直升机动力系统三大主要动部件噪声问题简介
导读直升机在飞行中产生的噪声一直是不容忽视的问题。军用直升机噪声大会使其过早暴露;民用直升机由于常在人口稠密的城区起飞着陆以及低空慢速飞行，其噪声不仅会对市民及乘员的健康带来不利影响，甚至影响到直升机的市场销售。因此，从动力系统入手，降低直升机噪声一直是现代直升机设计中的一个重要研究方向。
涡轴发动机、传动系统及旋翼系统作为三大主要动部件，是直升机绝大部分噪声来源。涡轴发动机转子转速一般在20000～60000r/min，旋翼系统转速范围一般不超过500r/min，而传动系统是将高转速发动机功率转化为低转速旋翼空气动力的桥梁，其传动链上各级齿轮转速介于旋翼低转速与发动机转子高转速之间，因此直升机噪声频率从低到高，涉及范围很大，其动力系统产生噪声的机理、传播途径及影响范围又各不相同，这给直升机噪声研究带来了很大挑战。
涡轴发动机噪声 随着环境保护观念深入人心，各国适航条款对发动机噪声排放提出了明确要求，航空燃气涡轮发动机噪声研究的重要性获得了广泛认同。但是，航空燃气涡轮发动机噪声研究工作主要还是围绕大型涡扇发动机的降噪需求展开，专门针对涡轴发动机的噪声研究比较少见。虽然涡扇发动机噪声研究方法及成果可以给涡轴发动机设计提供参考，但是由于涡轴发动机转速远高于涡扇发动机，因此有必要开展相关噪声的专门研究。
涡轴发动机主要噪声来源于气流通道中引起的气动噪声以及发动机结构振动产生的机械噪声，其中气动噪声与结构振动相互耦合，使得发动机噪声研究成为异常复杂的多物理场耦合问题。涡轴发动机噪声测试通常在专业的地面声学试车台上进行，其目的在于明确发动机噪声特性，通过诊断程序判别发动机具体的噪声源，以及为满足飞机噪声适航审定的要求而获取噪声数据。
对航空燃气涡轮发动机噪声的研究，基本上都是在户外试车台或消声室等理想声场内进行。透博梅卡公司在阿赫尤(Arrius-2B2)涡轴发动机的进气口和排气口上加装声衬，法国航空航天局(ONERA)利用大规模的3D传声器阵列技术在户外试车台上专门测量了阿赫尤的噪声级数据，验证了这项改动能使整台发动机降低7dB噪声。
欧盟技术发展框架大纲FP7中，针对涡轴发动机噪声专门开展了涡轴发动机噪声排放识别(TEENI)计划。TEENI计划集合了透博梅卡公司、Avio公司、德国航空航天研究试验院(DLR)以及ONERA等欧洲11家公司及研究单位，以阿蒂丹(Ardiden-1H)发动机为研究平台，重点研究了发动机各部件对宽带噪声排放的贡献，并通过在进气与排气通道中安装声衬来减小噪声排放。
在先进直升机设计中，直升机设计人员针对涡轴发动机噪声产生机理及特点，通过详细分析及试验能够实现有效降低发动机噪声排放的目的。例如，通过控制发动机燃烧室火焰稳定燃烧，可以减少燃烧室内压力的随机脉动，有效降低燃烧室产生的噪声;通过采用结构优化设计方法优化发动机及传动系统结构来改进喷口设计，从而降低发动机进出风口的排气噪声水平。西科斯基公司在RAH-66科曼奇直升机尾梁两侧设置向下狭长的带状排气口，发动机喷气排入尾撑内部的宽大流道，然后导入带状排气口，这样可以极大地强化与环境空气的混合，达到降低发动机排气噪声水平的目的，增强直升机隐身性能。
传动系统噪声 传动系统噪声主要源于因齿轮啮合误差引起的高频啮合激振力引起的机匣、支架等结构的振动而产生的结构性噪声，此噪声为谐波噪声。传动系统噪声与机械振动紧密联系且相互耦合影响，因此噪声水平也是反映传动系统品质的重要指标：一方面噪声可能影响系统性能，导致系统零部件过早疲劳，甚至失效;另一方面传动系统噪声是直升机舱内噪声的最主要来源，对直升机乘员直接产生不利影响。直升机传动系统减振降噪技术研究对保障系统性能，提高系统安全性和可靠性以及乘员舒适性方面有着重要意义，直升机发展过程中应将噪声水平作为传动系统设计先进与否的主要考核指标。
20世纪90年代，先进旋翼机传动系统研究(ART)计划由美国航空航天局(NASA)与美军牵头，波音公司、西科斯基公司、麦道公司和贝尔公司均积极响应，主要目的在于实现直升机传动系统减重、降噪、提高寿命和可靠性。ART计划将传动系统噪声在1987年主流水平基础上减少10dB作为判别传动系统先进与否的三大重要指标之一。经过多年持续研究，各公司在直升机传动系统领域均达到了预定的目标，取得了丰硕成果。2001年，美军又提出了21世纪旋翼机传动系统研究(RDS-21)计划，该计划本质上是ART项目的延续，主要由波音公司和西科斯基公司参与。RDS-21计划对新一代直升机传动系统减重、降噪、提高寿命、降低全生命周期费用提出了明确而愈来愈高的要求，其中传动系统发出的噪声须再降低15dB。
