המסתורין של רעש מנוע משובץ נפרם – מחקר חדש סולל את הדרך לשמים שקטים

חוקרים מאוניברסיטת בריסטול גילו את התעלומה מאחורי הרעש שמייצרים מטוסים עתידניים עם מנועים משובצים שנועדו לחסוך באנרגיה.

המחקר, שפורסם ב- כתב עת למכניקת נוזלים, חושף לראשונה כיצד נוצר ומתפשט רעש מהמנועים הללו, הידועים מבחינה טכנית בתור מאווררי צינורות בליעת שכבת גבול (BLI). מאווררי BLI דומים למנועים הגדולים המצויים במטוסים מודרניים אך משובצים חלקית בגוף המטוס במקום מתחת לכנפיים. כשהם בולעים אוויר הן מהחזית והן מפני השטח של שלדת האוויר, הם לא צריכים לעבוד כל כך קשה כדי להזיז את המטוס, ולכן הוא שורף פחות דלק.

המחקר, בהובלת פרוז אחמד מבית הספר להנדסת אווירונאוטיקה וחלל של בריסטול בפיקוחו של פרופסור מהדי אזרפייוואנד, השתמש במתקן מנהרת הרוח האווירית האווירית של האוניברסיטה הלאומית. הם הצליחו לזהות מקורות רעש ברורים שמקורם בצינור, מהמאוורר המסתובב והאוויר שזורם על פני השטח המעוגל של מסגרת האוויר.

הם גילו שדפוס הרעש משתנה בהתאם לכמות הדחף שמפיק המאוורר. כאשר המאוורר מייצר דחף גבוה, הם הבחינו בדפוס רעש דומה למה שרואים במאווררים ללא תעלות. אבל כאשר המאוורר מייצר פחות דחף, דפוס הרעש משתנה מכיוון שהצינור עצמו מתחיל להשמיע יותר רעש.

רעש בתעופה

ד"ר אחמד אמר: "המחקר שלנו מתייחס לנושא הדחוף הזה של רעש, המהווה מכשול עיקרי בהשגת אישורים, על ידי חשיפת הפיזיקה מאחורי הרעש שהקונפיגורציות הללו מייצרות. על ידי הבנת מנגנוני הרעש במאווררי תעלות BLI, יש לקוות שניתן לפתח קווים מנחים תעשייתיים למערכות הנעה שקטות יותר משולבות שלדת מטוסים בתפיסות עתידיות של מטוסים, ממטוסים קונבנציונליים בקנה מידה גדול ועד המראה ונחיתה חשמליות אנכיות בקנה מידה קטן. בתור eVTOL, מטוס."

פרויקטים כגון Bell X-22A, Embraer X, Airbus E-fan, Lilium Jet, Green Jet ו-Hybrid Air Vehicle מובילים את הדרך בפיתוח מערכות אלו עבור מטוסי הדור הבא. הם הופכים פופולריים יותר בשל התקדמות במנועים חשמליים רבי עוצמה.

ד"ר אחמד אמר: "אבל, יש תפס למאווררים עם צינורות מוטבעים – כמה הם רועשים או שקטים הם עדיין בגדר תעלומה, במיוחד כשהם בולעים זרימת אוויר מסביב למשטח המשקוף המעוגל.

"מחקרים קודמים על תצורות BLI התמקדו בעיקר במאווררים ללא תעלות, כאשר שכבת הגבול נוצרת על פני משטחים שטוחים של שלדת אוויר. עם זאת, קיים פער ידע בכל הנוגע למאווררים בעלי צינורות הבולעים אוויר סביב משטחי מסגרת אוויר מעוגלים, כפי שניתן לראות בפרויקטים כמו ONERA NOVA, נאס"א/MIT אורורה D8, ואיירבוס נאוטילוס.

"לכן, במחקר זה, בדקנו מקרוב את הגורמים השונים התורמים לרעש המופק על ידי מאווררי הצינור המשובצים המותקנים על משטחי שלד אוויר מעוקלים."

החוקרים תכננו מתקן בדיקה של BLI הכולל מאוורר חשמלי המותקן ליד קיר מעוקל, משכפל את ההגדרה של מנועים משובצים שנראו בעיצובים כמו קונספט המטוסים ONERA NOVA. הם אספו סוגים שונים של נתונים מהאסדה, כולל מדידות של תפוקת הדחף של המאוורר וכמות הרעש שנוצר. על ידי ניתוח המורכבות של מנגנוני אינטראקציה עם רעש בין מקורות שונים, מסגרת זו סייעה לחשוף את הפיזיקה הבסיסית של היכן מקור הרעש וכיצד הוא השתנה כאשר המאוורר פעל ברמות דחף שונות.

מסקנה והשפעה פוטנציאלית

ד"ר אחמד סיכם: "עם הדרישה הגוברת לחוויית טיסה נעימה עם מינימום השפעה סביבתית, יש צורך במטוסים שקטים יותר. למחקר זה יש יישומים פוטנציאליים בפיתוח אסטרטגיות להפחתת פליטת הרעש במגזר התעופה.

"יתר על כן, לחקירה המקיפה שלנו על פתיחת תרומות הרעש במאווררי צינורות BLI יש פוטנציאל לנווט פעילות מחקר משמעותית בתוך קהילת מכניקת הנוזלים. זה, בתורו, יכול לטפח הבנה עמוקה יותר וחקירה נוספת של תופעות אירואקוסטיקה אצל מאווררים עם צינורות החשופים למגוון רחב של זרימות סוערות נכנסות.

"המחקר שלנו שופך אור על האופן שבו רעש נוצר על ידי מאווררים משובצים עתידני, המורכבים על משטחי שלד אוויר מעוקלים, ומגלה שדפוסי הרעש משתנים עם רמות דחף המאוורר, ומציע תובנות חיוניות לעיצוב שקט יותר של הדור הבא של מטוסים."

מחקר זה, בחסות תוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי Horizon 2020 במסגרת ENODISE (Enabling optimized disruptive disruptive propulsion integration concepts) הסכם מענק מספר 860103 של פרויקט פרויקט, נערך בשיתוף פעולה עם ONERA – מעבדת התעופה והחלל הצרפתית, ומספר שותפים נוספים.