Безмолвие самолета

На первый взгляд кажется, что бионика — не что иное, как чистой воды интеллектуальный плагиат человека по отношению к природе. Это верно, но отчасти. Человек, решая какую-то техническую задачу, пытается найти выход, но, увидев в мире животных оригинальное решение похожей проблемы, он успешно применяет «природный патент» в своих изделиях. Природа — учитель, который любезно предоставляет пытливому человеку подсказку для решения той или иной инженерной задачи. Например, ночные бабочки могут научить, как снизить шум самолета.

Ночные бабочки одеты в роскошные шубы. Это защита не от холода, а от радаров летучих мышей

Рев самолета

Шумность — одна из серьезнейших проблем авиации. Рев самолета столь громок, что аэродромы строят подальше от населенных пунктов, а когда населенный пункт подбирается к летному полю, возникают конфликты. Авиационные власти пристально следят за этой ситуацией. Сегодня во всем мире действуют весьма жесткие стандарты ICAO (Международная организация гражданской авиации). Они не только ограничивают уровни шумов самолетов, но и предписывают снижать верхние границы шума для новых летательных машин. Малейшее нарушение стандартов шумности — и самолет не проходит сертификацию, а значит, его не допускают к эксплуатации. Или возможен полет летательного аппарата, но только в дневное время суток.

По этой причине авиационные фирмы не всегда могут успешно продавать свои самолеты. Например, советский самолет Ан-70 с винтовентилятором СВ-27 имел превосходные летные характеристики, был на 30% экономичнее аналогичного самолета с турбореактивными двигателями, но из-за сильного шума, создаваемого винтами, его не покупали зарубежные авиакомпании. Как говорится, ложка дегтя портит бочку меда.

Основной источник шума — пропеллер, или воздушный винт. Первый успешный самолет с винтом разработали и изготовили братья Райт в 1903 году. На протяжении последующих 40 лет, вплоть до появления реактивных двигателей в 50-х годах ХХ века, воздушный винт оставался единственным агрегатом, который создавал тягу самолету. Сегодня пропеллер переживает второе рождение. Это связано как с многократным увеличением воздушных перевозок на самолетах с винтовыми движителями, так и с возросшим интересом к электрической и малой авиации, которая также использует пропеллеры. Тем не менее, несмотря на столь долгую жизнь воздушного винта, его основные конструктивные особенности были и остаются неизменными: удлиненные вращающиеся лопасти, наружные поверхности которых традиционно выполнены цельными и гладкими.

Поскольку есть вращающиеся лопасти, они неизбежно производят шум при разрезании воздушного потока. Абсолютным рекордсменом по шуму оказался истребитель-бомбардировщик XF 84 F, созданный в США в 1955 году. Мощность шума от пропеллера этого самолета составляла 135 дБ, и он был слышен в радиусе 40 км от летательного аппарата! Истребитель пользовался дурной репутацией у пилотов, и, в конце концов, из-за шума винтов они категорически отказались его пилотировать. Напомню, что ухо человека воспринимает акустические волны в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц и чувствительно к мощности звука от 0 до 140 дБ. Причем звук в 130 дБ вызывает боль, а больше — контузию.

Бесшумные крылья

Как же снизить шум пропеллера? Над этим инженеры бьются со времен Первой мировой войны. Основная идея — изменить геометрию лопасти пропеллера: увеличить ее длину, придать ей специфическую форму, уменьшить толщину или добиться, чтобы снизились значения концевых скоростей. Видимо, эти ресурсы близки к исчерпанию, а в качестве источника новых идей полезно обратиться к природным находкам.

Вот, например, сова. Это большая птица, которая летает практически бесшумно, может незаметно подлететь к жертве и схватить ее. Бесшумным полет совы делает специфическое строение крыльев: на верхней их части перья встопорщены, а на нижней — гладко уложены. Нельзя ли использовать такую идею для снижения шумности самолетов?

Именно так поступил Марк Каллендер из университета Среднего Теннесси в 2017 году, старавшийся уменьшить шум беспилотников. В отличие от пилотируемой авиации, беспилотники могут быть очень маленькими и летать низко, буквально между зданий, а также появляться в людных местах. И там шуметь. Сейчас пока нет ограничений на их шумность, однако инженеры уже предвидят, что такие ограничения по мере роста числа беспилотников могут появиться. Поэтому к уменьшению шума от их пропеллеров надо готовиться уже сейчас.

Каллендер сделал пропеллер с жесткой бахромой по верхнему краю и провел испытания в аэродинамической трубе. Действительно, уровень шума снижался, но за это пришлось заплатить — при одинаковой скорости вращения винта тяга у экспериментального пропеллера была меньше по сравнению с обычным. Когда пронормировали шумность на тягу, оказалось, что при малой тяге выигрыш огромный: шум снижался на 8 дБ, то есть более 10%, а при высокой, когда винт крутился со скоростью 7000 оборотов в минуту никакого выигрыша не было, только проигрыш в расходе топлива. Конечно, беспилотник с маломощным двигателем и сам по себе мало шумит, однако, если использовать принцип совы, он станет шуметь еще меньше.

