Сверх звука, но без грохота

fan_project — 12.04.2023

Эффект разорвавшейся бомбы (хотя и беззвучной) произвела весть о новом изобретении. Американский аэродинамик Леонард Грин запатентовал конструкцию бесшумного сверхзвукового самолета. Когда можно ожидать появления самолетов-призраков?..

Шум давит шум? Одна из причин, почему до сих пор не получили широкого распространения сверхзвуковые пассажирские авиалайнеры – производимый ими гром среди ясного неба. Сверхзвуковому «Конкорду» было разрешено проявлять свою прыть лишь над пустынными районами Атлантики. Иначе создаваемая им даже на 20-километровой высоте ударная волна могла оказаться настолько интенсивной, что у людей на земле полопались бы барабанные перепонки, а из окон повылетали стекла.

Новый же лайнер, не создавая подобного грохота, будет способен за 90 минут перекрыть всю территорию США со скоростью 3М, то есть втрое превышающей быстроту распространения звука в воздухе. «Такие самолеты, – говорит Грин, – быстро вытеснят обычные авиалайнеры с дальних трасс, поскольку намного сократят продолжительность полетов». Однако хитрый изобретатель и словом не обмолвился в своем сообщении, каким же образом ему удалось справиться со своей задачей.

Первое, что приходит на ум, – Грину удалось как-то удалось справиться с шумом двигателей. Звоню приятелю в ЦИАМ – Центральный институт авиационного моторостроения. Когда-то, теперь уже лет двадцать с лишним тому назад, мы вместе принимали участие в испытаниях воздухозаборников для нашего «сверхзвуковика» Ту-144.

«Ну ты оптимист, – смеется в трубку приятель, ставший за прошедшие годы доктором наук. – Ничего принципиально нового за прошедшие годы так и не придумали. Если не считать, конечно, системы активного шумоподавления. Но и она еще не вышла за пределы лаборатории. Ни у них, ни у нас»…

Если все осталось по-прежнему, значит, шум авиационных реактивных двигателей уменьшают прежде всего за счет их многоконтурности. «Хотя рев самых больших из них не превышает 100 децибеллов, – отмечалось в свое время, – по удельной мощности они почти вдвое превышают обычные одноконтурные».

А происходит так вот почему. Вместо одного компрессора – самого шумного агрегата – в двигателе теперь ставят несколько. Причем режимы их работы подбирают так, чтобы шумы от механизмов в какой-то мере компенсировали, а не усиливали друг друга. Оказывается, может быть в технике и такое – шум давит шум. Именно на такую, активную систему шумоподавления и намекал мой приятель.

Суть ее работы, так сказать, в чистом виде можно объяснить следующим образом. На выходе работающего и, соответственно, шумящего агрегата ставят микрофон. Записанные им шумы подвергают специальной обработке. Весь спектр разлагается на синусоидальные составляющие, каждая из которых затем сдвигается с таким расчетом. чтобы при наложении на составляющие исходного шума «горб» каждой налагаемой кривой оказывался на месте «провала» исходной. Согласно законам физики при этом должна происходит интерференция акустических волн и их взаимное погашение.

Так гласит теория. Однако на практике достаточно чуть не угадать с наложением, и шумы, вместо того чтобы погасить друг друга, лишь усилят общую какофонию. До сих пор никому не удалось разработать столь точно и быстро действующие анализаторы, которые были бы способны производить точное наложение синусоидальных составляющих друг на друга. Так что даже частичное подавление шумов взаимным влиянием уже можно считать достижением.

В основном же авиационным конструкторам приходится пока обходиться традиционными средствами шумоглушения. Они ставят на диффузоре и сопле двигателя глушители, используют шумо– и вибропоглощающие прокладки и покрытия моторных гондол… Однако за это приходится расплачиваться суммарным уменьшением тяги. Так что если даже предположить, будто Леонарду Грину действительно удалось сконструировать глушитель, на 100 %; снимающий шум, это всего лишь означало бы, что и тяга такого двигателя равна практически нулю! А кому он такой нужен?..

Нет, разгадку «фокуса» надо, наверное, искать в другом месте. Грин ведь аэродинамик…

Подсказка аэродинамиков. В МАИ, на кафедре аэродинамики летательных аппаратов, начальник одной из лабораторий кафедры, кандидат технических наук Г.Ф.Чернов и его коллеги к моему сообщению отнеслись с интересом. «Ну что же, давайте попробуем прикинуть, в чем заключается “изюминка” гриновского изобретения»…

И дальше я еле поспевал записывать высказываемые предположения. Суммируя их смысл, можно сказать следующее. Бесшумный авиалайнер для аэродинамиков – не новость. Теоретики давно уж показали принципиальную возможность его существования. Для этого надо «всего лишь» сгладить скачок уплотнения, не дать ему оторваться от корпуса самолета.

Физическая картина, в описании которой, кроме одного из основоположников аэродинамики Чаплыгина, приняли участие и другие видные наши ученые – Христианович, Дойцянский, Струминский и др. – в конце концов вырисовалась такая.

