В авиа- и ракетостроении востребовано развитие технологии для снижения шума. В связи с этим актуальна разработка подходящих звукопоглощающих материалов, а на их основе создание акустических конструкций. Подобные изделия имеют особые характеристики и при их проектировании применяются различные подходы (например, подбор материалов по звукоизоляции, акустические нагрузки, сравнение расчетных данных).
Один из результативных способов в решении проблемы снижения уровня акустического воздействия на полезную нагрузку – новые математические методы, которые позволяют точнее выбирать параметры звукопоглощающих материалов и модифицировать элементы авиационных и космических конструкций.
Самарские исследователи приступили к работе над новым двухлетним проектом (2020-2021 гг.), который в декабре 2019 года вошел в число победителей на соискание гранта президента РФ для поддержки молодых учёных.
Проект «Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора параметров звукопоглощающих материалов и конструкций для снижения уровня акустического воздействия на полезную нагрузку перспективных изделий ракетно-космической техники» носит прикладной характер и направлен на решение задач ракетно-космической отрасли, а именно: получение способов защиты космических аппаратов от разрушительного воздействия сильного шума. То есть специалисты планируют разработать математическую модель звукопоглощающего пористого материала, затем экспериментальным путём снять акустические характеристики и уточнить расчеты для описания акустического воздействия.
Так, самарские инженеры, опираясь на опыт измерения акустического нагружения различных защитных элементов авиационной продукции, займутся усовершенствованием методов по модификации звукопоглощающих элементов.
На фото – Сафин Артур Ильгизарович – кандидат технических. наук, доцент кафедры автоматических систем энергетических установок Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва»
Руководитель проекта Артур Ильгизарович Сафин – кандидат технических наук, доцент кафедры автоматических систем энергетических установок Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва (Самарский университет) – отметил приоритеты будущего исследования и пояснил, что лежит в основе авторской методики по защите от акустического воздействия, над которой ученый продолжает работать.
«Современная космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из сотен тысяч и миллионов деталей, каждая из которых играет предназначенную ей роль.
Всю начальную массу ракеты можно разделить на две части: 1) масса рабочего тела и 2) конечная масса, остающаяся после выброса рабочего тела («сухая» масса). «Сухая» масса (масса «пустой», без рабочего тела, ракеты) состоит из массы конструкции и массы полезной нагрузки. Полезная нагрузка состоит из научной аппаратуры, радиотелеметрической системы, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, и т.п. Ракета в полете при выводе на орбиту подвержена огромным нагрузкам. Уровень шумов, генерируемых ракетой при выводе на орбиту колоссален. Так, ракета «Сатурн-5» при тяге около 3 млн. кг на уровне моря в течение 2 мин генерирует почти 200 млн. вт звуковой энергии, которая является также причиной дополнительного шума и вибрации, которые действуют не только на сам корпус ракеты, но и на всё, что в ней находится, включая и полезный груз, перевозимый ракетой. Так, на полезный груз, который находится под головным обтекателем ракеты, воздействует шум равный 160 дБ. Это очень значительный уровень (к примеру, при выстреле из автомата шум составляет всего 140 дБ), который может привести к повреждению полезного груза. Для решения этой проблемы внутреннюю поверхность под головным обтекателем облицовывают материалом пенополиуретан (ППУ), что позволяет снизить уровень шума, –
Артур Сафин подробно рассказал, какое прикладное значение имеет разработка моделей для описания акустического воздействия, –
Сейчас при производстве ракетоносителей этим материалом облицовывают всю внутреннюю поверхность под головным обтекателем, что приводит к увеличению массы и снижению объема полезной нагрузки. Шум ракеты в ряде ситуаций не оказывает никакого воздействия на некоторые части полезной нагрузки, поэтому облицовочный материал в данном случае просто "съедает" массу и объем, в который можно было бы поместить полезный груз. Один из способов решения данной проблемы – устанавливать этот материал локально, в определенном месте, чтобы он выполнял свои функции и не забирал место у полезной нагрузки».
Рисунок 1. Представлен один из методов снижения шума - облицовка внутренней поверхности пенополиуретаном (ППУ)
Артур Сафин подчеркнул, что его исследование направлено на «определение оптимальных мест, в которых нужно использовать шумопоглощающий материал, чтобы избежать потери массы и объема полезного груза. Разработанная мной математическая модель позволяет без дорогостоящих экспериментальных исследований спрогнозировать, как акустический шум воздействует на полезный груз, на основе этого, определить места установки шумопоглощающего материала».
В рамках реализации научного направления по изучению акустических шумов ученые Самарского университета периодически предлагают передовые разработки для потребностей российского авиапрома.
