режимам работы двигателя. Именно двухслойные ЗПК легли в основу нового глушителя шума вентилятора двигателя ПС-90А, разработанного совместно ОАО «Авиадвигатель», ЦИАМ и ЦАГИ (Рис. 1, 2).
Заметим, что совершенствование любой экологической характеристики (в том числе и авиационной техники) имеет разумный предел, определяемый естественным фоном этого параметра в окружающей среде. Применительно к авиационному шуму вблизи аэропортов можно сказать, что на заселенной территории снижение уровня шума авиационной техники ниже уличного шума бессмысленно. Поэтому на большом временном промежутке процесс снижения шумности воздушных судов должен представляться в виде некоторой кривой, асимптотически приближающейся к пределу, то есть к фоновому шуму. Естественно поэтому темп снижения шумности авиации должен постепенно снижаться, и уж во всяком случае – не возрастать. Приведенные в упомянутой выше статье «Бесшумные самолеты: проблемы и суждения» графики как раз полностью подтверждают эти соображения. Особенно хорошо это видно на третьей иллюстрации, где показано фактическое изменение по времени уровней шума сертифицируемых самолетов. Однако на втором рисунке этой статьи, где представлено изменение по времени норм по шуму, пунктиром представлен прогноз хода этой кривой в ближайшем будущем, причем этот пунктирный отрезок, сломав достаточно плавную линию реального снижения норм по шуму, устремляется вниз.
Внимательный читатель легко найдет объяснение этому неожиданному изменению тенденции, поскольку у пунктирного отрезка имеется надпись «Предложение NASA». По части гражданской авиации NASA, то есть Национальная аэрокосмическая администрация США, является по существу научно-исследовательской организацией. Декларируемые ею цели своих научных программ в последствии отнюдь не всегда совпадают с реальным развитием событий. Известен целый ряд программ NASA, в итоге которых поставленные цели были достигнуты не в полной мере. Постановка завышенных целей – хорошо известный прием активизации творчества исследователей.
Процесс роста степени двухконтурности ТРДД отечественной гражданской авиации в прошлые годы имел некоторые отличия от общемировых тенденций, главной из которых стало создание в 19603х годах ТРДД с умеренной двухконтурностью Д330КУ/КП, пришедших на смену ТРДД малой двухконтурности.
В авиации США и Западной Европы, хотя и несколько позже, был совершен переход сразу к ТРДД большой двухконтурности. Указанными обстоятельствами объясняется различие ситуаций, сложившихся к настоящему времени с проблемой шума в нашей и зарубежной авиации. Дело в том, что более ранний «рывок» по степени двухконтурности – с 1 до 2,3 – позволил нашим самолетам Ил-62М и Ту-154М соответствовать нормам Главы 3 Стандарта ИКАО по шуму, избежав при этом дорогостоящий процесс модернизации силовых установок воздушных судов старых типов, в который втянулась в 1970-е – 1980-е годы американская авиапромышленность. Однако недостаточность этого «рывка» сказывается ныне, требуя модернизации наших наиболее массовых самолетов, оборудованных двигателями с двухконтурностью 2,3, чтобы соответствовать уже новым нормам Главы 4.
Давно замечено, что один и тот же двигатель, будучи установленным на разные самолеты, обеспечивает им различное «акустическое качество». Например, два самолета Ту-154М и Ил-76 оборудованы двигателями фактически одной конструкции, однако первый относительно простыми средствами обеспечил требования Главы 3, тогда как второй так и «застрял» на Главе 2. Дело тут, по крайней мере, в двух обстоятельствах. Во-первых, на шум самолета оказывает влияние его компоновка. Так, при заднем расположении силовой установки (например, как у Ту-154М, Ил-62М и Як-42) удается использовать благоприятное экранирование распространяющегося к земле шума крыльями и фюзеляжем самолетов. Во-вторых, сильное влияние на шум воздушного судна оказывает величина его тяговооруженности. При этом, как ни странно, недостаток тяги двигателей всегда приводит не к снижению, а к росту шума самолета, поскольку самолет вынужденно эксплуатируется на повышенных режимах работы двигателей.
