Następna generacja naddźwiękowych samolotów pasażerskich

Inżynierowie w Europie i USA testują koncepcje i technologie niskiego boomu dla następnej generacji naddźwiękowych samolotów pasażerskich.

W artykułach o Concorde często wspomina się o technicznych sukcesach samolotu. Jednak największa spuścizna Concorde często nie jest wymieniana – był to pierwszy naddźwiękowy samolot cywilny, który pokazał światu, jak głośne są soniczne bomy.

Dzisiaj hałas pozostaje największą barierą dla wprowadzenia cywilnych samolotów ponaddźwiękowych. Przepisy na całym świecie zabraniają używania naddźwiękowych samolotów pasażerskich na lądzie ze względu na wytwarzane przez nie wysięgniki.

Ale od czasów firmy Concorde inżynierowie, aerodynamicy i ostatnio wydajne komputery ciężko pracują nad rozwiązaniem problemu wyciszania wysięgników dźwiękowych. Opracowanie technologii niskiego wysięgnika i projektów, które łagodzą to zjawisko, zajęło dziesiątki lat.

Firmy takie jak Aerion, Spike i Boom stale pracują nad rozwojem naddźwiękowych samolotów cywilnych, których rozmiary sięgają od odrzutowców biznesowych po małe samoloty. Podkreślają one, że na rynku istnieje zapotrzebowanie na coraz szybsze podróże i że dysponują projektami, które – choć w dużej mierze niesprawdzone w tym momencie – umożliwiają zrównoważony rozwój.

• 

Postępy w rozwoju naddźwiękowych odrzutowców do zastosowań cywilnych skłoniły organy regulacyjne lotnictwa na całym świecie do ponownej oceny przepisów ograniczających ich działanie. ICAO ustaliła datę 2025 r. dla nowej międzynarodowej normy dotyczącej dopuszczalnego poziomu hałasu emitowanego przez samoloty naddźwiękowe podczas lotu nad ziemią. W międzyczasie wiodące światowe organy regulacyjne i agencje badawcze zajmujące się lotnictwem opracowują i analizują projekty niskoobrotowych samolotów, aby ocenić ich opłacalność i sprawdzić, czy można oczekiwać, że ludzie będą żyć z hałasem, który wytwarzają.

CarpeDIEM

Federalna Administracja Lotnictwa Cywilnego USA (FAA) zakazuje samolotom cywilnym latania nad terytorium USA szybciej niż Mach 1. Jednakże FAA pracuje nad zmianą tego ustawodawstwa. W zeszłym roku organ regulacyjny przedstawił propozycje dotyczące ograniczenia hałasu wytwarzanego przez wysięgniki naddźwiękowe podczas lotów lądowych, a na początku tego roku – hałasu wytwarzanego przez nie podczas startu i lądowania. Przepisy te miałyby obowiązywać przed terminem wyznaczonym przez ICAO na 2025 r. w odniesieniu do normy międzynarodowej.

Przepisy FAA są wspierane przez trwające prace badawcze NASA – głównie projekt X-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport), którego celem jest udowodnienie, że niskociśnieniowe samoloty naddźwiękowe mogą pracować przy poziomie hałasu 75PNLdB. Samolot X-59 zademonstruje technologie niskiego boomu wraz z serią testów w locie, począwszy od jego pierwszego lotu w 2021 r., w tym serią akustycznych lotów zatwierdzających.

W ramach akustycznych lotów zatwierdzających pilot będzie latał X-59 z prędkością naddźwiękową przez mikrofony ustawione na pustynnej podłodze, na obszarze zwanym dywanem, w pobliżu Edwards Air Force Base Test w Kalifornii. Program CarpetDIEM (Carpet Determination In Entirety Measurements) ma na celu sprawdzenie, czy sygnatura akustyczna – jak głośny jest X-59 słyszalny z ziemi – jest zgodna z przewidywaniami inżynierów dla różnych warunków lotu, które będą następnie doświadczane podczas lotów nad obszarami miejskimi. Po zakończeniu programu CarpetDIEM, nad amerykańskimi miastami odbędą się próby w locie w odpowiedzi na reakcje społeczności, mające na celu ocenę postrzeganego hałasu samolotu. Oprócz zasad FAA, dane z testów w locie zostaną wykorzystane przez Komitet Ochrony Środowiska Lotniczego ICAO w celu ustanowienia standardu boomu dźwiękowego.