«Наш университет традиционно уже много лет проводит исследования в области авиационной и ракетно-космической техники. В начале своей научной карьеры и работы над кандидатской диссертацией с 2011 по 2014 гг. я занимался разработкой звукопоглощающих элементов для газотурбинных двигателей (ГТД) самолетов. После успешной защиты я занялся исследованиями для аэрокосмической отрасли, начал изучать новую для меня информацию в данной области. При работе над данной темой стали завязываться новые знакомства со специалистами в данной области. На основе этой информации и контактов зародилась эта идея. Подходы в данной работе очень близки к моей кандидатской диссертации, поэтому план исследований близок к плану исследований моих предыдущих работ», – сообщил Артур Сафин.
Что предстоит учёным в этом проекте?
По словам Сафина, суть исследования очень проста: «Наша задача в том, чтобы полезная нагрузка выводилась на орбиту в целости и сохранности и не разрушалась от акустического воздействия. Решение данной задачи позволит отечественному ракетостроению сделать большой шаг вперед».
Для этого исследования Артур Сафин собрал группу из молодых учёных. В состав участников проекта вошли аспиранты и студенты Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва. Так, аспирант Александр Владимирович Кузнецов является сотрудником АО «РКЦ «Прогресс» и будет заниматься экспериментальными и теоретическими исследованиями. Аспирант Елена Николаевна Ермилова – сотрудник Самарского университета. Перед ней стоит задача проведения патентного и литературного анализа математических моделей звукопоглощающих материалов и средств измерения акустических характеристик. Студенты займутся поиском необходимой литературы и проведением экспериментальных исследований. По замечанию Артура Сафина, «любое научное исследование – это творческая работа, и здесь сложно выстроить четкий алгоритм работы. Но можно сказать совершенно точно, работать мы будем вместе, дружной командой».
Для решения задач научного исследования самарскими специалистами рассматривается математическая модель звукопоглощающего материала, основанная на использовании метода конечных элементов. В чем он заключается?
Как пояснил Артур Сафин, «шум характеризуется спектром, который состоит из звуковых волн разных частот. Шум можно разделить на широкополосный, который включает в себя целый набор частот (шум, который вы услышите, если выдернуть антенну из телевизора), и дискретный, с определенной заданной частотой (писк или свист). Под головным обтекателем формируется как дискретный, так и широкополосный шум».
Поэтому ученым требуется получить новые теоретические данные и построить модели. «Нами будут разработаны две математические модели. Первая это полуэмпирическая модель для расчета акустических характеристик материала ППУ (пенополиуретан), которая использует не только математические преобразования, но и результаты экспериментальных исследований. Она нужна для определения частот и уровня поглощения шума материалом в зависимости от его толщины. С помощью этой модели мы сможем подобрать оптимальную толщину материала, – объяснил руководитель проекта доцент Сафин –
Вторая модель основана на первой и использует метод конечных элементов, что позволяет оптимально расположить этот материал под головным обтекателем ракеты и достичь необходимых параметров снижения шума. С помощью второй модели можно будет проводить виртуальные экспериментальные исследования, которые позволят моделировать условия полета ракеты и дадут возможность оптимально расположить материал ППУ».
В предыдущих работах по снижению шума авиационного двигателя Артур Сафин проводил исследования, используя разработанные им звукопоглощающие элементы, изготовленные из металлорезины (МР). Для экспериментальной части этого проекта ученый выбрал другой материал – пенополиуретан (ППУ). В чем преимущество этого материала?
«Есть определенные стандарты для ракетостроения, согласно которым нельзя использовать другие типы материалов. Но, отвечая на ваш вопрос, если сравнить ППУ с МР, то квадратный метр ППУ с нужными нам акустическими характеристиками толщиной 10 мм будет весить 3,5 кг, а МР с аналогичными характеристиками более 300 кг», - уточнил Артур Сафин.
В данном случае самарские специалисты будут проводить экспериментальные исследования коэффициента звукопоглощения образцов материала ППУ различной толщины в импедансной трубе. Как отметил Артур Сафин, «принцип действия оборудования основан на методе передаточной функции, который позволяет значительно быстрее по сравнению с методом стоячей волны рассчитывать нужные характеристики. Также планируется закупка дополнительного оборудования для определения удельного коэффициента сопротивления продуванию».
Итак, предлагая инновационные методы разработки для элементов ракеты-носителя, участники проекта прокладывают свой путь исследователя, продолжая традиции самарской (куйбышевской) школы по динамике и виброакустике и внося посильный вклад в развитие отечественной авиакосмической отрасли.
«В результате исследования мы планируем получить новую методику выбора параметров звукопоглощающих материалов и конструкций для снижения уровня акустического воздействия на полезную нагрузку перспективных изделий ракетно-космической техники. Но самое главное заключается в том, что мы получим новые знания и результаты, которые позволят усовершенствовать ракетостроение Российской Федерации», – нацелен руководитель проекта-победителя в конкурсе для молодых ученых Артур Сафин.
