"Конкорд-2". Часть 3. Проблемы шума

Обычно выделяют три источника шума реактивных двигателей: реактивная струя, шум компрессора/вентилятора (направлен вперед) и шум турбины (аналогичен шуму компрессора, но направлен назад). Для одноконтурных двигателей основной источник шума - реактивная струя, причем этот шум направлен во все стороны, а не только назад (хотя сзади он, конечно, интенсивнее). Для двухконтурных двигателей этот шум заметно падает с увеличением степени двухконтурности. Так, даже для очень низкой степени двухконтурности 0,5 он будет меньше на 6 дБ (то есть вдвое по звуковому давлению). Есть данные, что установка задней турбовентиляторной приставки, превращающей одноконтурный двигатель GE CJ-805 в двухконтурный (со степенью двухконтурности 1,6) позволила снизить шум на 12 дБ (то есть в 4 раза по звуковому давлению) при одновременном росте тяги на 40%. Надо понимать, что проблемам шума стали уделять внимание лишь в конце 60-х, когда "Конкорд" уже был готов. Тогда и появились многочисленные глушители, простейший из которых - гофрированная "розочка" (см. рис.). Они разбивали струю горячих газов на более мелкие струйки и тем самым ускоряли перемешивание с окружающим воздухом. Также использовались эжекторы, подсасывающие внешний воздух в сопло и уменьшающие разницу скоростей между струей и внешней средой. Глушители ставили на старые моторы, чтобы они вписались в действующие нормы, а новые самолеты выпускались уже с двухконтурными двигателями, изначально более тихими. Однако глушители, помимо лишнего веса, еще и снижали на несколько процентов тягу двигателей (соответственно увеличивая расход топлива). Для СПС с регулируемыми соплами возможен и еще один вариант снижения шума - раскрыть сопло больше оптимального. Скорость струи упадет, тяга тоже немного снизится, но шум снизится гораздо больше. И главное, это технически просто и не приведет к увеличению расхода и снижению тяги на крейсерском режиме.

А почему бы не поставить двухконтурные двигатели на СПС, коли они так хороши? Да они как раз и стояли - и на Ту-144 (со степенью двухконтурности 0,6), и на обоих серийных сверхзвуковых "стратегах" (на нашем Ту-160 - со степенью двухконтурности 1,4 и на американском B-1 - вообще со степенью двухконтурности 1,9). Однако при этом растет диаметр вентилятора - то есть площадь воздухозаборника и мидель мотогондолы. И если при дозвуковом полете воздухозаборник это по сути "дыра", не создающая сопротивления (оно есть только у кромок), то на сверхзвуке поток перед ним тормозится, и "дыра" превращается в "глухую стену" (а суммарная площадь воздухозаборников СПС примерно равна миделю фюзеляжа!). Поэтому без форсажа "стратеги" на сверхзвуке летать не могут - второй контур превращается в "тормоз". А форсаж во втором контуре фактически превращает весь двигатель в ТРД, просто во втором контуре камера сгорания (тот самый форсаж) имеет худший КПД из-за в разы меньшей степени сжатия.

Правда, есть одна компоновочная хитрость. С учетом того, что мидель двигателя примерно на треть больше площади воздухозаборника, оптимизированного для сверхзвукового полета, можно "утопить" мотогондолы в "аэродинамической тени" фюзеляжа или крыла и тем самым уменьшить суммарный мидель самолета. Ярким примером служит Ту-160 - там двигатели почти наполовину утоплены в толстую корневую часть крыла (а толстая она из-за наличия ниш для шасси и шарнира для поворотных консолей, тут никуда не денешься).

Но мы несколько отвлеклись. С шумом струи разобрались, а как с шумом компрессора и турбины? С 60-х годов был проведен огромный объем работ по его снижению, и на современных лайнерах эта проблема уже не стоит. Если спроектировать одноконтурный мотор для СПС на базе первого контура какого-нибудь современного турбовентиляторного двигателя, то совершенно очевидно, что его шум будет даже меньше, чем у "базового" мотора. Почему? Во-первых, нет огромного вентилятора, который сам по себе заметный источник шума (причем направленного и вперед, и назад). Во-вторых, длинные и узкие воздухозаборники СПС гораздо эффективнее гасят шум компрессора и требуют гораздо меньшей площади звукопоглощающих панелей, чем огромные воздухозаборники обычных лайнеров, из которых значительная часть шума излучается напрямую (то есть не отражаясь от стенок), и поэтому звукопоглощающие панели тут дают гораздо меньший эффект. В-третьих, при определенных компоновках СПС шум может экранироваться крылом, в то время как у обычных самолетов моторы висят под крылом и никак не экранируются.

Посмотрим, как обстояло дело с шумом у "Конкорда". Его конструкция была оптимизирована для сверхзвукового полета, а по взлетно-посадочным характеристикам это был тихий ужас (хотя правильнее сказать "громкий"). На нем стояли одноконтурные турбореактивные двигатели (сами по себе шумные), причем при взлете приходилось включать форсаж (что еще добавляло шума). Чтобы хоть как-то его снизить, использовался эжектор, подсасывающий воздух между двигателями и мотогондолой, плюс к этому на взлете створки реверса немного прикрывались, образуя еще один эжектор и вдобавок играя роль мини-экранов. Но все равно из некоторых аэропортов с наиболее жесткими требованиями по шуму приходилось взлетать недогруженными, чтобы не включать форсаж. Надо помнить, что на взлетно-посадочных режимах недостаточно эффективны были не только двигатели "Конкорда", но и его крылья (тоже оптимизированные под сверхзвук), поэтому его взлетная скорость была заметно выше, чем у дозвуковых самолетов, а набор высоты осуществлялся более полого. В результате над контрольной точкой, где измерялся шум, "Конкорд" пролетал на относительно низкой высоте. А теперь вспомним, что интенсивность шума падает пропорционально квадрату расстояния до источника... Ну в общем вы поняли...  

Как уже упоминалось в предыдущей части, был готов проект усовершенствованного "Конкорда" (Concorde B). Он отличался улучшенными взлетно-посадочными характеристиками за счет появления предкрылков и увеличенного размаха крыльев, увеличенной на 10% дальностью за счет большего объема баков и доработанными двигателями. Причем их доработка заключалась в отказе от форсажной камеры (она стала выполнять функции глушителя) и небольшом увеличении диаметра компрессора, часть расхода которого отбиралась для "виртуального второго контура", который добавлял 25% тяги вместо отсутствующего форсажа. В результате уровень шума при взлете снизился на 10 дБ (то есть примерно в три раза по звуковому давлению), и самолет смог вписаться в действующие на тот момент нормы по шуму. Однако проблему звукового удара решить так и не удалось, и это стало приговором всей программе... Но об этом в следующей части.