Control strategies for aircraft airframe noise reduction

With the development of low-noise aircraft engine, airframe noise now represents a major noise source during the commercial aircraft’s approach to landing phase. Noise control efforts have therefore been extensively focused on the airframe noise problems in order to further reduce aircraft overall noise. In this review, various control methods explored in the last decades for noise reduction on airframe components including high-lift devices and landing gears are summarized. We introduce recent major achievements in airframe noise reduction with passive control methods such as fairings, deceleration plates, splitter plates, acoustic liners, slat cove cover and side-edge replacements, and then discuss the potential and control mechanism of some promising active flow control strategies for airframe noise reduction, such as plasma technique and air blowing/suction devices. Based on the knowledge gained throughout the extensively noise control testing, a few design concepts on the landing gear, high-lift devices and whole aircraft are provided for advanced aircraft low-noise design. Finally, discussions and suggestions are given for future research on airframe noise reduction.     

大型客机起飞着陆过程噪声辐射特性对比分析

 基于准稳态假设和分布点声源模型,并采用最新发展的噪声源半经验参数预测公式,发展和完善了用于飞机飞行过程中噪声辐射预测的计算模型和方法。该计算方法能够预测飞机起飞、着陆过程中的适航噪声,并能够对飞机不同噪声源的噪声辐射特性（声级、频谱特性和指向性等）进行计算分析。以某大型客机为对象,对飞机进场着陆过程和起飞过程中飞机噪声源进行了计算分析,计算结果表明,飞机进场着陆和起飞过程中,不同噪声源对远场噪声级的影响有明显的差异,起飞过程中发动机风扇噪声源是最主要的噪声辐射源,而在进场着陆过程中飞机机体噪声（包括起落架和襟翼等）是重要的飞机噪声源。文中也给出了不同噪声源频谱特性和指向特性等。     

民机机体噪声及其降噪研究

分析了机体噪声源的主要机理及其基本性质。机体噪声由绕起落架装置和高升力系统的流动引起的压强脉动产生。起落架和前缘缝翼产生的基本上是宽频噪声,它们和襟翼的宽频噪声的强度分别随速度的6次方、4.5次方和5次方变化。实际飞行中还应注意存在的"寄生"噪声。此外,较为详尽地讨论了包括QTD II、RAIN、SILENCE(R)和TIMPAN等降噪措施在内的研究项目及其可获得的效果,还讨论了噪声的计算方法,介绍了国外航空界提出的未来民机需降噪的目标,表明民机设计面临降噪的巨大挑战。     

基于改进的传声器阵列数据分析技术的飞机机体噪声实验研究

 发展了一种平面传声器阵列数据处理新方法——洁净信号处理算法,通过对传声器阵列混淆和旁瓣信号的有效抑制,改进了对声源的分辨。基于改进的数据分析方法,研究了真实飞机结构和真实飞行条件下飞机起落架、襟翼等声源的频谱特性、指向特性。研究结果表明,新的信号处理算法可以更加清晰地分离出飞机表面的气动噪声源。起落架噪声的频谱是由宽频随机噪声与一些较为明显的单音噪声源组成,在不同辐射角度时,起落架噪声的声级在不同频率范围有一定的差异。襟翼侧缘噪声频谱是一个包含有个别明显单音噪声的宽频噪声谱,襟翼内侧缘噪声谱和外侧缘噪声谱有明显的差异,在低频范围,襟翼侧缘噪声的指向性比较明显,但在高频范围,襟翼侧缘噪声没有明显的指向性。     

STUDY ON FLAP SIDE-EDGE NOISE BASED ON THE FLY-OVER MEASUREMENTS WITH A PLANAR MICROPHONE ARRAY

After the significant progress that has beenachieved in engine noise reduction in the last twodecades,the airframe noise of civil transportshas now become a major concern for noise certi-fication and environmental considerations.Con-sequently,aircraft manufacturers and researchcenters have been working on airframe noisewith the objectives of developing reliable noiseprediction schemes and reducing aerodynamicnoise generation at the source in recentyears[1～ 2 ] .　　 Of all the airframe noise …     

增升装置多段翼型气动声学风洞实验研究

随着航空运输业的蓬勃发展,飞机的噪声污染受到越来越多的关注。在大型飞机起降阶段,增升装置作为主要的机体部件,其辐射出的噪声量级已经占据飞机总体噪声的很大一部分,是未来飞机能否进一步降低噪声达到适航标准的关键性因素。针对增升装置多段翼型30P30N的气动噪声问题进行实验研究,实验在北航D5气动声学风洞中开展,使用Kevlar布和穿孔板对实验段进行了气动声学改造,以满足透声不透气的气动声学实验要求。通过远场传声器和麦克风阵列测量得到30P30N模型的远场气动噪声特性和定位主要声源位置,引进小波变换的信号分析方法得到噪声的时频特性,全面揭示多段翼型的气动噪声产生机理。     

