Темпы развития гражданской авиации до 2020 года (около 6% в год), по прогнозам, будут превышать рост мировой экономики (4,8% в год). В 2006 году в реестре Международной организации гражданской авиации (ИКАО) значилось 22 820 магистральных и региональных самолётов американского и европейского производства, а также около 4,5 тыс. самолётов, построенных в России и в Украине (из них около 1500 подконтрольны Межгосударственному авиационному комитету СНГ (МАК), а остальные летают под флагами других стран). Здесь не учтены летательные аппараты сельскохозяйственной авиации, организаций по ликвидации чрезвычайных ситуаций и многие другие. По расчётам фирмы «Боинг», к 2025 году регулярные международные и региональные авиарейсы будут выполнять более 60 тыс. самолётов.
Казалось бы, только радоваться авиастроителям. Но не всё обстоит так радужно. В авиации есть два фактора, к которым приковано пристальное внимание многочисленных организаций защитников окружающей среды, — акустический шум и выброс, или, на профессиональном языке, эмиссия отработавших газов.
Первой возникла проблема шума. В середине прошлого века появились быстрые и вместительные самолёты с турбореактивными двигателями, такие как Ту-104, Боинг-707, DС-8 и др. Экономическая выгода использования этих машин была налицо, но оглушительный рёв могучих моторов раздражал людей, живших в окрестностях аэропортов. Посыпались протесты, которые часто принимали форму судебных исков против авиакомпаний и аэропортов.
Вообще говоря, из всех неблагоприятных экологических факторов шум вызывает больше всего жалоб от населения, и их число уступает лишь количеству жалоб на вырубку зелёных насаждений во дворах. Это объясняется тем, что от шума практически невозможно спрятаться. Даже спящий человек не защищён от звуков. Наш слуховой орган выполняет роль «сторожа», сигнализируя об опасности, и поэтому уши в отличие от глаз всегда «работают». Долгое воздействие шума приводит к расстройствам нервной системы, ухудшению работоспособности и другим печальным последствиям.
В результате многочисленных жалоб населения на самолётный шум в 1969 году под эгидой ИКАО была созвана специальная конференция, на которой выработаны основные принципы его оценки, ограничения и акустической сертификации новых типов летательных аппаратов. Все эти принципы отражены в Приложении 16 к основному документу ИКАО — Чикагской конвенции о международной гражданской авиации 1944 года.
Здесь надо уточнить, что оценка уровня шума в авиации имеет свою специфику. В обычных условиях для этих целей применяется шумомер, дающий интегральную характеристику шума в децибелах во всём диапазоне звуковых частот. Но различные области звукового диапазона по-разному воспринимаются ухом: например, на фоне оркестра всегда выделяются фанфары — их звучание кажется более громким. Поэтому при измерении шума в авиации звуковой диапазон разбивается на полоски шириной в 1/3 октавы и для каждого участка устанавливается свой весовой коэффициент. Таким образом, для самолётного шума были введены так называемые эффективные уровни воспринимаемой шумности, выражаемые в специальных единицах EPNдБ.
Уже в 1972 году нормы ИКАО были введены в действие. Дважды — в 1976 и 2001 годах — нормы ужесточались.
Это дало заметные результаты. Самолёты стали тише. Но стало ли тише вокруг аэропортов, которые располагаются достаточно близко от крупных населённых пунктов? К сожалению, ответ отрицательный. Количество взлётов и посадок самолётов с каждым годом растёт, городские кварталы приближаются к аэропортам, аэропортов также становится больше, и они оборудуются дополнительными взлётно-посадочными полосами. Так что работы по снижению шумности продолжаются, и их интенсивность не снижается.
В России основная роль по разработке стандартов на шум и методов их выполнения принадлежит Центральному аэрогидродинамическому институту (ЦАГИ).
Основной шум производят двигатель и планер самолётов. При разбеге и взлёте доминирует шум двигателя; при крейсерском полёте и посадке шум, вызываемый обтеканием воздухом элементов планера, приближается по уровню к шуму двигателя.
