Елисеев С. П.
Сегодня считается, что борьба с шумом в авиации занимает второе место по значимости вслед за обеспечением безопасности полетов. До появления летательных аппаратов (ЛА) с реактивными двигателями крупнейшие аэропорты принимали около десяти самолетов в сутки. С началом эры реактивной авиации это число увеличилось до нескольких сотен. Взлеты и посадки стали осуществляться практически ежеминутно. Пространство вблизи аэропортов наполнилось непрерывным гулом. Проблема усугубилась увеличением плотности населения, ростом числа аэропортов и приближением к ним городских застроек. Тогда-то и началась непримиримая борьба с авиационным шумом.
Сначала перед создателями первых пассажирских самолетов ставилась задача только по снижению уровня шума в кабине экипажа и пассажирском салоне. Чтобы его уменьшить внутри самолета стали применять звукоизолирующие и звукопоглощающие материалы, укладываемые между панелями салона и внешней обшивкой ЛА.
Диапазон слышимости звуков для человека находится в пределах от 0 до 120 дБ. Выше этого значения – болевой порог шума. При воздействии же на человека звука интенсивностью в 140 дБ (взлетающий самолет) может возникнуть контузия (см. шкалу уровней звука на рисунке). При 160 дБ возможны разрывы барабанной перепонки. Звук выше 194 дБ, принято относить к разряду ударных волн.
Главным источником и «виновником» чрезмерного авиационного шума был признан двигатель ЛА.
В 1960–1970 гг. удалось достаточно радикально уменьшить шум реактивных двигателей применением в них не одного контура, имевшегося в двигателях первых реактивных самолетов, а двух и даже более контуров (см. рисунок). Самым шумным агрегатом турбореактивного двигателя (ТРД) является компрессор. Число компрессоров в ТРД соответствует числу контуров. Режимы работы двигателя стали подбирать так, чтобы шумы от компрессоров компенсировали друг друга, а шумы газов, идущих по внешним контурам, экранировали шумы внутренних контуров.
Время шло, и в авиации появились более мощные ТРД, что снова привело к увеличению авиационных шумов выше допустимых пределов. В ответ на это в ряде стран власти запретили возводить вблизи аэродромов жилые дома. Авиаконструкторы тоже озаботились ростом авиа шумности и стали усовершенствовать силовые установки ЛА звукопоглощающими облицовками. Кроме того, они взялись за снижение шумов струи реактивных газов. Так появились гофрированные сопла со специальными насадками, а вслед за ними – специальные стержни, сетки и, наконец, была построена звукопоглощающая оболочка в виде перфорированных пластин вокруг горящего, гудящего и гремящего факела. В пространство между пластинами и жесткой стенкой поместили сотовые наполнители, а двигательные гондолы покрыли специальным составом. На некоторых типах самолетов даже стали устанавливать альтернативный источник шума, который поглощал звук, идущий от силовой установки, путем генерации акустических гармоник, компенсировавших вредные шумовые гармоники.
В настоящее время некоторые разработчики предлагают сократить шум выхлопа двигателя путем дополнения его конструкции системой прерывистого выхлопа, работающей при посадке, то есть работа двигателя принудительно то притухает, то снова вспыхивает. Это должно происходить с определенной частотой. Расчеты показали, что система прерывистой работы силовой установки дает при посадке «комфортный» уровень шума – только 63 децибела. Однако как быть при взлете? Ведь во взлетном режиме прерывистая работа двигателя совершенно недопустима.
Впрочем, все вышеперечисленные способы приводят не только к уменьшению шума, но и к снижению тяги двигателей и увеличению расхода топлива. Как следствие уменьшается экономичность авиа перевозок, что не может не беспокоить авиакомпании. Поэтому поиски оптимального решения проблемы снижения авиа шума заставили авиаконструкторов оставить «в покое» двигатели и обратить свое внимание на аэродинамику ЛА. Оказывается, соответствующее изменение взаимного положения частей планера самолета и силовых установок тоже приводит к уменьшению шума.
Так, если воздухозаборники двигателей самолета расположить выше фюзеляжа и крыльев, то самолет гораздо меньше будет шуметь для людей, находящихся на земле. Звук при такой конструкции ЛА уходит в основном вверх, отражаясь от его корпуса.
Исследования также показали, что более обтекаемая форма самолета меньше шумит. Требование хорошей обтекаемости привело конструкторов к идее об исключении резких переходов от крыла к фюзеляжу, то есть крыло надо плавно соединить (интегрировать) с фюзеляжем. Такая интегральная схема самолета была реализована впервые в мире еще в 1970-х годах на истребителе Су-27, и к ней давно нет предвзятого отношения. Она дала и увеличение подъемной силы, и снижение шума. Но если сделать сплошное и совершенно гладкое крыло, компенсирует ли его подъемная сила отсутствие механизации крыла (закрылков, предкрылков и других поворотных элементов)? Оппоненты борцов с шумом продолжают сопротивляться таким радикальным предложениям. Им трудно представить себе крыло самолета без закрылков, которые, отклоняясь, создают дополнительную подъемную силу, что крайне необходимо при взлетах и посадках.
Считается, что имеет перспективы в аспекте малошумности и схема ЛА типа «бесхвостка». Она частично была реализована в сверхзвуковых лайнерах: отечественном Ту-144 и в англо-французском «Конкорде», однако и тот и другой самолеты так сильно шумели своими двигателями, что отсутствие горизонтального оперения хвоста фактически не снижало шумность. Она-то и стала одной из главных причин снятия первых сверхзвуковых пассажирских самолетов с эксплуатации. Тем не менее сейчас их снова проектируют. Делаются попытки совместить противоречия. Так, длинные крылья улучшают аэродинамику на низких скоростях, но они не позволяют преодолеть звуковой барьер. Двигатели с большим поперечным сечением позволяют уменьшить шум, но они же повышают сопротивление и расход топлива. Для минимального звукового удара на земле носовая часть фюзеляжа должна быть затуплена, но это приводит к росту сопротивления и опять же увеличению расхода горючего.
В связи с проблемой шумности нельзя не упомянуть, что в перспективе считается возможным снизить ее еще и за счет применения серповидного крыла и исключения из конструкции вертикального оперения. На рисунке изображена версия такого самолета, напоминающая по форме летучую мышь. В ней вертикальное оперение обозначено изогнутыми концами крыльев.
В конструкциях сверхзвуковых самолетов-истребителей пятого поколения тоже заложена идея мало шумности, как элемента невидимости. Борьба с шумностью на этих истребителях сводится в первую очередь к сглаживанию скачка уплотнения – постоянного спутника сверхзвука. Причина возникновения скачка у супер истребителей та же, что и у других быстро движущихся тел – акустические волны или микроскопические уплотнения воздуха, распространяющиеся со скоростью звука. Пока тело летит с дозвуковой скоростью, звуковые уплотнения воздушной среды обгоняют его и рассеиваются. В момент достижения сверхзвуковой скорости все уплотнения сливаются в один фронт – в скачок уплотнения, а в момент перехода звукового барьера возникает взрывной грохот и ударная волна.
Исследования показали, что конус скачка можно сделать пологим, а значит и менее громким. Для этого надо соответствующим образом настроить «музыкальный инструмент» (самолет) на воздушную среду. Именно она играет в данном случае роль концертного зала. Такие настройки будут осуществляться бортовыми компьютерами путем изменения конфигурации воздухозаборников, геометрии крыла и перестройки сопла. Скачок станет пологим, звук от сверхзвукового хлопка значительно уменьшится.
12 декабря 2020 года, № 23 (93)