Технология глушения звукового удара (Muffling Supersonic Tech. — MUST)
Преодолеть звуковой барьер и открыть двери для разработки сверхзвуковых экологически безопасных гражданских и транспортных самолетов нового поколения.
Краткое описание, цели и актуальность:
Цель: создание и разработка многоцелевого самолета для военных и гражданских целей. Особенностью данного самолета является то, что при сверхзвуковом полете громкость ударной волны будет снижена. Полет на сверхзвуковой скорости это как полет через грозовое облако, где гром и молния бьют одновременно, прям за вашим окном. Если сотни таких самолетов поднимутся в небо, можно легко понять какой дискомфорт это может принести жителям городов и поселков. Словно их накроет громом в солнечный день.
Звуковой удар:Задача состоит не в устранении ударной волны, а в разбиении большого звукового удара на серию мелких ударов, которые в создадут более тихий удар. Большая часть этого достигается за счет конструкции самолета с острым носом, который лучше распределяет ударную волну во время полета.Необходимо отметить, что проектирование форм «Конкорда» было таким, чтобы обеспечить минимальное лобовое сопротивление, а не минимальное волновое возмущение. При движении воздуха вдоль самолета от заостренного носа до хвоста необходимо «отодвинуть» больше молекул с пути полета. Наибольшее сопротивление создается при попадании этих молекул в двигательную установку, где наибольшая вероятность создания звукового удара. Поскольку ударные волны перемещаются в трех измерениях, необходимо использовать комбинацию гашения и перенаправления волны, с целью сделать аппарат «тише».
Выбросы:Сверхзвуковые самолеты необязательно выделяют больше продуктов сгорания, чем дозвуковые самолеты. Основной проблемой сверхзвуковых самолетов является то, что они летают высоко и выбрасывают такое же количество продуктов сгорания выше в озоновый слой. Крейсерская скорость самолета в данном проекте принимается равной М=1,8, что ниже, чем скорость «Конкорда». Для большой скорости требуется большая высота полета, следовательно, снижение скорости позволяет уменьшить интенсивность звукового удара.
Взлет и посадка:Сверхзвуковые самолеты создают шум не только в полете, но и при взлете и посадке, из-за двигателей с большой скоростью струи продуктов сгорания. Двигатели самолетов развивались от относительно неэффективных одноконтурных турбореактивных двигателей к двухконтурным турбореактивным (турбовентиляторным) двигателям, которые являются более экономичными, сжигая меньшее количество топлива, следовательно, становясь более тихими. Но сверхзвуковые пассажирские самолеты требуют большие значения тяги для выхода на крейсерскую скорость, поэтому их двигатели громче и вызывают большой дискомфорт для жителей рядом с аэропортом, которые часто имеют дело с взлетами и посадками самолетов.Данный проект позволит создать надежную обратную связь с общественностью по вопросу соответствующих измерений шума:
Различная окружающая обстановка:
— География и климат;
— Дома и строения;
— Демография сообщества
Требуется широкий диапазон уровней изучения. 6-8 дневные изучения с возможными ночными измерениями. Необходима достаточная продолжительность испытаний для определения множественных эффектов.Эксплуатационные ограничения:
— Аэродром;
— Частота операций.
Основные требования:
— Продемонстрировать, что уровень шума от звукового удара может быть снижен до приемлемого уровня для людей, живущих на будущих сверхзвуковых траекториях полета.
— Создать базу данных, которая поддержит международные усилия по разработке правил для сверхзвуковых полетов.
Задачи данного проекта:Создание нового и более эффективного сверхзвукового пассажирского/транспортного самолета (СПС) необходимо для дальнейшего развития авиации. Использование длинного и тонкого фюзеляжа наряду с другими структурными дополнениями позволит уменьшить интенсивность звуковых ударов. Эффективность и защита окружающей среды являются главной задачей современной транспортной отрасли в мире. Если проблема потребления топлива не будет решена, это может привести к полному исчезновению ископаемых видов топлива. Для человечества необходимо разрабатывать новые источники возобновляемой энергии, вместо тех, что сейчас есть. Поэтому рекомендуется создание и производство самолетов с электрической двигательной установкой. Также необходимо продолжить изучения биплана Буземана, поскольку он может устранить образование ударных волн N-типа, которые приводят к возникновению звукового удара. Данные исследования могут стать основой крупномасштабного гиперзвукового проекта, который может привести к созданию пилотируемого гиперзвукового самолета в будущем. Также возможен проект создания коммерческих/военных самолетов для выхода на Низкую Околоземную Орбиту.
Цели данного проекта:
— Сокращение времени полета за счет сверхзвуковых полетов.
