Nowoczesne technologie zmniejszają drgania i hałas w odrzutowych samolotach biznesowych
Źródłem drgań wyczuwalnych w samolocie są silniki pracujące z ogromną prędkością obrotową, a także siły aerodynamiczne działające na kadłub. Silnik jest również głównym źródłem hałasu. Prace nad nową generacją statków powietrznych koncentrują się wokół dwóch kluczowych wyzwań. „Po pierwsze należy zawsze starać się podnosić komfort pasażerów”, mówi Michael Loupis, koordynator finansowanego przez UE projektu TAVAC. „Po drugie, wraz z wprowadzaniem na rynek mocniejszych i bardziej wydajnych silników oraz nowych lżejszych płatowców zwiększa się intensywność drgań obu tych elementów, podczas gdy zdolność kadłuba do ich tłumienia spada, stanowiąc istotną przeszkodę na drodze do zwiększenia wydajności płatowca i silnika”.
Nowe techniki eliminacji drgań i hałasu
Partnerzy projektu opracowali aktywny system tłumienia drgań (ang. active vibration control system, AVCS), który wykorzystuje aktywne mocowania silnika do tłumienia jego drgań. Przeprowadzili symulacje wydajności operacyjnej systemu AVCS i zademonstrowali wirtualnie jego możliwości na przykładzie pełnowymiarowego statku powietrznego. Celem tych działań było znaczne zmniejszenie ciśnienia akustycznego kadłuba. Udało się osiągnąć, a nawet przekroczyć redukcję na poziomie 15 dB przy zastosowaniu minimalnej liczby siłowników. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie dostępnego na rynku siłownika piezoelektrycznego dla parametrów instalacyjnych konfiguracji mającej zapewnić zmniejszenie wibracji. „Zainstalowanie systemu AVCS miało niewielki wpływ na obecną sztywność montażu silnika, zaś jego praca odbywała się przy niemal znikomych wymaganiach dotyczących mocy”, mówi Loupis. Zespół projektu zaprojektował aktywny system tłumienia hałasu (ang. active noise cancelation system, ANCS) w celu zmniejszenia dyskomfortu powodowanego przez hałas w strefie dla pasażera. Został on zintegrowany z każdym fotelem pasażera, a w jego skład weszły głośniki, mikrofony i urządzenia do kontroli trybu lotu. W celu zapewnienia niezawodności, ale taż mając na celu uproszczenie etapu badań, badacze wdrożyli i przetestowali system ANCS w warunkach doświadczalnych w konfiguracji składającej się z dwóch trzyosobowych foteli pasażerskich ustawionych przodem do siebie wewnątrz makiety kabiny w oparciu o konwencjonalny algorytm. Zespół testował system ANCS dla różnych sygnałów hałasu. Wyniki pokazały, że zapewnia on obniżenie poziomu hałasu generowanego przez obroty silnika z dużą prędkością o przynajmniej 10 dB oraz możliwość całkowitego zmniejszenia hałasu o 15 dB w określonych warunkach. Co istotne, całkowita masa systemu ANCS, w tym kontrolera bezpośrednio programowalnej macierzy bramek, mikrofonów, głośników, wzmacniaczy i zasilania, nie przekracza 9 kg. Inżynierowie dopracowali również system AVCS w celu zmniejszenia drgań aerodynamicznych przenoszonych do strefy dla pasażera przez drzwi kadłuba. W przypadku siłowników dostępnych na rynku wymagana masa pomocnicza przewyższa określone ograniczenia wagowe na tyle, aby uniemożliwić redukcję. Dzieje się tak ponieważ sztywność siłownika nie pozwala na swobodne dostrojenie półaktywnego masowego tłumika drgań (SATMD) do wyznaczonego poziomu. Ponadto stos piezoelektryczny nie jest optymalny i w przypadku dostrojenia do niższych trybów jego wydajność spada poniżej wartości optymalnej. Jednak przy zwiększeniu masy pomocniczej możliwe jest uzyskanie redukcji o 6 dB. Jak wyjaśnia Loupis: „Siłownik wykonany na zamówienie jest bardziej wydajny, a poziomy zmniejszania hałasu większe z uwagi na fakt, że możemy dostrajać SATMD do trybu docelowego, wykorzystując masę pomocniczą w zakresie ograniczeń wagowych”.
Przewaga konkurencyjna dzięki lepszym osiągom i komfortowi pasażera
„Technologie kontroli akustyki, drgań i hałasu zaproponowane w ramach projektu TAVAC dają nadzieję na poprawę komfortu pasażerów, jakości powietrza w kabinie i poziomu świadczonych usług, a także zapewniają przewagę konkurencyjną nowym biznesowym i regionalnym statkom powietrznym”, podsumowuje Loupis. „Tego rodzaju rozwiązania znacząco poprawią osiągi samolotu i zwiększą oszczędność paliwa”. Projekt może istotnie wpłynąć na rozwój technologii stosowanych, których zadaniem jest poprawa osiągów statków powietrznych, co jest kluczowym priorytetem unijnego przedsięwzięcia „Czyste niebo” oraz strategii Flightpath 2050.
Słowa kluczowe
TAVAC, drgania, hałas, statek powietrzny, silnik, kadłub, AVCS, ANCS, SATMD
