【行业动态】NASA的锯齿形喷口技术助力降低飞机噪音
时间: 2025-04-14 04:52:43 | 作者: 按动力品牌
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2001年3月27日黎明刚过,美国国家航空航天局(NASA)的飞行员比尔・里克(Bill Rieke)驾驶着 NASA 的蓝白相间的里尔25型喷气式飞机,从凤凰城郊外的一个机场起飞,并低空飞过一系列麦克风,进行一项开创性 NASA 技术的首次飞行测试。
在这架飞机的一个发动机上,安装着一个试验性的锯齿形边缘喷管。位于克利夫兰的格伦研究中心(Glenn Research Center)的研究人员发现,这种喷管能明显降低飞机噪音。这些最初的飞行测试是在现代飞机上应用这种 “锯齿形喷管”、降低社区噪音水平的重要一步。
自20世纪50年代第一架喷气式客机出现以来,NASA格伦研究中心就一直在探索降低发动机噪音的方法。20世纪60年代的新型涡轮风扇发动机噪音较小,但整个航空业的扩张意味着噪音仍然是一个问题。随着 20 世纪 70 年代噪音限制指令的出台,NASA与发动机制造商开始了长达数十年的降低噪音技术的探索。
NASA 的研究人员发现,军方在发动机喷管出口处使用矩形切口或凸片(用于帮助伪装喷气式战斗机的红外特征),也能够最终靠帮助混合发动机核心的热空气和通过发动机风扇吹出的冷空气来降低发动机噪音。20 世纪 90 年代,格伦研究人员丹尼斯・赫夫(Dennis Huff)和他的同事发现,一种锯齿形的形状,即所谓的锯齿形(chevron),更具潜力。
NASA 与通用电气(General Electric)和普惠公司(Pratt & Whitney)签订合同,开发一系列凸片和锯齿形设计,并在格伦独特的航空声学推进实验室(Aero-Acoustic Propulsion Laboratory,AAPL)做多元化的分析。1997 年春季的广泛测试显示了使用这类喷管降低噪音的可能性。
发动机制造商对这些发现印象非常深刻,但对任何可能会影响性能的技术持谨慎态度。因此,1998 年,NASA 资助了对 14 种最有前景设计的发动机测试。测试显示,锯齿形喷管的推力仅减少了可忽略不计的 0.25%。这是喷气式飞机噪音研究的一个重大进展。
2000 年 9 月,格伦飞行运营部接到了关于在该中心的里尔 25 型飞机上对锯齿形喷管进行飞行测试的后勤工作的询问,以验证地面测试并改进计算机建模。然而,直到第二年年初,赫夫通知飞行运营主管里克,研究人员希望在 3 月下旬进行飞行测试,此时距离测试只有八周的准备时间,这个请求才又有了进一步的进展。
格伦声学部门与位于弗吉尼亚州汉普顿的 NASA 兰利研究中心(Langley Research Center)以及亚利桑那州的发动机制造商霍尼韦尔(Honeywell)的同事们一起努力。他们计划于 2001 年 3 月 26 日至 28 日在凤凰城郊外的埃斯特雷拉滑翔机场(Estrella Sailport)进行测试。
由于 NASA 格伦研究中心的小型飞行运营团队当时正忙于结冰研究和太阳能电池校准飞行,因此安排了美国联邦航空管理局(FAA)的飞行员艾伦・汤姆(Ellen Tom)协助进行锯齿形喷管的飞行测试。尽管面临各种挑战,里克和一个小团队还是按计划于 3 月 25 日将里尔飞机送到了埃斯特雷拉。第二天,他们与来自兰利和霍尼韦尔的大团队进行协调,并获取了基线噪音数据。当里尔飞机以 500 英尺的高度和每小时 230 英里的速度飞过三排垂直排列的麦克风时,飞行员让未改装的发动机处于怠速状态。
在接下来的两天里,飞行模式不断重复,同时交替使用两种不同的锯齿形喷管。研究人员称,飞机接近时无显著的噪音降低,但飞过后噪音明显降低。录音也支持了这些观察结果,并表明侧面噪音也降低了。
由通用电气 J-85 涡轮喷气发动机的变体提供动力的里尔飞机的飞行,得到了霍尼韦尔涡轮风扇发动机驱动的猎鹰 20 飞机的补充。这些飞行最终证实了早期在 AAPL 测试中发现的噪音降低效果。
总体而言,这些飞行测试非常成功,仅仅一年多后,美国联邦航空管理局(FAA)就开始对通用电气的 CF34-8 发动机进行认证,这是首款采用锯齿形技术的商用飞机发动机。该发动机于 2003 年首次在庞巴迪 CRJ900 飞机上飞行。NASA 和行业的持续研究带来了改进的设计,并将锯齿形应用于更大的发动机,如通用电气的 GEnx 发动机。
据赫夫称,锯齿形喷管降低 3 分贝的噪音,相当于两台割草机运行和一台割草机运行的噪音差异。它们相对容易集成到发动机设计中,并且对推力的影响极小,这使得锯齿形喷管成为降噪技术的一项突破。2002 年,NASA 向进行这些飞行测试的格伦、兰利和霍尼韦尔团队颁发了创新奖。如今,像波音 737 MAX 和 787 梦想客机等客机都使用锯齿形喷管来降低机场附近社区的噪音水平。