А много ли это — 8 децибел? Например, обычная человеческая речь по своей громкости отличается от звука печатающей машинки на 10 дБ. Аналогично различаются шепот человека и тиканье настенных часов или громкий галдеж нескольких человек и звук от мотоцикла с глушителем.

Защита ночной красавицы

Впрочем, совы — не лидеры среди бесшумно летающих животных. Непревзойденными мастерами акустически скрытного полета оказались насекомые, а именно ночные бабочки. Искусство их бесшумного полета столь высоко и совершенно, что, например, человек не слышит никакого звука от пролетающей рядом с его ухом ночной бабочки. При этом насекомое непрерывно машет крыльями, а сегменты его грудного отдела постоянно вибрируют с большой частотой; по всем правилам от него должен идти звук.

Благодаря акустической скрытности полета ночные бабочки получили двойной выигрыш: во-первых, их главные враги, летучие мыши, не слышат летящее чешуекрылое насекомое и не нападают на него. Более того, энтомологи утверждают, что способность к бесшумному полету у ночных бабочек появилась как раз благодаря летучим мышам. Дело было так. Предки современных чешуекрылых изначально, начиная с юрского периода, примерно 200 млн лет назад, вели исключительно ночной образ жизни. Это объясняют тем, что в ночном небе у них не было врагов, поскольку все древние крылатые хищники (стрекозы, мелкие птеродактили) вели дневной образ жизни. Однако 55 млн лет началось царство млекопитающих. И в небе появились опасные ночные хищники — летучие мыши. Рукокрылые безошибочно обнаруживали свою жертву в кромешной тьме при помощи острого слуха, фиксирующего шум, издаваемый летящей жертвой, и эхо — отражение ультразвукового сигнала мыши от ночного летуна. Ситуация для предков бабочек стала критической. В итоге одна часть насекомых этого отряда была вынуждена изменить свой образ жизни с ночного на дневной, и так 40–50 млн лет тому назад возникли дневные бабочки. А другая часть сохранила привычный ночной образ жизни, однако начала совершенствовать и развивать средства борьбы с рукокрылым агрессором.

Одним из таких средств оказался покров ночных бабочек. Он состоит из миллионов так называемых крыловых отростков — микроволосков и чешуек — размером от 50 до 200 мкм. Крыловые отростки располагаются на теле и крыльях бабочки таким образом, что между ними неизменно имеются микрозазоры, их еще называют «воздушные поры». Представим, что на крыло действует воздушная волна, причем не важно, откуда она взялась: звук ли это, порожденный бабочкой при полете, или радар летучей мыши. При движении волны частицы воздуха в воздушных порах начинают колебаться, тереться друг о друга и о поверхности чешуек. Так их энергия переходит в теплоту, и мощность звуковой волны падает.

Чтобы понизить мощность звуковых волн как можно в более широком диапазоне частот и с наибольшей эффективностью, эволюция играла величиной и формой воздушных пор между чешуйками. Результатом стало большое разнообразие длин крыловых отростков и их плотностей расположения на крыльях и теле: чешуйки обильно покрыли ночных бабочек от головы до конца брюшка и теперь эффективно поглощают энергию не только звуковых сигналов летучих мышей, но и звуков, производимых колеблющимся тельцем самой бабочки и ее крыльев, рассекающих воздух. Так чешуйчатый покров стал акустическим камуфляжем насекомого. Впрочем, это касается не только ночных бабочек. У дневных камуфляж похуже, он снимает шум лишь от работы крыльев. Ну да, у дневных насекомоядных нет тех радаров, что используют летучие мыши.

Однако у такого камуфляжа нашлись недостатки — крылья, плотно окутанные чешуйчатым покровом, весьма тяжелы, а из-за толстого покрова на теле оно перегревается. Особенно это плохо для дневных бабочек, обитающих в жарком климате. Решение оказалось таким: чешуйка стала пористой. Однослойный покров, состоящий из таких чешуек, легок, не мешает теплообмену и поглощает шум.

Надо отметить, что свойство чешуйчатого покрова бабочек эффективно поглощать энергию слышимого звука и ультразвука впервые открыли исследователи из России, и прежде всего мой учитель, кандидат биологических наук О.М. Бочарова-Месснер. Ее научные работы 70-х годов ХХ века легли в основу исследований в этом направлении. Значительно позднее ученые из Великобритании, США и КНР подтвердили свойство чешуйчатого покрова бабочек поглощать энергию локационных сигналов летучих мышей.

Рассмотрим два примера пористых чешуек. У парусника Papilio bromius крыловой отросток состоит из двух микропластин. Верхняя пластина пористая, она и контактирует с воздухом. Ее пористость составляет 70%, а диаметр пор около 240 нанометров. Нижняя пластина значительно тоньше верхней, она цельная и прилегает к крылу. Между верхней и нижней пластинами находится воздушный зазор, который образован при помощи невысоких опор. Толщина этой конструкции не превышает 3 микрометров. Как видим, у этой бабочки только одна пористая структура — верхняя микропластина.

