Het Amerikaanse leger zoekt naar stille technologische oplossingen voor stille rotoren. Krediet: Amerikaans leger
Stel je een stille helikopter voor die heimelijk troepen en voorraden verplaatst rond een toekomstig slagveld. Onderzoekers van het Amerikaanse leger beschouwen de technologie voor het verminderen van geluid van helikopters als een topprioriteit bij het ontwerpen van vliegtuigen.
Bij het US Army Combat Capabilities Development Command, nu bekend als DEVCOM, Army Research Laboratory, werkten onderzoekers samen met Uber en de Universiteit van Texas in Austin om de akoestische eigenschappen van elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen te onderzoeken, die gedistribueerde elektrische voortstuwing gebruiken voor het aandrijven van vluchten. .
Deze eVTOL-voertuigen kunnen het leger helpen met belangrijke taken zoals luchtbewaking en vrachtvervoer; Ze hebben echter kleinere rotors dan traditionele helikopters. Als gevolg hiervan kunnen eVTOL-rotoren een andere geluidssignatuur afgeven waarmee onderzoekers rekening moeten houden.
“Het geluid dat je van deze kleinere rotoren hoort, wordt gegenereerd door fundamenteel verschillende fysieke mechanismen”, zegt Dr. George Jacobellis, onderzoekingenieur leger bij het Directoraat Voertuigtechnologie van het laboratorium. “Traditionele modelleertechnieken moeten worden verbeterd om rekening te houden met al het gegenereerde geluid, zodat voertuigontwerpers zich bewust kunnen zijn van wat er daadwerkelijk zal worden gehoord.”
Standaardgeluidssimulaties van helikopters richten zich primair op het voorspellen van diktegeluid en beladingsgeluid, omdat zij de dominante geluidsbronnen vormen voor grote helikopters.
Diktegeluid komt voort uit de verplaatsing van de lucht door de rotorbladen, terwijl laadgeluid optreedt wanneer hef- en sleepkrachten werken op de lucht die rond de roterende vleugels stroomt. Samen vormen ze wat experts tonale ruis noemen.
Daarentegen vermoedden legeronderzoekers dat eVTOL-rotoren meer breedbandruis genereren, wat verwijst naar geluiden veroorzaakt door turbulentie, dan tonaal geluid.
“We wisten niet of breedbandruis belangrijk was of niet, maar we wisten dat de toon- en breedbandruis verschillend geschaald waren”, zei Jacobellis. “We dachten dat als de rotoren kleiner werden, er een punt zou komen waarop breedbandruis de dominante bron zou zijn.”
Het team bevestigde hun hypothese in hun onderzoeksstudie, waarin niet alleen de akoestische eigenschappen van verschillende eVTOL-rotorconfiguraties werden gemeten, maar ook de modelleringsmogelijkheden van helikopterruissimulaties voor eVTOL-rotoren.
De testopstelling die tijdens het experiment werd gebruikt, had de rotoras horizontaal gericht, zodat onderzoekers akoestische metingen konden doen. Krediet: Amerikaans leger
Tijdens het veldexperiment zetten de onderzoekers een testopstelling op met twee elektrisch aangedreven rotoren en registreerden ze het geluid dat boven en onder het rotorvlak werd gegenereerd met negen microfoons die in een cirkelvormige opstelling rond de rotornaaf waren geplaatst.
Voor de simulaties gebruikte het team het Rotorcraft Comprehensive Analysis System in combinatie met een apart programma genaamd PSU-WOPWOP, een routinematige geluidsvoorspellingscode genoemd naar een onomatopee voor het geluid dat helikopterbladen maken.
“RCAS berekent de aerodynamische belastingen, of krachten, op de bladen, evenals het buigen en verdraaien van de bladen”, zei Jacobellis. “Deze informatie is nodig om te gebruiken als input voor PSU-WOPWOP, dat de ruis berekent die door de rotor wordt gegenereerd. Het verbinden van de twee programma’s vereiste veel werk, dat ook door onze groep werd gedaan.”
De onderzoekers modelleerden de breedbandruis in PSU-WOPWOP met de methode van Pegg, een van de twee instellingen die aanwezig zijn in het simulatieprogramma met de andere, de Brooks-methode.
Terwijl de methode van Pegg breedbandruisvoorspellingen doet op basis van experimentele gegevens van de hele rotor, houdt de methode van Brooks rekening met de unieke verdeling van de lift langs het blad.
“[These technologies] zijn veelbelovend in hun vermogen om het geluid van eVTOL-rotoren te voorspellen, maar we moeten meer werk doen om een acceptabele nauwkeurigheid te verkrijgen, “zei Jacobellis.” De volgende stappen zijn om de Brooks-methode te implementeren voor akoestische voorspellingen met een hogere nauwkeurigheid en om de onstabiele belastingen te vergelijken. tussen de simulatie en het experiment om de nauwkeurigheid van de simulaties te controleren bij het voorspellen van de onstabiele belastingen. De Brooks-methode zou beter moeten zijn in het vastleggen van unieke configuraties en laadverdelingen. “
Onderzoekers ontdekten ook dat coaxiale meedraaiende rotoren, of gestapelde rotoren, mogelijk betere prestaties en minder geluid bieden dan een conventionele rotor. In tegenstelling tot conventionele rotors die bladen gebruiken die in een enkel vlak zijn gerangschikt, plaatsen gestapelde rotoren bladen in meerdere vlakken.
Volgens de resultaten van hun studie produceerden gestapelde rotoren met gelijkmatig verdeelde rotorbladen het laagste geluidsniveau, ongeveer hetzelfde niveau als dat van een traditionele rotor.
Door verschillende waarden van axiale afstanden te onderzoeken, denken legeronderzoekers dat ze een gestapelde rotorconfiguratie kunnen ontdekken die minder geluid produceert dan de conventionele rotor.
“Ik denk echt dat een gestapelde rotor gunstig kan zijn voor eVTOL-toepassingen”, zei Jacobellis. “De toegevoegde mate van vrijheid voor het ontwerp zal leiden tot winst in efficiëntie en controle over de akoestische signatuur, wat blijkt uit de resultaten. Er is echter meer onderzoek nodig om de ruisonderdrukking met axiale tussenruimte te kwantificeren.”
Geleverd door The Army Research Laboratory
