Автореферат (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыПроблема прогнозирования и снижения шума на местности легких винтовых самолетов(ЛВС) возникла в связи с установлением национальных и международных стандартов напредельно-допустимые уровни шума таких самолетов на местности и вследствие широкогоиспользования малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (ЛА) с винтомоторнойсиловой установкой для решения задач специального назначения.В настоящее время роль беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в действияхвоенной авиации значительно расширяется. Наибольшее распространение БПЛА получилипри решении задач военной разведки.

Высокая эффективность таких аппаратов ставит вопрособ использовании беспилотных ЛА и в других областях применения военной авиации, вчастности, ведения воздушного боя и проведении ударных операций.Вместе с тем эффективность современного БПЛА с различными видами движителей,выполняющего полеты в широком диапазоне скоростей и высот, в значительной мере зависитот степени его заметности: акустической, оптической, радиолокационной и тепловой.Комплекс методов, направленных на уменьшение заметности летательных аппаратов вразличных областях спектра излучения, образует технологию «Стелс», которая постоянноразвивается на протяжении уже нескольких десятилетий. Сегодня применение технологии«стелс» предусматривается во всех американских и европейских программах создания новыхвоенных самолетов.Другой аспект актуальности проблемы шума ЛВС заключается в необходимостисниженияинтенсивностишумаавиационногопроисхождения,воздействующегонагражданское население.

Уровень шума самолета на местности является одним из наиболееважных параметров, во многом определяющим конкурентоспособность современнойгражданской авиационной техники. Наличие в российских, американских и европейскихАвиационных правилах (АП-36, FAR 36, СS 36) нормативных ограничений на предельнодопустимые уровни шума самолетов легкой весовой категории на местности делаетвыполнение этих требований обязательным условием для получения Сертификата типа насамолет.

В России предельно-допустимые уровни шума легких винтовых самолетов наместности регламентируются Авиационными Правилами РФ (Часть АП-36) и стандартомИКАО (Приложение 16, Том 1).Степень разработанности темы исследованияРешение проблем снижения уровней шума на местности легких самолетов свинтомоторной силовой установкой и уменьшения степени акустической заметности БПЛА свинтовым движителем предполагает наличие соответствующих методов прогнозирования4акустических характеристик ЛВС, критериев и методов оценки степени аудио заметностиБПЛА.В проблеме прогнозирования шума, генерируемого винтомоторными СУ, вопросамотдельно шума воздушного винта и двигателя внутреннего сгорания (ДВС) посвященозначительное количество исследований, выполненных в нашей стране и за рубежом, но,несмотря на давнюю историю изучения этих явлений, многие аспекты механизмов генерациишума являются неясными до сих пор.

В настоящее время в литературе практически нетсведений об акустических характеристиках авиационных поршневых СУ в целом. Существуетмножество работ по акустике поршневых двигателей наземного применения и по акустикемодельных и натурных изолированных винтов.Широкое распространение в последние годы малоразмерных БПЛА привело кдальнейшему развитию аэродинамических компоновок СУ и, как следствие, к появлениюдополнительных механизмов генерации шума, в частности, это винтокольцевые движители втолкающей компоновке, работающие в турбулентном следе от элементов планера.В современной научной литературе, посвященной исследованиям шума ЛВС наместности, в качестве источника шума обычно рассматривается изолированный воздушныйвинт, работающий в невозмущенной среде.

При этом не реализуется комплексный подход кшуму силовой установки самолета в целом как к суперпозиции акустических полей,формируемых излучениями воздушного винта и поршневого двигателя.Проблема акустической заметности БПЛА и, как следствие, выбора критериевзаметности и разработка метода прогнозирования координат границ зоны аудио заметностиБПЛА при различных условиях эксплуатации является достаточно новой для отечественнойавиационной науки.Известно, что на проблему заметности ЛА, в том числе и акустической заметности, зарубежом стали обращать серьезное внимание еще в 70-х и 80-х годах прошлого века и позднеев связи с разработкой в авиации технологии «Стелс».