美国在ART计划及后续的RDS-21计划实施过程中，对直升机传动系统噪声的控制技术研究足够重视，对噪声控制以具体的噪声下降指标来考核。NASA刘易斯研究中心的齿轮传动噪声研究试验器专门对直升机齿轮传动噪声产生原因进行了广泛的研究，取得了不少成果。该试验器以OH-58D基奥瓦直升机主减速器为平台，对基准机和采用低噪声设计的基奥瓦直升机进行噪声对比试验，试验结果表明噪声降幅可达7～16dB，验证了低噪声传动系统设计技术的有效性。
由于传动系统噪声主要由齿轮啮合误差引起的结构振动产生，因此传动系统降噪技术的重点在于各种吸振、隔振、连接及阻尼结构的理论分析和设计技术研究，以及加工装配精度对转子、齿轮动力特性及噪声的影响分析研究。ART计划中各直升机公司通过改进传动系统齿形设计以减小齿轮啮合噪声，并采用在主减速器均扭装置设置弹性层以及在主减速器输入齿轮轮辐设置弹性花键等手段来实现噪声传播途径的衰减隔断。
波音公司在传动机匣设置压电作动器，在微处理机控制下生成与噪声相位0相差180°的反向波形，从而实现主动抵消噪声，CH-47直升机台架试验及前齿轮箱全尺寸模拟试验结果表明主动减噪的效果良好。基于贝尔407直升机平台，贝尔公司也研究了多谐波主动结构声控的可行性，以实现将传动系统传到直升机驾驶舱的噪声降低的目的。通过对直升机主传动系统噪声主成分进行分析，导出传动阶段的主导声源，应用压电陶瓷作动器以控制声波在变速箱配套支撑或接收面板中的传播。
旋翼系统噪声 涡轴发动机及传动系统产生的噪声由于频率较高，在传播过程中衰减很快，因此影响范围主要集中于机舱内的乘员。旋翼系统转速较低，与空气作用产生的低频噪声穿透能力强，对于直升机周边环境而言，旋翼系统噪声为主要成分，因此对于直升机旋翼系统噪声原理、噪声测试及噪声控制技术的研究比发动机和传动系统噪声研究开展得更加深入。
直升机旋翼系统噪声通常分为旋转噪声、宽带噪声和桨叶拍击噪声，其中旋转噪声是由桨叶旋转而引起的周期性离散噪声，可进一步细分为厚度噪声、载荷噪声、桨-涡干扰噪声(BVI)和高速脉冲噪声(HIS)。旋翼系统产生的各类噪声的机理、频段及产生位置均各不相同，因此旋翼系统噪声相对于直升机位置具有指向性，比如厚度噪声和高速脉冲噪声主要向前传播，载荷噪声及宽带噪声主要垂直飞行平面向地面传播。
旋翼系统噪声研究主要集中在噪声计算和噪声控制技术，旋翼噪声计算与旋翼流场的求解密切相关。近年来随着旋翼计算流体力学(CFD)技术的快速发展，桨叶表面气动力计算精度得到很大提高，由此带来噪声计算精度的同步提高。目前旋翼气动噪声领域常见的计算方法是Kirchhoff方法和FW-H方法。
旋翼系统噪声控制技术通过发展旋翼被动降噪设计或旋翼主动降噪设计技术来实现。旋翼被动降噪设计是通过旋翼的气动布局优化以降低特定种类噪声分量，设计对象包括后掠、尖削和下反等不同构型桨尖的优化设计，旋翼翼形的优化设计，旋翼桨叶的扭转角分布设计，旋翼桨叶弦长分布优化设计等。英国BERP计划IV阶段发展的一种先进桨尖形式的旋翼能有效实现直升机外部噪声的下降。欧盟“旋翼气动噪声优化项目”(ERATO)通过旋翼气动布局优化使得噪声下降了7dB。
旋翼主动降噪设计技术通过在旋翼内安装传感器、作动器等装置来实现旋翼桨叶攻角或相位的主动控制以降低旋翼噪声。主动降噪设计技术包括高阶谐波控制、单片桨叶控制、主动后缘小翼控制、噪声声压抵消以及自适应旋翼控制等。西科斯基公司在SMART旋翼项目中重点开展在旋翼桨叶上布置前缘和后缘装置进行降低振动和噪声的研究，目前该项目已完成验证机试验，计划进行飞行试验。空客直升机公司研究了通过双襟翼特殊设计降低BVI噪声的ADASYS旋翼，其双襟翼通过压电材料装置以每分钟15～40次的频率进行驱动，从而改变桨叶的气流和运动，降低直升机降落时的振动和噪声。
来源：国际航空(ID：interavi)，原文刊载于《国际航空》2015年第12期
作者：李坚、袁巍，中航工业航空动力机械研究所，高级工程师;陈亚农，中航工业航空动力机械研究所，研究员
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