— Возможность взять лидерство в новом классе сверхзвуковых пассажирских и военных самолетов.- Первый полет такого аппарата будет гарантировать лидерство Российской промышленности и технологий в новом рынке гражданской сверхзвуковой авиации.
— Разработка и создание самолета с приемлемыми характеристиками звукового удара для будущих гражданских и военных сверхзвуковых полетов.
— Приобретения данных о звуковых ударах, которые подтвердят целесообразность проектирования СПС с длинным носом и улучшат понимание эффектов звукового удара на атмосферу.
— Поддержание или увеличение влияния авиации на ВПП, создание новых рабочих мест, развитие авиационной промышленности.
— Демонстрационная модель СПС будет производить небольшой звуковой удар, подходящий под требования регламента.
Анализ рынка и научная обоснованность:
Данный проект может стать основой для проектирования низкошумной авиации и для проектов СПС новых поколений. Необходимо разработать надежные модели влияющих факторов, и они должны быть включены в комплексную модель оценки глобального рынка авиаперевозок на сверхзвуковых линиях. На данный момент были сделаны следующие предположения для оценки возможных цифр продаж, основываясь на спросе билетов премиум-класса:
— время введения в эксплуатацию — 2025 год.
— любой будущий СПС, взлетающий с гражданских аэропортов, по ожиданиям авторов, будет иметь крейсерскую скорость М=1,5…2, поскольку он должен будет соответствовать нормам по шуму на территории аэропорта. При увеличении крейсерской скорости требуются двигатели с меньшей степенью двухконтурности, что приводит к созданию высокого шума при взлете. В будущем правила станут еще жестче, следовательно, потребуются двигатели с небольшой степенью двухконтурности, которые будут иметь низкие крейсерские скорости полета, предположительно М=1,8.
— маршруты с дальность полета менее 3500 км не рассматриваются, поскольку уменьшение времени полета не является значительным. Для сравнения при М=1,8 время полета займет около 2 часов 20 минут, при скорости в 800 км/ч время составит 4 часа 22 минуты.
— предполагаемая средняя дневная дистанция составит 16000 км, при средней скорости 1600 км/ч. Следовательно, это приведет к тому, что чистое время полета составит 10 часов, и ежегодное использование будет равняться 3650 часов, что является правдоподобными значениями для авиалайнеров.
Детальное описание проекта:
Вы можете представить полет из Нью-Йорка в Лос-Анджелес в два раза быстрее? Подумайте! Коммерческие перелеты на СПС равняются меньшим затратам времени в полете. Меньше времени в тесном неудобном кресле. Смог бы «Конкорд» решить этот вопрос? Нет. Конкорд, последний раз летавший в 2003 году, использовал технологии 1950-ых годов. Конкорд летал на сверхзвуке только над океаном и считался слишком шумным для полетов над заселенной местностью. Также он сжигал много топлива, в связи, с чем стоимость билета была высока. Около $ 15000 нынешних долларов за одно место. Это наносит сильный удар по кошельку. Хорошо, кто-то сейчас подумает: «Просто создайте новый „Конкорд“ с новыми технологиями для экономии топлива». В действительности это не так просто. С 1973 года сверхзвуковые полеты были запрещены в США из-за шума звуковых ударов. Новые сверхзвуковые самолеты должны решить проблему звукового удара и иметь высокую топливную экономичность.Мы собираемся создать базу данных о тихих звуковых ударах, включая обратную связь с общественностью, которая будут поддерживать разработку и сертификацию стандартов сверхзвуковых полетов организациями ИКАО.
Технологии готовы для демонстрационного полета:
Новые технологии в моделировании позволяют нам спроектировать новый тихий звуковой удар. Приемлемость звукового удара может быть изучена, используя наземные установки в полевых условиях.Полевые испытания показали потенциал приемлемости специального носа для создания тихого звукового удара.
Характеристики проекта MUST:
Длина 29 м;
Ширина 9 м;
Высота 4 м;
Максимальный взлетный вес 11000 — 20000 кг;
Вес пустого 6500 кг;
Вес полезной нагрузки 230 — 300 кг;
Вес топлива 3250 кг;
Расчетное числа Маха 1,8 — 2;
*Двигатель: 2хP&W F119 или АЛ-41Ф.
** Шум < 75PL dB.
Особенности проекта MUST:
— Используется длинная, тонкая поверхность носа для формирования головной волны.
— Фиксированное V-образное горизонтальное оперение, предназначенное для уменьшения нагрузки на крыло, может использоваться как воздушный тормоз для уменьшения пробега при посадке.