У последнего обстоятельства есть и вторая сторона. Поскольку разработка и доводка новых двигателей – весьма дорогостоящий процесс, в мировой практике на новых самолетах часто устанавливаются модификации уже существующих двигателей. При этом, чтобы избежать недостатка тяги, на новые воздушные суда ставятся двигатели требуемой тяги, а если таковых не находится, – двигатели повышенной тяги, то есть «переразмеренные» ТРДД. Чтобы убрать лишнюю тягу, ее просто снижают с помощью системы регулирования, как бы «назначая» взлетную тягу необходимого уровня. Оказывается, что самолеты с «переразмеренными» (то есть с более тяжелыми!) двигателями обладают, однако, заметными достоинствами, связанными с тем обстоятельством, что они эксплуатируются на пониженных режимах. При этом вместе с более высокими ресурсом и надежностью в ряду этих достоинств оказывается и пониженный уровень шума двигателя и самолета. Анализ показывает, что наиболее малошумные зарубежные самолеты либо оснащены именно такими «переразмеренными» ТРДД, либо являются двухдвигательными, высокая тяговооруженность которых вызвана требованиями безопасности, в частности, требованием обеспечения возможности полета на одном двигателе.
Фактически этот «прием» снижения шума давно используется отечественной авиапромышленностью.
Примером подобного рода являются самолеты Ил-62М и Ту-154М, снабженные конструктивно идентичными двигателями Д-30КУ и Д-30КУ-154. В конце 1970-х при разработке Ту-154М тяга двигателя Д-30КУ оказалась для него слишком большой и, чтобы «приспособить» его к этому самолету, взлетную тягу искусственно снизили до 10,5 т, то есть на полтонны! Модификацию двигателя Д-30КУ с пониженной взлетной тягой и назвали Д-30КУ-154.
История мировой авиации свидетельствует, что технические решения, позволяющие снизить авиационный шум, как правило, первоначально разрабатывались авиационной наукой. Принцип развития техники путем внедрения достижений науки в практику представляется естественным и даже тривиальным. К сожалению, история нашей авиации знает примеры пренебрежения мнением ученых. Обычно это приводило к достаточно неприятным последствиям, связанным с созданием техники, не отвечающей вызовам времени.
Так, в середине 19703х в ходе работы макетной комиссии самолета Ил-86, ученые-акустики ЦИАМ и ЦАГИ высказали свое особое мнение о невозможности удовлетворения этим самолетом с разрабатываемыми двигателями НК-86 требований Главы 3 Стандарта ИКАО. С того дня прошло более тридцати лет. Настало время придать этот факт огласке и признать, что, к сожалению, ученые оказались правы. И хотя сегодня (наука ведь не стоит на месте!) ученые уже могли бы предложить средства обеспечения этим, в целом достаточно удачным, самолетом требований Главы 3 Стандарта ИКАО по шуму путем модернизации его двигателей, но время упущено: вошла в действие Глава 4 этого стандарта.
Более внимательно прислушиваться к мнению ученых следует и при оценке роли и важности тех или иных международных событий, касающихся гражданской авиации. Так, специалисты ЦИАМ высказывали твердое убеждение в том, что угроза широкого введения европейских ограничений «Глава 3 минус 5 EPN дБ» является надуманной. Появление этой промежуточной европейской «нормы» объясняется просто необходимостью «сохранения лица» ЕС после поражения в конфликте с США по поводу попытки введения в Европе запрета на эксплуатацию модифицированных по шуму старых американских самолетов.
Время показало, что мировая авиапромышленность фактически не заметила этого «европейского демарша». Поэтому мы продолжаем выступать за доведение самолета Ту-154М сразу до требований Главы 4, что, по нашему мнению, можно обеспечить с помощью уже изготовленных в ОАО «Сатурн» опытных двигателей Д-30КУ-154 с новыми звукопоглощающими конструкциями. К сожалению, двигатели давно изготовлены, но уже третий год не удается найти самолет для проведения летных акустических испытаний!
Увы, ряд этих печальных фактов нашей давней и недавней истории можно было бы продолжить. Однако, учитывая уроки прошлого, наука всегда устремлена в будущее. Какие же задачи снижения шума ТРДД актуальны сегодня?