В турбореактивных двигателях компрессор гонит воздух в камеру сгорания, сжимая его до давления 6—7 атм. Воспламенение топлива рождает струю раскалённых газов, которая, вырываясь с огромной скоростью из сопла, создаёт реактивную тягу. Вот из-за этой-то огромной скорости реактивная струя турбулизирует окружающий её воздух, отчего и возникает шум. Кроме того, шумят механические детали: компрессор и турбина, лопатки которых тоже создают сильную турбулентность.
Большие резервы по уменьшению шума дала замена обычного турбореактивного двигателя (ТРД) двухконтурным турбореактивным двигателем (ТРДД). Вентилятор в переднем отделе ТРДД подаёт часть воздуха в компрессор, а часть пускает вокруг него по второму внешнему контуру. Струя воздуха на выходе из сопла смешивается с более холодным воздухом второго контура, снижает свою скорость и температуру и соответственно турбулизацию.
Чем больше отношение диаметров корпусов первого и второго контуров, тем выше эффект. На выставке «Двигатели-2008», проходившей в рамках Конгресса по двигателестроению, был показан отечественный двигатель ПС-90А2. Этот гигант имеет воздухозаборник диаметром около 3 м, в котором размещён многолопастный вентилятор с лопатками очень сложной конфигурации. На основе исследований специалистов ЦАГИ и Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ) удаётся снизить уровень шума подбором закрутки лопаток, их количества и расстояния между ними.
Снизить турбулентность и соответственно шум струи позволяют шевроны волно-образной формы на срезе сопла.
Если воздухозаборник сделать скошенным, чтобы его нижняя часть выступала вперёд, то звуковая волна от работающего вентилятора пойдёт вверх и не будет достигать земли.
Другим способом снижения шума двигателя стало широкое использование так называемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Сегодня их разработка — самостоятельная область акустики.
По принципу работы звукопоглощающие конструкции, выполняющие функции звуковых фильтров, разделяют на два типа: резонансные и диссипативные (с рассеиванием энергии). В резонансных ЗПК энергия падающей звуковой волны гасится за счёт возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объёмах резонаторов. В диссипативных ЗПК потеря акустической энергии происходит за счёт трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала.
Резонансные ЗПК, применяемые в системах шумопоглощения авиационных двигателей, представляют собой одно- или двухслойные сотовые конструкции. Двухслойные ЗПК могут быть настроены не на одну, а на две частоты, но у обоих типов полоса гасимых частот достаточно узкая.
Чтобы расширить область звукопоглощения, в настоящее время акустики и конструкторы активно работают над созданием многослойных ЗПК, ячейки которых заполнены мелкопористым материалом, а также адаптивных ЗПК, изменяющих свои свойства в зависимости от параметров звукового поля.
Прорывом на фронте борьбы с шумом можно считать создание градиентных звукопоглощающих конструкций с плавным изменением пористости и плотности по толщине слоя. Отличительная черта этих материалов, созданных во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ), — высокая звукопоглощающая способность в очень широком диапазоне.
Благодаря установке ЗПК на новых отечественных авиадвигателях удалось снизить шум самолётов семейства Ту-204 и Ил-96 до норм ИКАО, действующих с 2001 года. К сожалению, применение звукопоглощающих конструкций не только удорожает строительство самолёта, но утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива.
Уровень шума двигателей, достигающий земли, зависит и от компоновочной схемы самолёта. Практически все гражданские авиалайнеры выполнены по той же схеме, что и появившиеся в середине 1950-х годов Ту-104 и Боинг-707. В то же время у хорошо известного во многих странах пожарного самолёта-амфибии Бе-200 два двигателя установлены над крыльями. Это продиктовано необходимостью максимально удалить их от водной поверхности, на которой глиссирует, взлетает и приводняется самолёт. Но такая компоновка дала и хорошие акустические характеристики: самолёт даже с не самыми тихими двигателями легко выполняет нормы шума ИКАО. Дело в том, что наиболее неприятные тона работающего реактивного двигателя находятся в области 3 кГц, и ширина крыльев достаточна, чтобы они оказались хорошим звуковым экраном.
Как упоминалось выше, шумят не только двигатели, но и фюзеляж, крылья, оперение и другие детали планера. Причина — в той же турбулентности. Обтекаемое тело с гладкой поверхностью обладает малым сопротивлением именно потому, что поток воздуха огибает его беспрепятственно, нигде не нарушаясь и образуя минимальное количество вихрей. На практике самолёт с такими аэродинамическими свойствами создать невозможно — любой выступ и даже швы между панелями корпуса становятся источниками турбулентности. Успехом на этом направлении стало создание технологии бесшовного воздухозаборника, который не создаёт даже малых возмущений воздушных потоков.