— Авиационные системы XVS/EFVS. XVS относится к одному из нескольких способов обеспечения пилота средствами наблюдения в полете, где традиционные стекла отсутствуют из-за конфигурации самолета. XVS состоит из внешних датчиков, в первую очередь из видеокамер, которые предоставляют пилоту картинку в реальном времени. XVS разработаны как дополнение к обычным стеклам кабины или могут рассматриваться вовсе как их замена. EFVS использует прозрачный индикатор на лобовом стекле (ИЛС) или дисплей для объединения информации о рейсе, траектории полета, навигации в реальном времени. В зависимости от условий окружающей среды и атмосферы датчики изображения, могут быть основаны на FLIR, радарах миллиметрового диапазона, приборах ночного видения или других технологий, создающих изображение окружающей среды в реальном времени.
— Для уменьшения себестоимости предлагается унифицированная композитная обшивка.
— Защитное покрытие крыла состоит из: защитного покровного слоя, полимерных нитей и связующего слоя, в котором расположены надуваемые трубки для исключения внутреннего загрязнения.
— 2 x P&W F119 или 2 x АЛ-41 — представители 5-го поколения ГТД. За счет применения технологий компьютерного трехмерного моделирования, использования высокосовершенных лопаточных машин с уменьшенным числом ступеней получилось создать новые экономичные двигатели. Благодаря применению новых материалов значительно снижается масса двигателя. Как пример, F119 по сравнению с F100 имеет на 40% меньшее количество деталей, и все оперативно заменяемые компоненты могут быть заменены набором из шести инструментов. Для увеличения надежности используются системы проверки состояние двигатели и обнаружения отказов. Преимуществом данных двигателей является возможность выхода на безфорсажный сверхзвук, что положительно скажется на экономии топлива. Двигательная установка будет расположена в нижней части хвоста фюзеляжа. С ростом технологий и увеличением надежности двигателей снизится необходимость в немедленном доступе к компонентам двигателя.
— Законцовки «slip-tip», являющиеся гибридом между винглетами, «wingtip fence» и «raked wingtip» могут улучшить эффективность путем уменьшения индуктивного сопротивления, что может привести к экономии топлива более чем на 10-12%.
— U-образное горизонтальное оперение будет выступать как щит, уменьшая внешний шум.
— Наш самолет не использует вертикальное оперение, а V-образный хвост обеспечит большую стабильность в случае отказа двигателя.
— При необходимости возможно покрытие специальным материалом, который сделает самолет незаметным за счет поглощения и отражения радарного излучения.
— Умная обшивка «Smart Skin» фюзеляжа позволит передавать все необходимую информацию оператору.
MUST технология скрытности:
Существует два разных способа создания невидимости для самолетов MUST:
— Самолет может иметь такие формы, чтобы любые отраженные от него сигналы радара отражались и не возвращались к радару.
— Самолет может быть покрыт материалами, поглощающими радиолокационные сигналы. Покрытие из углеродных нанотрубок действует как «волшебная черная ткань», которая скрывает трехмерную геометрию объекта и делает ее похожей на плоский черный лист. 70-микронное покрытие, или углеродный нанотрубный лист, составляет примерно половину толщины листа бумаги. Он поглощает 99,9% света, который попадает на него.Мы могли бы использовать его, чтобы полностью скрыть силуэт объекта. Это не маскировка, поскольку объект все равно может отбрасывать тень. Но если вы поместите объект на черный фон, то с этим покрытием он действительно станет невидимым. Вот как работает новое покрытие: глаза человека воспринимаются объектом, основанным на том, как он отражает или рассеивает свет. «Показатель преломления» этого нового покрытия похож на «показатель преломления» воздуха, это означает, что движение света по воздуху не рассеивается или не отражается при попадании на покрытиеХорошо известно, что углеродные нанотрубки способны поглощать свет."Совершенный черный" материал можно было бы использовать на экранах дисплея для сверхвысокой контрастности и более четкого изображения."Лес" из углеродных нанотрубок может поглощать очень широкий диапазон электромагнитных волн, и в принципе может быть применен к объекту произвольного размера.
«Smart Skin» — умная обшивка:
Это большой, гибкий массив датчиков с возможностями обработки данных, которые могут использоваться для покрытия всей поверхности фюзеляжа проекта MUST. В зависимости от типов датчиков, обшивка способна «ощущать» близость, касание, давление, температуру, химические среды. «Smart Skin» — это ячеистая структура, целостность которой критически важна. Безопасность и оптимальная работа самолета зависит от окружающей среды, состояние которой может быть измерено умной обшивкой, следовательно, крайне важно, чтобы состояние обшивки тщательно контролировалось. В состав «Smart Skin» входят приводы, датчики, линии передачи данных и микропроцессоры.
