Авиация России

Российские учёные из Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) разработали метод численного бимформинга, который позволяет локализовать источники шума на полномасштабных моделях сверхзвуковых самолётов с высокой точностью. Этот метод основан на решении обратной акустической задачи с применением уравнения Гельмгольца, он обеспечивает реконструкцию пространственного распределения и интенсивности акустических источников по данным виртуальных микрофонных решёток. В отличие от традиционных экспериментальных методов, численный бимформинг даёт возможность проводить детальный анализ шумовых характеристик конструкции без необходимости дорогостоящих физических испытаний.

В основе метода лежит обработка сигналов с массива микрофонов, где учитываются как монопольные (объёмные колебания), так и дипольные (силовые воздействия) источники шума. Для верификации корректности алгоритма применялся метод Фокса-Уильямса–Хокингса, который позволяет моделировать распространение звука в аэродинамических потоках. Реализация метода требует значительных вычислительных ресурсов: для анализа модели крыла размером 45 на 20 метров, имитирующего посадочную конфигурацию сверхзвукового бизнес-джета на скорости 245 км/ч, использовался суперкомпьютер «Ломоносов-2» с 24 видеокартами NVIDIA Tesla V100. Обрабатывалось порядка 220 миллионов расчётных точек, на что уходило десятки часов вычислений на каждую секунду полёта.

Результаты исследования показали, что источники низкочастотного шума (менее 250 Гц) связаны с вихревыми структурами в зоне предкрылков, тогда как высокочастотный шум (выше 1 кГц) формируется турбулентными следами за элементами механизации крыла. Такая дифференциация позволяет инженерам точечно оптимизировать конструкцию, снижая уровень шума в критических зонах на 5-7 дБ. Это способствует не только улучшению акустического комфорта, но и помогает соответствовать ужесточающимся международным нормам ИКАО по шуму, особенно актуальным для новых сверхзвуковых лайнеров.

Параллельно с работами ИПМ и МФТИ, Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) активно применяет метод бимформинга в своих исследованиях. В ЦАГИ использовали многоканальные акустические измерения и сферические микрофонные решётки для локализации и ранжирования источников шума в кабине экипажа самолёта SSJ100. Также проводились исследования аэродинамического шума авиационных двигателей вблизи планера самолёта с использованием адаптированных многомикрофонных методов бимформинга в рамках проекта IENA. Эти исследования позволили выявить основные источники шума и их частотные характеристик, а полученные результаты помогут разработать меры по снижению акустического воздействия на пассажиров и экипаж.

В Пермском Политехе учёные нашли способ уменьшить шум самолётов

Кроме того, ЦАГИ реализует комплексные программы по изучению шумовых характеристик широко распространённых коммерческих авиалайнеров, таких как Boeing 777 и Airbus A320. В частности, были проведены масштабные исследования на моделях этих самолётов в аэродинамических трубах различных размеров (6,3% и 26% масштабов) и в условиях летных испытаний. Эти работы позволили выявить различия в локализации и ранжировании источников шума, связанные с особенностями обтекания и масштабированием моделей, а также провести пересчёт шумовых характеристик с моделей на натурные условия. Анализ частотных диапазонов и направленности шума для Boeing 777-200 и Airbus A320/321 дал возможность более точно оценить акустическое воздействие и разработать рекомендации по снижению шума в критических зонах конструкции.

Таким образом, применение метода бимформинга в ЦАГИ охватывает широкий спектр задач — от локализации шумовых источников в кабине и на двигателях до комплексного анализа аэродинамического шума на моделях и натурных самолётах. Это позволяет не только повысить точность диагностики шумовых характеристик, но и интегрировать численные и экспериментальные методы для оптимизации конструкции и повышения комфорта пассажиров и экипажа.

Значение данных исследований для авиационной отрасли заключается в возможности снижения затрат на физические испытания, которые традиционно требуют значительных ресурсов и времени. Метод численного бимформинга позволяет сократить объём таких испытаний до 40%, обеспечивая при этом более детальный и точный анализ шумовых характеристик. Это открывает перспективы для интеграции численных и экспериментальных методов в процессе проектирования тихих сверхзвуковых и гражданских самолётов, соответствующих международным экологическим стандартам и требованиям ИКАО. Кроме того, технология может быть адаптирована для анализа шума двигателей, моделирования звукового удара и оптимизации конструкции фюзеляжа.

В ЦАГИ предложили комбинированный способ снижения авиационного шума

Сравнение с зарубежными исследованиями

Разработанный российскими учёными метод численного бимформинга соответствует современным мировым тенденциям в области акустического моделирования. Например, в NASA активно внедряются интегрированные цифровые методы для прогнозирования и анализа шума на этапе проектирования новых конфигураций летательных аппаратов, включая «экологически чистые» самолёты и «летающее крыло». В Airbus и ряде европейских лабораторий широко применяются экспериментальные методы, такие как Direct Field Acoustic Testing (DFAT), а также лабораторное моделирование шума на фрагментах фюзеляжа и крыльев. DFAT позволяет существенно снизить стоимость и ускорить испытания, однако требует сложной экспериментальной базы.

В отличие от зарубежных подходов, российский метод ориентирован на применение к полномасштабным моделям сверхзвуковых самолётов с акцентом на точную локализацию источников шума в виртуальной среде. Это особенно актуально при ограниченном доступе к дорогостоящим экспериментальным установкам. Сравнительный анализ показывает, что отечественная технология не только дополняет, но и в ряде случаев может заменить физические испытания, особенно на этапах проектирования, где важна оперативность и вариативность расчётов.

Артём Кириллов
для сайта «Авиация России»

Источники:

• М. Ю. Зайцев, В. Ф. Копьев, С. А. Величко, И. В. Беляев. «Локализация и ранжирование источников шума самолёта в летных испытаниях и сравнение с акустическими измерениями крупномасштабной модели крыла». Акустический журнал, 2023, Т. 69, № 2, стр. 165-176. DOI: 10.31857/S0320791922600561
• ЦАГИ принял участие в конференции, посвященной сотрудничеству стран БРИКС, 2022.
• ЦАГИ. Чтобы авиадвигатели были менее шумными: ученые ЦАГИ представили актуальные исследования аэроакустики, 2024.
• ЦАГИ. Шум самолета как научный вопрос, 2024 г.
• «Расчёты российских учёных помогут сделать сверхзвуковые самолёты тише». Союз авиапроизводителей России, 2025.
• Российский научный фонд. Проект по использованию многомикрофонной антенны и алгоритмов бимформинга для анализа шума самолётов, 2023.
• «Авиация России». В салоне SSJ100 станет тише, 2016.

133