В виду взаимосвязи проблемы аудиозаметности с ЛА специального назначения результаты исследований по данному направлениюпрактически не публикуются. Исследования в области аудио заметности БПЛА началипроводиться в ЦАГИ с 2003 года и в МАИ в рамках данной диссертационной работы с 2012года.Объектом исследования являются:энергетические, пространственные и спектральные характеристики акустических полейвинтомоторных силовых установок ЛВС и БПЛА в полетных и в статических условиях.Воздушные винты рассматриваемых ЛА работают на режиме автомодельности (Re>106),взлетная масса исследуемых ЛА составляет от 130 до 5500 кг;5спектральные и интегральные характеристики природного акустического фона длязаданной природно-климатической зоны;критерий аудио заметности ЛА с винтомоторной силовой установкой на режимекрейсерского полета.Цели и задачи работыЦелями работы являются: разработка методов прогнозирования и снижения шума наместности легких винтовых самолетов и метода прогнозирования координат границ зоныаудио заметности беспилотных летательных аппаратов с винтовыми движителями.Основными задачами работы являются:•ЭкспериментальноеисследованиеисточниковшумаЛВС:исследованиеэнергетических, пространственных и спектральных характеристик суммарного акустическогоизлучения винтомоторной силовой установки ЛВС и отдельных его составляющих;установление соотношения между мощностью акустического излучения поршневогодвигателя ЛВС и суммарной мощностью акустического излучения силовой установки.•Изучение влияния турбулентных следов за элементами конструкции планера самолетана интенсивность и спектральный состав акустического излучения винта в толкающейкомпоновке.•Экспериментальное исследование природного акустического фона.

Формирование базыданных о спектральных и интегральных характеристиках природного акустического фона вприземном слое атмосферы для заданной природно-климатической зоны.•Экспериментальное исследование по определению критерия аудио заметности ЛА свинтомоторной силовой установкой.•Разработка метода прогнозирования границ области неслышимости БПЛА.•Разработка методов снижения шума и заметности ЛВС и БПЛА.Научная новизнаНаучная новизна состоит в реализации комплексного подхода к исследованию шумаЛВС на местности.

На основании выполненных экспериментальных исследований определеныосновные закономерности генерации шума и роль различных источников излучения всуммарном шуме винтомоторных СУ. Получены обобщенные акустические характеристикиСУ ЛВС и БПЛА. Показано влияние числа Рейнольдса на интенсивность широкополосного(вихревого) шума воздушного винта. Установлены методы снижения шума на местности ЛВСи БПЛА. Установлены энергетические и спектральные характеристики природного фона и ихзависимость от параметров приземного пограничного слоя.

Экспериментально установленкритерий акустической заметности ЛА (в единицах дБА). Разработана методика расчетаграниц акустической заметности ЛА с винтовыми движителями.6Теоретическая и практическая значимость работыВ диссертации акустическое поле самолета рассматривается как суперпозицияакустических полей, формируемых излучениями воздушного винта и поршневого двигателя.Установлена важная роль излучения от поршневого двигателя в общем шуме ЛВС свинтомоторной силовой установкой. На основании этого скорректирована традиционнаяструктура методики прогнозирования уровней шума ЛВС на местности.

Разработаны методыснижения шума ЛВС с винтомоторной силовой установкой.Экспериментально установлена зависимость интенсивности акустического излучениявихревого шума дозвукового воздушного винта от числа Рейнольдса. На основании этогоуточнена полуэмпирическая модель шума дозвукового винта в части зависимости мощностиширокополосной составляющей шума воздушного винта от числа Маха потока в концевомсечении лопасти, которая является составной частью метода прогнозирования границ областислышимости летательного аппарата с винтомоторной СУ.Экспериментально установлена для природного акустического фона в приземном слоеатмосферы зависимость суммарного уровня звукового давления от характера подстилающейповерхности и от скорости ветра.Экспериментально установлена связь между аудио заметностью ЛА с винтовымидвижителями и величиной взвешенного по шкале «А» стандартного шумомера суммарного поспектру уровня звукового давления.

Это позволило принять в качестве критерия аудиозаметности ЛА с винтомоторной силовой установкой заданное соотношение междусуммарными уровнями звукового давления в единицах дБА, соответствующими природномуакустическому фону в приземном слое атмосферы и излучению от ЛА.Предложен метод расчета координат границ области аудио заметности ЛА с винтовымидвижителями.Результаты работы позволяют создавать легкие ЛА с винтомоторной силовойустановкой с требуемым уровнем акустических характеристик.Установленные в результате экспериментальных исследований методы снижения шумаЛВС на местности нашли применение в Отраслевом специальном конструкторском бюроэкспериментального самолетостроения (ОСКБЭС) МАИ при разработке современныхмалошумных легкомоторных самолетов.Методология и методы исследованияИзмерения уровней шума ЛВС в статических и в полетных условиях выполнялись всоответствии с методиками проведения акустических испытаний авиационной техники,изложенными в Техническом руководстве ИКАО по окружающей среде, регламентирующемиспользование методик при сертификации воздушных судов по шуму.

Все измерения и7регистрацияакустическихданныхпроводилисьсиспользованиематтестованнойэлектроакустической аппаратуры, использующей аналоговые и цифровые методы.Спектральный анализ результатов измерений выполнялся в третьоктавных полосахчастот в диапазоне центральных частот 10-20000 Гц и узкополосных с шириной полосы 1,56Гц в диапазоне частот 0,1-10000 Гц.Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается тем, чтополученные в результате исследования данные не противоречат опубликованным работамдругих авторов.