Основными компонентами данной интеллектуальной структуры являются:
1. Приобретение данных: целью этого компонента является собирать требуемые необработанные данные, необходимые для соответствующего зондирования и мониторинг структуры.
2. Передача данных: целью этой части является отправление необработанных данных в локальные и/или центральные блоки управления и управления.
3. Блок управления и управления: роль этого подразделения заключается в управлении всей системой и управлении ею, анализе данных, достижении соответствующего заключения и определении необходимых действий.
4. Инструкции по данным: функция этой части состоит в том, чтобы передать решения и соответствующие инструкции обратно членам структуры.
5. Приборы действия: целью этой части является принятие мер путем запуска управляющих устройств/блоков.
Форма волны: полностью сформированная ударная волна, создаваемая при крейсерской скорости по прогнозам будет иметь уровень громкости не более 75 дБ, и максимальную акустическую энергию при 10 Гц и ниже.Изменения удара: прогнозируемое изменение громкости на уровне поверхности будет между 70-80 дБ. Прогнозируемое превышение громкости из-за случайной атмосферной турбулентности 1,4-1,8 дБ.Частота полетов: не более 3 полетов в течение 9-часового периода времени.
Эффективность,
Первое поколение СПС показало три серьезных экономически и экологически возможных проекта. Проект США B2707-200/300 был отменен до появления прототипа. Советский Ту-144 смог стать самым первым СПС в мире, но был в эксплуатации всего несколько лет. Англо-французский проект «Конкорд» провел боле 27 рейсов до того, как «вышел в отставку» 30 августа 2003 года.Далее последовало второе поколение СПС, разрабатываемых в период с 1986 до 1999 годы, но самолеты остались на стадии проектирования из-за ужесточившихся экологических и экономических требований.Первое поколение сверхзвуковых бизнес-джетов и сверхзвуковых грузовых самолетов охватывает период с 1988 по сегодняшний день. В результате исследований был сделан вывод о том, что показатели дозвуковых коммерческих перевозок неприменимы к сверхзвуковым перевозкам.Вопросы доставки частных лиц и специальных грузов требуют высоких скоростей, что приводит к двум решениям проблемы создания сверхзвукового самолета: разработка сверхзвукового бизнес-джета или транспортного самолета на основе новых технологий.Измерение и сбор данных о звуковых ударах позволят проверить идеи технологии тихого звукового удара и улучшить понимание и предсказание поведения звукового удара в атмосфере. Также будет иметь место экономическая выгода от производства и создания новых рабочих мест."Aviation Week" сообщила о независимом исследовании в 2016 году, в результате которого был сделан вывод о том, что спрос на сверхзвуковые самолеты существует. Предполагается, что в течение 10-летнего периода потребуется 1300 самолетов на сумму $ 260 млрд и крупнейшим рынком будет США.
Оценка рисков:
Оценка включает 4 различных метода:
1. Сборка данных об испытываемых технологиях;
2. Оценка качества и полноты данных;
3. Оценка эффективности и экономичности;
4. Оценка мнения респондентов.
Способы измерения:
1. Демонстратор проекта:Имитация реалистичного способа реакции на приглушенный сверхзвуковой полет:
— В особенности при полете без предварительного предупреждения о звуковом ударе.Требуется уникальная исследовательская платформа:
— Исследование компоновки, элементов самолета и атмосферного состояния при тихом сверхзвуковом полете.
2. Симуляторы звукового удара:Сложные звуковые симуляторы с возможностью точного воспроизведения звукового удара с широкой регулировкой форм и громкости сигнала.
Перспективы внедрения. Жизнеспособность:
Предполагаемые этапы проекта:
Фаза № 1Разработка самолета:
— Проектирование.
— Производство, внедрение и наземное тестирование.
— Ограниченные рейсы.
— Дозвуковые и затем сверхзвуковые рейсы.
Фаза № 2Акустическая проверка:
— Измерения на близком и большом расстоянии.
— Наземные измерения.
— Исследование реакции общества на рейсы.
Фаза № 3Обратная связь с обществом:
— Многочисленные опросы людей, живущих на трассах полета.
Хронология проекта:Исследование концептов.Обзор предварительного проекта.Наземные и летные испытания.Первоначальный опрос общественности (локальный).Опрос общественности.
Сработает ли это?
MUST столкнется с большими трудностями. 50-местный самолет должен будет доказать свою конкурентоспособность в консервативной индустрии в долгосрочной перспективе.Наша основная задача заключается в отработке технологий. Отсутствие подходящих двигателей является основной проблемой проектов СПС. Единственные сверхзвуковые самолеты, которые находятся в эксплуатации — военные, но для них экономия топлива и надежность не являются такими жесткими требованиями, как в гражданской авиации.
Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.