Правда, в некоторых случаях без дополнительной турбуленции не обойтись. Так, при посадке, чтобы снизить скорость, выпускают подкрылки. На их кромках происходит срыв потока встречного воздуха, образуются завихрения, создающие дополнительное сопротивление и тормозящие самолёт. Но эти же завихрения приводят к увеличению шумности.
Такие же явления возникают при выпускании шасси. С вихрями пытаются бороться, устанавливая на шасси специальные обтекатели.
Все существующие средства шумоподавления относятся к пассивным, то есть глушат уже существующий звук. Но развитие науки и техники приблизило нас к возможности активно воздействовать на источники шума. Например, внутри корпуса двигателя можно установить систему из микрофонов и излучающих устройств, которые принимали бы звуковой сигнал и подавали бы его обратно в противофазе. Пока экспериментальная система получается весьма сложной и громоздкой, однако хорошо уже, что процесс пошёл.
Многого мы ждём от фундаментальных исследований механизмов генерации шума турбулентными потоками, роли в этом процессе вихревых структур, изучения проблем образования вихрей и их распада. Так, удалось установить, что турбулентная струя состоит из совокупности элементарных вихревых колец различного размера, напоминающих по структуре кольца табачного дыма, которые выпускают виртуозы-курильщики. Каждый такой вихрь генерирует узкополосные звуковые колебания, и они в сумме дают широкополосный шум турбулентной струи. Возможно, в будущем мы научимся управлять излучением звука и создавать высокоэффективные методы снижения шума.
Проблема эмиссии отработавших газов возникла позже — в середине 1970-х годов. Причиной стало появление на международной арене организации Гринпис, занимающейся охраной окружающей среды. В 1977 году в ИКАО был организован комитет по эмиссии авиационных двигателей. Его специалисты разработали ограничения по выбросу с отработавшими газами вредных веществ, и в 1981 году эти нормы принял Совет ИКАО. В нормах указывались предельное содержание окиси углерода (СО), несгоревших углеводородов (НВ) и оксидов азота (NОx).
Выполнение норм позволяло улучшить обстановку в районах аэропортов, но оставались вопросы относительно полётов на высоте. Дело в том, что в последние годы человечество озабочено глобальным потеплением климата. На роль антропогенного фактора в этом процессе существуют противоположные взгляды, и сторонники обеих точек зрения не раз выражали своё мнение на страницах журнала «Наука и жизнь». Тем не менее, пока дискуссия не закончилась, конструкторы авиадвигателей вынуждены принимать меры по уменьшению выбросов в атмосферу парниковых газов. Правда, «вклад» авиации в эмиссию углекислого газа невелик и составляет всего 3%, но положение усугубляется тем, что авиационные выбросы имеют место на большой высоте, где формируется климат.
Перед инженерами встают дополнительные трудности, поскольку в полёте выявить влияние эмиссии на окружающую среду, увы, невозможно. Кроме того, прекратить выбрасывать в атмосферу углекислый газ можно будет только после изобретения альтернативного топлива, появление которого сейчас невозможно прогнозировать.
Пока же реально попытаться повысить эффективность использования в авиационных двигателях традиционного углеводородного топлива. Для этого, в частности, вместо трубчатых камер сгорания начинают использовать кольцевые, применяют устройства для более мелкого распыления топлива и создания максимально однородной горючей смеси (гомогенизации). Подобные работы ведутся в ЦИАМ в сотрудничестве со специалистами ЦАГИ.
Успешно бороться с шумом и вредными выбросами поможет переход к новому типу самолётов на основе концепции летающего крыла. У этого летательного аппарата сверхширокий фюзеляж плавно переходит в крыло. Подобная форма способствует уменьшению турбулентности, и соответственно улучшаются аэродинамические характеристики, снижается шумность. Воздухозаборники двигателей располагаются над верхней поверхностью корпуса, который превращается в эффективный звуковой экран. Это будет уже настоящий «зелёный» самолёт.
Иллюстрации предоставлены авторами.