W ubiegłym roku przeprowadzono pierwszą fazę CarpetDIEM. Na pustyni utworzono 30-kilometrowy dywan składający się z 70 mikrofonów o wysokiej wierności, zdolnych do pomiaru 50 000 próbek na sekundę, aby zapewnić prawidłowość technologii, logistyki i zarządzania testami akustycznymi. Druga faza CarpetDIEM, która powinna mieć miejsce na początku przyszłego roku, to przede wszystkim szukanie sposobów na redukcję personelu. Ed Haering, główny badacz NASA w CarpetDIEM, mówi: „Nie możemy mieć ludzi w każdym miejscu, więc szukamy możliwości zdalnego wyzwalania za pomocą ADS-B z samolotu, aby automatycznie powiedzieć rejestratorom, aby włączali i wyłączali, oraz łączności satelitarnej Iridium z centralnego centrum kontroli, którą każdy otrzyma”.

NASA opracowuje rejestratory na zamówienie, które będą wykorzystywane do testów akustycznych X-59, zwanych systemem nagrywania naziemnego (GRS). Opracowano pięć prototypów, które będą testowane w kolejnej fazie CarpetDIEM. „Są to wysokiej jakości systemy nagrywające, zaprojektowane tak, aby pracować w terenie przez kilka dni lub tygodni, stale zasilane bateriami i ogniwami słonecznymi i zdolne do zdalnej komunikacji” – mówi Haering.

• 

Poszycie X-59 QueSST do skrzydeł kompozytowych są produkowane w fabryce Skunk Works w Palmdale, w Kalifornii.

Gdy rozpocznie się testowanie reakcji społeczności, prawdopodobnie zamiast łączności satelitarnej zostaną wykorzystane jej sieci komórkowe. „Od dziesięcioleci mierzymy i testujemy wysięgniki dźwiękowe – różne części dywanu, środek, krawędź, początek, jak to wpływa na struktury i ludzi. To jest rozszerzenie tego, ale tym razem chcemy wszystkich danych z masywnej tablicy”, dodaje Haering.

Poziomy hałasu zostaną również uchwycone na i wokół samolotu. Podczas sondowania bliskiego pola F-15 będzie lecieć około 200 stóp od X-59, aby zmierzyć pole ciśnienia wokół samolotu. Obrazowanie powietrze-powietrze Schlierena, podświetlane przez Słońce, zostanie wykonane w celu wizualizacji fal uderzeniowych i potwierdzenia wzoru. „Ważne jest, aby trzymać małe fale uderzeniowe z dala od różnych elementów samolotu, aby zapobiec ich koalescencji i powstawaniu większych wstrząsów. Zdjęcia pomogą nam upewnić się, że projekt to zatrzyma.

„Jesteśmy wystarczająco pewni siebie, aby poświęcić ten czas, pieniądze i wysiłek na budowę pojazdu, ponieważ uważamy, że będzie on wystarczająco cichy. Ale tak naprawdę nie wiemy, czy ludzie uznają to za dopuszczalne, dopóki nie zabierzemy go do społeczności. Będziemy przyglądać się różnym porom roku, zmianom pogody i sytuacji demograficznej.

„CarpetDIEM jest dowodem na to, że samolot jest tak cichy, jak mamy nadzieję, i czy jest wystarczająco cichy, by ludzie mogli z nim żyć.”

CarpetDIEM i QueSST nie odbywa się w izolacji. NASA jest na bieżąco z międzynarodową współpracą. Istnieją umowy o współpracy z ICAO i FAA oraz warsztaty dotyczące bomów dźwiękowych.