Всякое быстролетящее тело испускает звук. Свистят пули и снаряды, свистит камень, выпущенный из пращи, да и лоза при резком взмахе ею… Причина тому – акустические волны или микроскопические уплотнения воздуха, которые производит быстродвижущееся тело. В своем устремлении вперед оно как бы расталкивает молекулы воздуха, и те неохотно поддаются, расходясь в стороны, подобно «усам» от быстро идущей по воде лодки.

Всякое акустическое уплотнение распространяется в атмосфере со скоростью звука. И пока тело летит с дозвуковой скоростью, вызываемое им возмущения воздушной среды обгоняют его, постепенно рассеиваясь в атмосфере. Но вот скорость объекта повысилась, он догнал звук. В этот момент все мелкие уплотнения сливаются воедино, в монолитный фронт – они уж не успевают убежать от источника возмущения и рассеяться. Такой фронт (стена сдавленного воздуха) и получил название скачка уплотнения.

Всякая попытка пробить эту стену, перескочить звуковой барьер, как правило, сопровождается жутким грохотом. Ударная волна обрушивается на землю с такой силой, что при преодолении самолетом звукового барьера на низкой высоте с домов сносит крыши, а людей сшибает с ног. При дальнейшем увеличении скорости самолет обгоняет звук и может промчаться над головой подобно беззвучному привидению. Но это всего лишь значит, что гром обрушится на вас несколькими мгновениями позднее.

И все-таки ударную волну, в принципе, можно укротить, сказали мне специалисты. Для этого надо подобрать самолету такие аэродинамические формы, чтобы он протыкал звуковой барьер с такой же легкостью, с какой иголка проходит сквозь тонкую ткань.

Причем портняжная аналогия тут более глубока, чем может показаться на первый взгляд. Обратите внимание: многие сверхзвуковые самолеты имеют игольчатые носы и острые кромки оттянутых назад крыльев. Так им легче «протыкать» звуковой барьер. Но опытная швея знает: на шитье определенной ткани швейную машину нужно настраивать – иначе будет мука, а не работа. «Настроить» на определенный режим полета самолет сложнее (ведь у него кроме крыльев, фюзеляжа есть еще киль, воздухозаборники и множество других выступающих частей), но все-таки возможно. При этом звуковой конус становится пологим, скачок уплотнения не будет таким резким, а значит, и громким…

Однако акустика – вещь тонкая. Скажем, скрипач перед каждым выступлением вынужден заново настраивать свой инструмент, приспосабливая его, кроме всего прочего, и к характеристикам данного зала, к конкретным атмосферным условиям. А как «настроить» самолет? Изменяемая геометрия крыла, перестраиваемые воздухозаборники и регулируемые сопла, – лишь часть решения проблемы… Сочетание акустики с аэродинамикой, по мнению моих собеседников, настолько капризно, что Леонард Грин мог добиться беззвучности, точнее, малошумности, лишь при каком-то, строго определенном режиме полета. И то, насколько удачно его решение, покажет не сам факт выдачи патента, а конкретная конструкторская практика.

Она же такова. Специалисты корпорации Loched Martin с начала нынешнего столетия занимаются проработкой перспективного 12-местного реактивного самолета QSST (Quiet Supersonic Transport), который сможет развить скорость до 1900 км/ч. Причем, летая со сверхзвуковой скоростью на высоте 14–17 км на расстояния до 7400 км, самолет этот будет необычайно тихим. Во всяком случае, по расчетам, шум, производимый им при преодолении звукового барьера, составит всего лишь 1 % от того грохота, который некогда производил «Конкорд».

Как пояснил куратор программы Курт Хартман, добиться этого удалось с помощью особой аэродинамики летательного аппарата. Она рассчитана таким образом, чтобы контролировать давление, создаваемое при преодолении сопротивления воздуха на сверхзвуковых скоростях и размещать возмущение воздуха вдоль всей длины фюзеляжа. Кроме того, подъемная сила будет распределена по нескольким плоскостям. Ведь наряду с основными крыльями QSST оснастят дополнительными плоскостями в носовой и хвостовой частях фюзеляжа. Вдобавок ко всему перевернутое V-образное хвостовое оперение позволяет повысить эффективность управления самолетом на сверхзвуковых скоростях, а отнесенные поближе к задней части самолета двигатели практически не слышны в салоне.

Предполагается, что первые лайнеры такого типа стоимостью около 80 млн долларов каждый, появятся в небе к 2014 году.

«100 великих достижений в мире техники», Станислав Николаевич Зигуненко, 2008г.

Оставить комментарий

Популярные посты:

iriki

Любовь и смерть всегда вдвоём...

maysuryan

Как соотносятся социализм и борьба за независимость?

leviossa

"Мастер и Маргарита" (М.Локшин, 2023). Про голову и буквы

tarasesakov

Закон и понятия - буква и обычай

hippy_end

"Израиль... взвинтил ставки, перейдя ту черту, которую обе стороны много лет

evizvarina

вешние воды

augean_stables

Две новости

id77

Анекдоты.

• Ранее
• Архив