Нынешний этап решения проблемы снижения шума ТРДД характеризуется тем, что фактически выбраны все резервы применения очевидных и относительно простых средств. Набор таких приемов хорошо известен и используется практически на всех ТРДД гражданской авиации: применение вентилятора без входного направляющего аппарата с большим расстоянием между рабочим колесом (РК) и спрямляющим аппаратом (СА), выбор определенных значений чисел лопаток РК и СА, использование двухслойных ЗПК в наружном канале и воздухозаборнике. Поэтому нынешний этап снижения шума ТРДД можно определить как акустическую «зачистку» ТРДД, состоящую в тонкой взаимной настройке узлов двигателя, как единого акустического устройства.
В первую очередь для одновременного повышения КПД и снижения шума необходимо использовать резервы пространственного профилирования лопаток РК и СА вентилятора. То есть сам лопаточный аппарат вентилятора должен генерировать меньше шума! Исследования в этом направлении носят комплексный расчетно-экспериментальный характер. На этом пути работают ученые разных стран, в том числе достаточно успешные работы такого рода ведутся в ЦИАМ.
Если говорить о расчетном аспекте этих исследований, то речь идет о прямом математическом моделировании процессов генерации, распространения и излучения шума вентилятора с учетом реальной пространственной формы его лопаток, а также прочих элементов проточной части. Последние десятилетия отмечается большой прогресс в разработке методов прямого численного моделирования течений в вентиляторах ТРДД. При этом наибольшее развитие получили методы расчета стационарного течения газа в вентиляторе, что позволяет создавать аэродинамически более совершенные турбомашины. Однако не требует особого обоснования утверждение, что аэродинамическое совершенствование турбомашины способствует и снижению ее шума. В ЦИАМ был разработан ряд опытных рабочих колес вентиляторов ТРДД пониженной шумности. Эти лопаточные венцы отличаются сложным пространственным профилированием лопаток (Рис. 3)
В порядке же реализации решения собственно акустической проблемы в ЦИАМ разработали численный метод трехмерного расчета шума вентилятора, базирующийся на прямом численном решении нелинейных и линейных невязких трехмерных уравнений для возмущений с помощью численных методов вычислительной акустики. Метод успешно опробован при расчетах акустических характеристик ряда вентиляторов. В частности, он позволяет рассчитать поле пульсаций давления для основной составляющей шума, излучающейся через воздухозаборник (Рис.4). Видно, что поток акустической энергии преимущественно излучается в направлениях 50 – 60° к оси, что качественно согласуется с экспериментом.
Такие методы расчета уже сегодня позволяют детально разобраться в структуре акустического поля вентилятора, от которой зависит выбор средств снижения его шума.
Однако «проклятие» широкого диапазона частот, установленного стандартом ИКАО для измерения шума самолетов, делают прямую чисто расчетную акустическую сертификацию самолета в ближайшие годы нереальной. Поэтому одновременно интенсивно развиваются методы акустического моделирования вентиляторов ТРДД для экспериментальных исследований средств снижения их шума в специальных акустических камерах.
Недавно в ЦИАМ была создана акустическая камера с установленным в ней универсальным стендовым имитатором двигателя (УСИД), представляющим собой уменьшенную модель вентилятора ТРДД, помещенную в мотогондолу с воздухозаборником и соплом (рис. 5). Испытания таких имитаторов позволяют по сравнению с испытанием натурного ТРДД в несколько раз снизить стоимость исследования варианта конструкции лопаток вентилятора и варианта облицовки его каналов звукопоглощающими конструкциями. Стенд ЦИАМ позволяет испытывать вентиляторы и биротативной схемы, последние годы вновь оказавшимися в центре внимания мировой авиационной науки. Такой вентилятор имеет два рабочих колеса встречного вращения (Рис. 6).
В заключение напомним, что при создании новых авиадвигателей научно-исследовательская часть работ, определяя их оптимальный облик и высокое техническое качество, требует относительно небольшой доли общих затрат. Конкурировать с передовыми двигателестроительными фирмами мира можно только, опираясь на достижения современной науки, поскольку именно так действуют и они сами!

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (проголосуйте)
Загрузка...