The European RUMBLE

• 

Wrażenie z prób tunelu aerodynamicznego, które wkrótce zostaną przeprowadzone w ramach unijnego projektu RUMBLE

Podobne badania prowadzone są w Europie. Unijny projekt RUMBLE (regulacja i norma dotycząca niskiego poziomu boomu akustycznego) rozpoczął się pod koniec 2017 r. i ma na celu opracowanie danych naukowych i naziemnych, które pomogą w rozwoju różnych regulacji dotyczących samolotów naddźwiękowych. W ramach projektu badane są wszystkie aspekty bomów dźwiękowych.

Podczas gdy Airbus koordynuje projekt RUMBLE, w projekt zaangażowali się naukowcy i inżynierowie z całej Europy i Rosji. Gérald Carrier, badacz z ONERA, jest jedną z osób, które francuska agencja badawcza ds. lotnictwa i kosmonautyki przydzieliła do projektu. Mówi on: „Potrzebowaliśmy RUMBLE, aby lepiej zrozumieć złożoność bomów dźwiękowych – aby lepiej zrozumieć fizykę. Istnieje wiele zmiennych parametrów, które wpływają na sposób, w jaki bom soniczny jest doświadczany na ziemi.

„Chcemy być bardziej pewni naszych możliwości symulacyjnych i zdobyć wiedzę na temat reakcji człowieka na niskie bomy dźwiękowe. Wszystko to musimy zrobić z myślą o stworzeniu danych, które określą przyszły standard certyfikacji przyszłych samolotów naddźwiękowych, chroniących ludzi przed niedopuszczalnymi uciążliwościami.

„RUMBLE bierze pod uwagę całą fizykę generacji i rozprzestrzeniania się bomów dźwiękowych w powietrzu, od generacji w polu bliskim samolotu do tego, jak jest on słyszany przez ludzi na ziemi, zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz. Rozumiemy wpływ wysięgników dźwiękowych na budynki i to, jak są one odczuwane przez ludzkie ciało.

„Oznacza to, że partnerzy RUMBLE przyglądają się takim kwestiom jak ciśnienie, wibracje, częstotliwość i amplituda, a także ludzka reakcja psychoakustyczna”.

Partnerzy projektu RUMBLE opracowują demonstrację boomu dźwiękowego, która będzie wykorzystywana w doświadczeniach z udziałem ludzi. Symulator to duży zestaw głośników zdolnych do odtworzenia sygnału dźwiękowego boomu dźwiękowego z wejścia pochodzącego z symulacji numerycznej opracowanej przez Uniwersytet Sorbonne w Paryżu, we Francji. „Może on odtworzyć niskie częstotliwości wymagane do odtworzenia bomu dźwiękowego w celu odtworzenia efektów wibracyjnych na ścianach i podłogach budynku”, mówi Carrier.

Jest to podobne do pomieszczenia z efektami wewnętrznymi w NASA Langley w Wirginii, gdzie znajduje się mały salon z wbudowanymi wokół niego głośnikami. Inżynierowie mogą uruchamiać nagrane wcześniej bomy dźwiękowe i „uderzenia przyszłości”, które zostały zasymulowane za pomocą modelowania komputerowego. Haering mówi: „Mogą zobaczyć, czy ściany są grzechotliwe i inne aspekty i ocenić reakcję ludzi na poziom hałasu”.

Gdzie indziej w projekcie RUMBLE, zespoły inżynierów i naukowców projektują samoloty z niskim wysięgnikiem i narzędzia programowe zdolne do dokładnego przewidywania poziomu hałasu wytwarzanego przez soniczne wysięgniki, które stworzą nowe kształty niskiego wysięgnika. „Modele są zdolne do przewidywania przepływów aerodynamicznych wokół samolotu. Projektujemy kształty i powierzchnie samolotów w celu złagodzenia bomu dźwiękowego oraz opracowujemy kody odtwarzające propagację bomu w powietrzu”, mówi Carrier.

„Stwierdziliśmy na przykład, że uwzględnienie rzeczywistych warunków atmosferycznych, w tym wilgotności, jest bardzo ważne przy opracowywaniu tych możliwości symulacyjnych.

„W nadchodzących miesiącach przeprowadzimy również testy tuneli aerodynamicznych, aby zweryfikować niskie kształty bomu i możliwości narzędzi symulacyjnych”.

