Диссертация (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов), страница 2

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.Среди множества работ, посвященных экспериментальным, аналитическим и численнымисследованиям шума изолированного воздушного винта можно выделить работы: Л.Я. Гутина6[3,4], Е.А. Непомнящего [5-8], Гаррика и Уоткинса [9], Е.Я.

Юдина [10,11], Деминга [12],Лоусона [13], Хаббарда [14-16], Хеллера [17], Фарассата [18], Хансона [19-21], В.И. Ганабова иА.Г. Мунина [22-24], В.Ф. Самохина [25,26] и др. В аналитических работах рассматриваются, восновном, отдельные составляющие шума вращения: либо периодическая составляющая(гармоники шума вращения), либо вихревая составляющая с непрерывным по частотеэнергетическим спектром.Прогностические модели, где анализируется полное акустическое излучение (сгармоническимииширокополоснымиспектральнымисоставляющими),какправило,оперируют изолированным винтом, работающим в невозмущенной окружающей среде.

Припараметрических исследованиях шума винта (влияния на интенсивность шума числа лопастей,формы лопасти, диаметра и кинематики винта) не всегда обращается внимание на условиясравнения винтов между собой (условие поддержания постоянной тяги или окружной скоростии т.п.), что приводит в конечном итоге к некорректным выводам.Вместе с тем в реальных винтомоторных силовых установках воздушный винт, взависимости от конкретной компоновки (тянущая или толкающая), работает в условияхтурбулентной атмосферы и при взаимодействии лопастей с турбулентными следами,образующимися за элементами конструкции, расположенными выше по потоку относительнодиска винта.

Взаимодействие лопастей винта с турбулентностью приводит к возникновению удействующейналопастьаэродинамическойнагрузкинестационарнойсоставляющей,оказывающей существенное влияние на энергетические и спектральные характеристикиакустического излучения.Таким образом, дальнейшими шагами в исследованиях шума воздушного винта для ЛВСявляются изучение влияния турбулентных следов за элементами конструкции планера самолетана интенсивность и спектральный состав акустического излучения винта в толкающейкомпоновке, а также параметрические исследования акустических характеристик винта.В современной литературе значительное внимание уделяется проблеме шума поршневыхдвигателей наземного применения и в значительно меньшей степени опубликованы данные поакустике авиационных поршневых двигателей.

Шумом поршневых двигателей наземногоприменения в разные годы занималось значительное количество ученых, среди которых можновыделить: В.И. Зинченко [27], М. Хекла [28], Л.И. Инзеля [29], И.В. Алексеева [30], В.Н.Луканина [31-33], В.Е. Тольского [34,35], В.В. Тупова [36], Д.

Д. Дэвиса [37], П.О.А.Л. Дэвиса[38-40] и многих других.Установленыосновныеисточникишумапоршневогодвигателя,определеныэнергетические и интегральные характеристики акустического излучения. В меньшей степениизвестно о направленности излучения различных типов двигателей. И фактически не7представлено информации об акустических характеристиках различных типов авиационныхдвигателей. Вместе с тем, требования, предъявляемые к авиационным поршневым двигателям,существенным образом влияют на их рабочие характеристики и, как следствие, на шумовыехарактеристики СУ.

Также в литературе не представлено информации о роли авиационныхдвигателей в суммарном шуме винтомоторных СУ.Таким образом, дальнейшими шагами в исследованиях шума двигателя могут бытьполучение пространственно-временных характеристик акустического поля авиационногопоршневого двигателя, изучение различных факторов, влияющих на их роль в суммарном шумеСУ. И разработка метода расчетной оценки акустических характеристик типовых авиационныхдвигателей.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 [41,42] ипозднее в связи с разработкой в авиации технологии «Стелс».

В виду взаимосвязи проблемыаудио заметности с ЛА специального назначения результаты исследований по данномунаправлению практически не публикуются. Исследования в области аудио заметности БПЛАначали проводиться в ЦАГИ с 2003 года и в МАИ в рамках данной диссертационной работы с2012 года.Для решения задач, связанных с проблемой акустической заметности, необходимо впервую очередь проведение исследований по следующим направлениям:выполнение экспериментальных исследований, направленных на формирование базыданных о спектральных и интегральных характеристиках природного акустического фона вприземном слое атмосферы;установление критериев аудио заметности ЛА;разработка методики оценки границ зоны аудио заметности реальных ЛА в условияхэксплуатации.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;8спектральные и интегральные характеристикиприродного 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 зоны аудиозаметности беспилотных летательных аппаратов с винтовыми движителями.Основными задачами работы являются:•Экспериментальное исследование источников шума ЛВС: исследование энергетических,пространственных и спектральных характеристик суммарного акустического излучениявинтомоторной силовой установки ЛВС и отдельных его составляющих; установлениесоотношения между мощностью акустического излучения поршневого двигателя ЛВС исуммарной мощностью акустического излучения силовой установки.•Изучение влияния турбулентных следов за элементами конструкции планера самолета наинтенсивность 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 характеристики СУЛВС и БПЛА. Показано влияние числа Рейнольдса на интенсивность широкополосного(вихревого) шума воздушного винта. Установлены методы снижения шума на местности ЛВС иБПЛА. Установлены энергетические и спектральные характеристики природного фона и ихзависимость от параметров приземного пограничного слоя. Экспериментально установленкритерий акустической заметности ЛА (в единицах дБА). Разработана методика расчета границакустической заметности ЛА с винтовыми движителями.9Теоретическая 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,изложеннымивТехническомруководствеИКАО[43]поокружающейсреде,регламентирующем использование методик при сертификации воздушных судов по шуму.