ブリストル大学、航空機エンジンの騒音発生メカニズムを初解明。無音飛行に近づく
ブリストル大学の研究者らによって、エネルギー節約型の配置を特徴とする未来型航空機の組み込みエンジンがどのように騒音を発生させるかという謎が解明された
無音飛行が離陸に近づく、新たな研究結果
Journal of Fluid Mechanics誌に本日発表されたこの研究は、専門的には境界層侵入（BLI）ダクテッドファンとして知られるこれらのエンジンから、騒音がどのように発生し伝播するかを初めて明らかにした。
BLIダクテッドファンは、現代の航空機に搭載されている大型エンジンに似ているが、翼の下ではなく、部分的に航空機本体に埋め込まれている。前面と機体表面の両方から空気を取り込むため、飛行機を動かすのにそれほど強く働く必要がなく、燃料の消費が抑えることが可能だ。
ブリストル大学の空力音響風洞施設内にある境界層侵入（BLI）ダクテッドファン試験装置。
Mahdi Azarpeyvand教授の指導の下、ブリストル大学土木・航空宇宙・デザイン工学部のFeroz Ahmed博士が率いるこの研究は、同大学の国立航空音響風洞施設を利用した。その結果、ダクト、回転ファン、湾曲した機体表面を流れる空気から発生する明確な騒音源を特定した。
騒音パターンは、ファンの推力によって変化することがわかった。ファンが大きな推力を出しているときは、ダクトのないファンに見られるものと同様の騒音パターンが観察された。しかし、ファンの推力が小さくなると、ダクト自体の騒音が大きくなるため、騒音パターンが変化する。
Ahmed博士は、次のようにコメントする。
私たちの研究は、このような構成が生み出す騒音の背後にある物理を明らかにすることで、認証取得の大きな障害となっている騒音という緊急の問題に取り組んでいます。 BLIダクテッドファンの騒音メカニズムを理解することで、大型の従来型航空機から、eVTOLとして知られる小型の電動垂直離着陸機に至るまで、将来の航空機コンセプトにおいて、より静かな機体一体型推進システムを実現するための産業ガイドラインが開発されることが期待されます。
Bell X-22A、Embraer X、Airbus E-fan、Lilium Jet、Green Jet、Hybrid Air Vehicleなどのプロジェクトが、次世代航空機のためのこれらのシステム開発の先導役となっている。強力な電気モーターの進歩により、これらのシステムはより一般的になりつつある。
曲面の横に取り付けられた電動ダクトファン。
Ahmed博士：しかし、ダクト内蔵ファンには問題があります。特に、湾曲した機体表面の周囲から気流を取り込む場合、その騒音や静粛性はまだ謎なのです。 BLI構成に関するこれまでの研究のほとんどは、境界層が平らな機体表面上に形成されるダクトなしのファンに焦点を当てていました。しかし、ONERA NOVA、NASA/MIT Aurora D8、Airbus Nautilusなどのプロジェクトで見られるように、湾曲した機体表面の周りに空気を取り込むダクト付きファンに関しては、知識のギャップがあります。 そこで本研究では、湾曲した機体表面に設置された埋め込みダクトファンから発生する騒音に寄与する様々な要因を綿密に調べました。
研究者たちは、ONERA NOVA航空機コンセプトのような設計に見られる埋め込みエンジンのセットアップを再現し、湾曲した壁の横に取り付けられた電動ダクトファンを特徴とするBLI試験装置を設計した。
研究チームは、ファンの推力出力や発生する騒音の測定など、さまざまな種類のデータをリグから収集した。様々な音源間の複雑な騒音相互作用メカニズムを解明することで、このフレームワークは、騒音がどこから発生し、ファンが様々な推力レベルで作動するにつれてどのように変化するかという根本的な物理を明らかにするのに役立ったという。
Ahmed博士：環境への影響を最小限に抑え、快適なフライト体験を求める声が高まる中、より静かな航空機が求められています。この研究は、航空セクターにおける騒音排出を削減するための戦略開発に応用できる可能性があります。 さらに、BLIダクテッドファンの騒音寄与を解明するための我々の包括的な調査は、流体力学のコミュニティにおける重要な研究活動につながる可能性を秘めています。さらに、BLIダクテッドファンの騒音寄与を解明するための包括的な調査は、流体力学界における重要な研究活動の方向性を示す可能性があります。これにより、幅広い領域の乱流にさらされるダクテッドファンの空力音響現象に対する深い理解とさらなる探求が促進されるでしょう。 我々の研究は、湾曲した機体表面に取り付けられた近未来的な組み込みダクトファンによって騒音がどのように発生するかに光を当て、騒音パターンがファンの推力レベルによって変化することを明らかにし、より静かな次世代航空機の設計のための重要な洞察を提供します。
この研究は、ENODISEプロジェクト助成金の下、欧州連合のHorizon 2020研究・革新プログラムの支援を受け、ONERA（フランス航空宇宙研究所）および他の複数のパートナーと共同で実施された。
ブリストル大学