NASA QueSST przyjrzy się również wpływowi warunków atmosferycznych na bomy dźwiękowe. Ponieważ prędkość i wysokość X-59 zmienia się, hałas, który emituje będzie nieco głośniejszy lub cichszy. Haering mówi: „Dążymy do uzyskania zakresu wysięgników, aby wiedzieć, co ludzie uważają za dopuszczalne i przedstawić to regulatorom, aby mogli zdecydować, co jest właściwe”.

Turbulencje wpływają głównie na głośność bomu w ostatnich kilku tysiącach stóp przy ziemi. W sumie sprawia, że średnia głośność jest niższa. Ale niektóre części bomu mogą być głośniejsze przez turbulencje. Program testowy NASA z 2016 roku nazwany Sonicbat, który wykorzystywał F-18, już zbadał to zjawisko.

„Następnym krokiem jest testowanie za pomocą X-59. Uważamy, że kształt samolotu zmniejszy efekt turbulencji w porównaniu z tradycyjnym samolotem naddźwiękowym” – mówi Hearing.

Prawdziwy i wirtualny

Pierwsze loty próbne dla RUMBLE zostały przeprowadzone na początku tego roku w Rosji przez instytut badawczy TsAGI. Podobnie jak w przypadku badań NASA, wykorzystano samoloty wojskowe. „Odbyły się dwie kampanie próbnych lotów, podczas których produkowano i mierzono dane na ziemi, w tym wewnątrz budynków, w celu walidacji modeli symulacyjnych samolotów” – mówi Carrier. „Celem było uzyskanie rzeczywistych danych do weryfikacji kodu propagacji bomu i modelowania reakcji budynków na bomy dźwiękowe.”

Innym celem RUMBLE jest opracowanie we współpracy z Dassault i Airbusem wirtualnego, naddźwiękowego samolotu pokazowego. Zostanie on wykorzystany do opracowania ciężaru i jakości obsługi przyszłych nisko-bombowych samolotów naddźwiękowych. Przewoźnik podkreśla jednak, że celem nie jest budowa Concorde MK2.

„Celem RUMBLE jest opracowanie wiedzy naukowej, danych i kodu symulacyjnego, które pomogą w projektowaniu przyszłych przepisów związanych z bomami dźwiękowymi”, mówi. „To jest przewidywanie, jaki będzie standard bomu dźwiękowego dla samolotów.”

Symulator wysięgnika naddźwiękowego zainstalowany w Saint-Cyr-l’École, Francja dla projektu RUMBLE

• 

Projekt dotyczy najnowszej technologii niskiego wysięgnika, która jest możliwa dzięki postępowi w dziedzinie aerodynamiki. Carrier mówi: „Od czasu zaprojektowania samolotów takich jak Concorde lub wojskowych odrzutowców, które wytwarzają klasyczne głośne bomy dźwiękowe o fali N, impulsywne o wysokiej amplitudzie ciśnienia, nastąpiła rewolucja.

„Aspekt wznoszący się tych typów wysięgników dźwiękowych, spowodowany gwałtowną zmianą ciśnienia pomiędzy wysięgnikami, jest problematyczny. Hałas tego typu bomu dźwiękowego jest po prostu nie do przyjęcia.

„Ale technologia kształtowania aerodynamicznego, opracowana w ciągu ostatnich 15 do 20 lat, jest zmiennikiem gry. Bomy dźwiękowe produkowane przez naddźwiękowy samolot mogą być teraz znacznie cichsze. Efekt jest teraz bardziej zbliżony do dźwiękowego gwizdka – znacznie bardziej zaokrąglony i progresywny dźwięk, porównywalny z normalnym dźwiękiem, zamiast eksplozji lub wystrzału z pistoletu”.

„Jesteśmy świadomi, że perspektywa podróży naddźwiękowych jest kontrowersyjna. Ale biorąc pod uwagę pchnięcie USA w kierunku samolotów naddźwiękowych, istnieje silna potrzeba, aby Europa miała możliwość oceny aspektów środowiskowych samolotów naddźwiękowych”. Przetłumaczono przy pomocy www.DeepL.com/Translator (wersja darmowa)