Ячейки на крыльях парусника Papilio bromius представляют собой сложную наноструктуру из двух пластин. Верхняя испещрена сквозными отверстиями, а к нижней она крепится невысокими колоннами, которые создают зазор для перетока воздуха Изображения: Optics Express, 2012, 20, 8, 8877

Другой тип чешуйки у репницы. Она также содержит две микропластины. Верхняя разбита продольными и поперечными ребрами на прямоугольные клетки. Нижняя пластина идентична таковой у парусника. В воздушном зазоре между микропластинами расположены микрогранулы. Так что у этой чешуйки две пористые структуры — верхняя микропластина с крупными порами-клетками, ее пористость 40%, и слой из микрогранул с пористостью 30%.

Бабочка Pieris rapae (а), попросту репница, близкая родственница капустницы, не кажется мастером акустического камуфляжа. Однако приглядимся к устройству ее крыльев. Они, естественно, покрыты чешуйками (б), которые состоят из микропластин (в) с ребрами жесткости. Ребра крепятся колоннами к нижней сплошной пластине (г), а пространство между ним может быть заполнено гранулами (д, е) Изображения: Proc. R. Soc. Lond. B, 2004, 271, 1577

При детальном рассмотрении подобных структур диву даешься разнообразию форм пористых чешуек современных бабочек, а также архитектурному изяществу и конструктивной сложности каждого крылового отростка в отдельности. Столь сложное строение пористой чешуйки объясняется множеством ее функций: помимо поглощения звука она еще увеличивает подъемную силу крыла, уменьшает его вибрацию, придает окраску крылу, участвует в терморегулировании тела, защищает крыло от облучения ультрафиолетовыми лучами. Кроме того, покров спасает от ловчих сетей пауков: бабочка прилипает к ним не поверхностью крыльев, а чешуйками, которые легко отделяются, давая возможность насекомому улететь из опасного места. Так что бабочки при помощи чешуек успешно применяют законы аэродинамики, термодинамики, оптики и акустики.

У бабочки Heliconius melpomene никаких гранул нет: чешуйки со сквозной пористостью Изображения: Proc. R. Soc. Lond. B, 2004, 271, 1577

Пористый винт

Если чешуйчатый покров уменьшает шум бабочки в полете, то возникает вполне обоснованное предположение, что он также сможет уменьшать шум работающего воздушного винта.

Чтобы проверить эту гипотезу, мы изготовили и исследовали в аэродинамической трубе в акустической камере три совершенно одинаковых по форме воздушных винта, но с разными обшивками. Поверхность первой обшивки была сплошной и гладкой — как у современных пропеллеров. Обшивка второго и третьего пропеллеров была пористой: у одного — как у парусника, только размеры пор были в 400 раз больше, а у другого — как у репницы, но в 800 раз больше.

Для удобства назовем обшивку второго винта — «акустическая обшивка с полой областью», а обшивку третьего винта — «акустическая обшивка с пористым наполнителем». Результаты исследований показали, что пропеллер с акустической обшивкой, имеющей полую область, создает шум на 1,5 % меньше по сравнению с таким же пропеллером, но с цельной обшивкой. А пропеллер с акустической обшивкой с пористым наполнителем генерирует шум на 4% меньше по сравнению с традиционным. Это очень хороший результат, особенно с учетом того, что проведены лишь первые опыты. А согласно требованиям ICAO, в ближайшее время необходимо снижать шум на 10 дБ, это соответствует в среднем 10% от нынешнего уровня шума самолетов.

Как акустическая обшивка с пористым наполнителем поглощает звук? Звуковая волна проникает в открытые поры, колеблющиеся частицы воздуха в этих порах трутся о гранулы, в результате неизбежно выделяется тепло с потерей звуковой энергии.

В акустической обшивке с полой областью механизм несколько иной. При прохождении звуковой волны по поверхности вращающегося пропеллера возникают зоны повышенного и пониженного давления. Чем меньше разница давлений между этими областями, тем звук слабее, и наоборот — чем больше разница давлений, тем звук мощнее. Обе зоны звуковой волны связаны между собой при помощи пор внешней пластины и воздушной полости, которая позволяет перетекать воздуху в воздушной полости из области с высоким давлением в область с низким давлением, тем самым уменьшая перепад давлений между ними.

Когда звуковая волна падает на акустическую обшивку с полой областью, воздух перетекает через поры между областями с разным давлением и громкость звука падает

Как видно, прием, почерпнутый при изучении бесшумного полета бабочки, вполне работает при создании новой авиационной техники. Пока мы это показали, используя лишь два типа структур акустической обшивки. Дальнейшие работы непременно приведут к появлению более тихого пропеллера. Однако беззвучный самолет возможен лишь при комплексном подходе. Ведь акустическую обшивку можно наносить не только на пропеллеры, но и на поверхности крыльев, двигателей и фюзеляжа. В таком малошумном самолете будет приятно и безопасно летать, а обитатели поселков вблизи аэродромов избавятся от раздражающего рева воздушных кораблей.

Игорь Ковалёв,
лаборатория науки и технологии Киннеретского колледжа, Израиль