NASA试图解决超声速客机的机场噪声问题
据报道，在突破低声爆技术之后，如何降低机场噪声将成为挡在超声速民机商业化发展道路上的最大障碍。NASA已经计划2019年完成低声爆验证机首飞，目前也正在开展小型超声速客机低噪声喷管的地面试验，旨在实现像目前亚声速客机一样安静的起降。正在NASA格林研究中心进行的超声速客机集成推进系统模型测试将对低噪声喷管的设计工具和概念进行验证。这种设计工具和概念将使得超声速喷气支线客机相比ICAO附件16第4章机场噪声标准的累积噪声裕度达10EPNdB。
协和号超声速客机相比ICAO附件16第4章机场噪声标准高出近80EPNdB。NASA的目标是将小型超声速客机的机场噪声相比第4章标准再降低10dB，这个噪声水平相当于目前的亚声速客机。NASA的最终目标是同时实现低声爆和低机场噪声。
NASA商用超声速计划技术负责人詹姆斯•布里奇斯表示：“我们的技术挑战是设计一款超声速客机，它能够同时实现超声速巡航和安静的起降，具有同目前亚声速飞机一样的机场噪声水平。这是一个很大的挑战，因为传统上机场噪声是超声速民机的一个主要绊脚石。”
协和号在1976年服役时的噪声比当时的亚声速喷气客机高很多，并且随着工业界逐渐提高噪声标准以及亚声速飞机变得越发安静，两者之间的噪声水平差距不断加大。到2003年第一代超声速喷气客机退役的时候，它的累积噪声比当时生效的ICAO附件16第3章机场噪声标准高近70EPNdB。每增加3dB大概相当于噪声功率的翻倍。
NASA设置了将小型超声速客机的机场噪声相比第4章标准降低10dB的目标，这个目标相比ICAO计划2017年开始实施的第14章标准(相比第4章标准降低7dB)有一定的裕度。
为了验证上述挑战可以应对，NASA已经选择了洛马公司研发了低声爆超声速飞机方案，研究了不同的动力循环和喷管型式对排气噪声的影响。洛马的方案为80座级、5000海里的三发喷气飞机——LM1044，它瞄准的是2025年可以服役的超声速飞机。
LM1044采用三发设计，一个发动机安装在机身上方两个倾斜尾翼之间，另两个发动机位于机翼翼根下方，发动机位置的选择是为了最大程度的减小激波
LM1044的外形采用低声爆、三发布局设计。发动机位置的选择旨在实现激波最小化。洛马已经制造了一个缩比模型正在进行声学验证测试。发动机可能选择变循环或者三涵道发动机，因为它可以在起飞时增大涵道比从而降低噪声，然后在巡航时减小涵道比提高效率。商用无加力型三涵道发动机可以使用GE和普惠为美国军方研制的自适应军用发动机技术，后者计划于2019年开展地面试验。
在传统的涡扇发动机中，进入发动机中的空气分别流入核心机和外涵道。NASA的三涵道发动机增加了一个叶尖风扇和外圈的第三涵道，其流量占到总流量的一半。三股气流在排气系统内的混合方式则可以有很多种。
洛马选择了GE开发的反向速度剖面(IVP)喷管进行试验，布里奇斯表示这种喷管降噪效果更好。在IVP喷管设计中，核心机和主风扇气流先在喷管内圈混合，然后通过喷管外圈的环形区域排出。而叶尖风扇后的冷气流则通过喷管内的中心体引入内圈，最终排气时形成中心气流速度低，而外圈气流速度高的反向速度剖面，与传统喷管刚好相反。
这种喷管有两种降噪效果。首先，将高温高速排气放在外圈增加了高速排气和低速自由流空气之间的剪切作用，并加速混合过程。大部分喷气羽流噪声都是在下游产生的，使混合过程向上游移动并尽量靠近喷管能够提高机体的遮蔽效果。其次，将低温低速排气放在内圈，使外圈高温排气扩散到半径更大、但厚度更薄的环形区域，也有助于加速混合进程。
在格林中心喷管噪声试验台进行的验证试验采用10%缩比的IVP喷管模型，通过压缩气体供气并分成三股气流，分别采用热交换器冷却或用天然气燃烧器加热，以模拟发动机的实际工况。喷管安装位置靠近一个V型表面，模拟了飞机的机翼和尾翼，并根据不同飞行速度下的工作环境没入来流的不同位置。
在NASA格林研究中心声学测试台上安装于喷管口的表面捕捉到了机体对排气噪声的影响
为了适应试验台直径1.35米自由射流所模拟的飞行气流，以及在马赫数0.35速度下保证安全性，并尽量减小支撑杆带来的噪声影响，试验中采用了最小化的飞机平台。这对于捕捉机身对喷气羽流噪声源的遮蔽和反射效果已经足够，也能够提供与喷流存在相互作用的精确后缘形状。通过对模型在两个方向进行测定，可以测量出发动机噪声的最高值和最低值。
在取证时，飞机的噪声要在三个观测位置进行测量：飞越，也就是爬升航线的正下方;进近航路的正下方;以及跑道侧面，对测量结果进行累加后产生累积噪声水平。为了达到第4章-10dB的累积目标，希望发动机循环和系统设计能贡献5-10dB的噪声降低，采用增强掺混等喷管结构可降低2-4dB，而遮蔽等安装效应则可降低1-3dB。
排气噪声在侧向取证点占据主要成分，格林中心试验台上也将采用收音器阵列来进行测量。第3章对三发LM1044飞机的侧向噪声限制值为99.3 EPNdB，第4章则降低到96 EPNdB，NASA第4章-10dB的目标相当于侧向噪声水平92.7 EPNdB。
噪声试验预计要进行一个月，到9月初结束，之后还需要一个月用粒子成像测速对流场进行可视化分析。试验结束后将提交综合多发系统的侧向噪声水平数据，用于判定是否达到目标。洛马还将测量噪声的方向性来验证设计预测，提供噪声的相位排列图像来确认屏蔽效果，以及用湍流的图像来验证计算流体力学程序。
由于NASA并不制造发动机和喷管，布里奇斯表示在解决机场噪声技术挑战中研发的设计工具和得到的知识最终都将转移给工业界，从而设计出低声爆、低噪声的安静型超声速运输机，并具备经济上可行的巡航效率。
页:
[1]