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王元元

2018-09-03 | 聚焦

波音-NASA新型短舱声衬设计超出预期

据美国《航空周刊》网站2018年8月28日刊文,]随着飞机、发动机制造商全力以赴应对人们对更静音飞机需求的持续增长,波音和NASA已经测试了改进的发动机短舱声衬,新的声衬可以提供更低的噪声和阻力。

波音8月早些时候利用第二架737MAX-7原型机完成了新型短舱的飞行测试,虽然目前试验结果还未完全分析出来,但已经可以看出新型短舱的气动和声学特性好于预期。这项技术不仅能够适用于现有的类似737的客机,也有助于目前处于未来飞机(例如波音新中型)开发早期阶段的下一代短进气道发动机。

对737MAX-7低空飞越时标准Leap-1B发动机(右侧)慢车状态下噪声的测量

更短的进气道预计可以降低大涵道比发动机的重量和阻力,但是相对小的进气口表面积更难布置吸声装置。新的低阻声衬设计(LDAL)可以抵消这种不足,同时尽量减小在所有现代商用涡扇发动机中使用的专用降噪声衬的不可避免的阻力。

过去7年,在NASA先进航空运输技术(AATT)计划下研究了多项降噪技术,多自由度声衬是其中之一。这种声衬经过AATT下飞机噪声降低子项目的评估,预计到2020年代中期可以降低累计噪声裕度至第4阶段标准以下52dB。其他的降噪概念包括静音缝翼、静音襟翼、静音旋翼和风扇声套等措施。

NASA兰利研究中心负责声衬项目的领导迈克尔·琼斯表示,“我们一开始开发了两种声衬。第一种是试图通过增加吸收频率的带宽;第二种是降低由声衬带来的阻力增量,这种阻力增加是由于空气从声衬孔喷射以及进气口和外涵道的粗糙表面引起的。”

NASA针对多自由度声衬概念研究了蜂窝结构的吸声作用,琼斯解释说:“你可以通过不同的仔细设计改变蜂窝芯的位置和网格的声阻抗,从而实现对更宽频率噪声的吸收。”基于美国赫氏公司开发的概念,这种蜂窝结构声衬在兰利研究中心结构声学分部的声衬技术设施内进行了测试。

琼斯表示:“我们使用了多台测试设备,但最重要的是入射流阻抗管(grazing flow impedance tube,GFIT),我们用它评估不同设计方案的声学特性。”GFIT的试验段截面积为50.8×63.5毫米,能够在近大气环境、速度高达Ma0.6条件下测试长度超过600毫米的声衬,多个扬声器可以一起使用,产生150分贝的单音。

“蜂窝结构采用了酚醛树脂核心,布局形式还是传统的,但是内嵌了网格结构,”琼斯补充解释,“我们可以利用网格的布置位置改变直流阻抗(DC flow resistance)特性。”直流阻抗是流过样品的压力降低与偏流速度的比值,是“决定结构声学特性的驱动参数。”与此同时,研究人员对不同蜂窝结构的内部构型在不同风速和全频段条件下(400-3000赫兹)进行了相对阻力测量,琼斯表示:“那是我们关心的大部分频率范围。”声衬表面集成了长槽开孔(垂直于流向,不同于现在设计中的圆孔),研究人员在不同的风扇测试设置中对其进行了低阻布局测试。

随着新声衬技术成熟度等级的不断提高,波音的兴趣也随之提高。兰利中心的飞机噪声降低子项目经理汉密尔顿·费尔南德斯表示:“我们同波音3年前就开始合作,我们注意到他们不仅关注声衬对噪声降低的作用,同时也关注阻力的降低。所以我们决定探索一种双方合作进行飞行测试的可能性,最初是瞄准合作开展生态验证机研究。”然而,在2001和2005年,波音公司在一个名为“静音技术验证机”(QTD)的项目中聚焦推进系统噪音开展了一系列飞行测试,而如今又选择为新声衬重新启用这种方法。

费尔南德斯表示:“波音回来了,从对大型现代飞机产生更大影响的角度提供了更好的替代。他们建议在737MAX飞行测试平台上进行飞行试验。”

飞行测试活动累积了31个飞行小时,其中一半时间用于在华盛顿州摩西湖上空利用摩西湖跑道尽头的地面麦克风阵列搜集噪声数据。测试的737MAX飞机早上从波音西雅图机场起飞飞行到摩西湖上空,利用当地早上的无风条件进行测试。

测试中首先对现有基线生产型短舱进行测试以作为对比的基准,之后飞机返回西雅图将飞机右侧发动机短舱替换为NASA的新设计方案。发动机短舱入口的银色条带覆盖了整个声衬,使其失效。”在测试的最后阶段,这个条带将被移除。

图中发动机短舱唇口的银带覆盖了进气口的噪声传感器(见插图,新型低阻开槽面板)

风扇包容机匣也配置了硬壁声衬(hardwall liner)以“获得入口声衬效果的干净对比”,例如试着避免其他噪声源的“污染”,因此硬壁风扇包容机匣也被用在了所有三个主要构型上。

波音飞机产品开发、环境和噪声高级研究员贝鲁尔·西瓦·香卡拉说:“测试过程中,左侧发动机为正常使用功率,而另一个发动机处于慢车状态,所以基本的噪音水平很低。”“声学相控阵是一个超过830个麦克风的集合,它可以让我们精确地定位噪音从何而来。”由此,我们可以创建噪声地图(类似热图)它可以让我们把噪音从哪里来,以及短舱入口所做的贡献是什么分析出来。”

通过将生产型短舱进口作为测试的基础,香卡拉表示,这一方法“帮助我们理解NASA的多自由度声衬对未来的紧凑型短舱的好处。”有了这些紧凑的设计,你就会占用较小的面积,有利于增加单位面积的噪音减少。”

此外,研究证实,与现有生产型的声衬带来的阻力增加相比,LDAL的开槽声衬减少了30%的阻力。根据琼斯的说法,飞行测试还演示了新的声衬可以使用标准的生产和安全标准进行制造。

琼斯说:“在大约一个八度左右的范围内,我们期望每单位频率有高达大约0.5dB的窄带衰减,我们期望在起飞状态下,在相同的频率范围内获得高达1dB的衰减。”

然而,尽管承认详细的结果还有待证实,琼斯说,“早期的结果表明我们已经超出了预测,我们实际上看到的是0.5~1 EPNdB水平的降噪。”如果最终证明了这一点,那么结果对我们来说将是非常重要的,并带来巨大的希望。这也是因为NASA最终也希望将新的多自由度声衬应用到尾喷口的外涵道上。

考虑到这些积极的结果,NASA 负责AATT项目经理詹姆斯·海德曼说,LDAL“是一个很好的例子,说明我们试图将NASA的技术与波音公司合作。我们一直在寻找这些机会,这与NASA航空董事会越来越强调寻找那些对美国经济产生影响的事情的初衷是吻合的。”

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