大型飞机增升装置气动噪声研究进展

对于现代大型商用飞机而言,在飞机进场和降落阶段,由于飞机发动机处于低功率状态而起落架和增升装置全部打开,此时的机体噪声十分明显,在飞机总的噪声中所占的比重不容忽视。近几十年的大量研究,已经对增升装置的气动噪声特性和机理有相当程度的认识,并在流动控制和降噪技术方面取得丰硕成果。本文主要介绍国内外在大型飞机增升装置气动噪声领域所取得的研究成果和最新进展。增升装置的噪声主要是由前缘缝翼凹槽产生的低频离散噪声、襟翼侧缘的中频宽带噪声和前缘缝翼尾缘涡脱落的高频离散噪声三部分组成。目前,降噪技术主要分成被动流动控制降噪技术和主动流动控制降噪技术两类,被动降噪技术有前缘凹槽遮挡、前缘凹槽填充、前缘下垂等;主动流动控制手段有吹吸气、等离子体激励器等。     

机翼尾迹脱落涡噪声的理论研究

Ｍｉｃｈｅｌ等人１９９８年应用平面传声器阵列对飞机过顶噪声进行的测量研究首次发现，机翼尾迹脱落涡噪声是某些类型飞机重要的噪声源。为发展一种预测这种噪声源的理论预测模型，应用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ涡街模型模拟二维机翼下游尾迹脱落涡，尾迹涡的强度和脱落频率应用这个模型进行计算。基于Ｈｏｗｅ后缘噪声理论，并结合尾迹模型，本文发展了一种预测脱落涡噪声声压级和指向特征的气动声学模型。对６架现代商用飞机的机翼尾迹脱落涡噪声的计算表明，本文理论模型预测的涡脱落频率、声压级以及噪声的指向性等与实验测量结果有较好的一致性。     

An artificial neural network approach for aerodynamic performance retention in airframe noise reduction design of a 3D swept wing model

With the progress of high-bypass turbofan and the innovation of silencing nacelle in engine noise reduction, airframe noise has now become another important sound source besides the engine noise. Thus, reducing airframe noise makes a great contribution to the overall noise reduction of a civil aircraft. However, reducing airframe noise often leads to aerodynamic perfor-mance loss in the meantime. In this case, an approach based on artificial neural network is intro-duced. An established database serves as a basis and the training sample of a back propagation (BP) artificial neural network, which uses confidence coefficient reasoning method for optimization later on. Then the most satisfactory configuration is selected for validating computations through the trained BP network. On the basis of the artificial neural network approach, an optimization pro-cess of slat cove filler (SCF) for high lift devices (HLD) on the Trap Wing is presented. Aerody-namic performance of both the baseline and optimized configurations is investigated through unsteady detached eddy simulations (DES), and a hybrid method, which combines unsteady DES method with acoustic analogy theory, is employed to validate the noise reduction effect. The numerical results indicate not merely a significant airframe noise reduction effect but also excel-lent aerodynamic performance retention simultaneously.     

新一代大型客机复合材料

 大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点,用量已达结构重量50%。复合材料结构不仅带来了明显的减重效益,而且带来了结构耐腐蚀、疲劳和维护等性能的改善提高。波音787飞机人性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得到显著改善。民机复合材料结构技术重点研究解决了复合材料自然环境老化、大型翼面壁板整体成型、机身大开口区载荷重新分布和应力集中、地面维护装备冲击损伤、健康检测等关键技术问题,并且建立了以中模高强碳纤维/韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺为主的大型客机复合材料结构材料体系。对复合材料机翼和机身结构的设计和工艺关键技术问题做了较为详尽的介绍。     

舰载机全机落震试验方法

舰载机全机落震试验是在实验室环境下测试舰载机着舰时结构动态载荷、动态响应以及机载设备冲击环境下功能可靠性的重要试验手段。本文提出了舰载机全机落震试验的试验方法,并对试验过程中机翼升力模拟、试验件下沉速度控制、试验件航向速度模拟及机体动态载荷测试等试验过程中的关键技术问题提出了解决方案,并通过试验对技术方案进行了验证。最后通过全机落震试验系统验证了试验方法的可行性及有效性,为舰载机着舰动态载荷及响应的测试提供了可行的试验方法,并为舰载机研制提供可靠的试验数据。     

飞机起落架气动噪声特性仿真与试验

 对某型飞机前起落架的气动噪声特性进行了数值仿真分析和声学风洞试验研究。在典型飞机着陆速度下,采用分离涡(DES)方法模拟起落架周围非定常湍流流场,通过涡声理论计算声源的强度和位置,并利用FW-H(Ffowcs-Williams/Hawkings)方程积分外推法求解出不同部件及其组合件产生的声场,分析其噪声的产生机制、频谱特性及远场指向特性,同时评估各部件对总噪声的贡献量。在声学风洞中对轮胎和轮叉组合件进行气动声学试验,借助麦克风测量获得了噪声的频谱特性。基于部件固体表面积分计算的仿真结果与试验结果在声学远场条件下吻合较好。仿真结果表明:起落架气动噪声是钝体绕流噪声和空腔噪声的叠加,呈现宽频噪声的特性。强度最大的声源主要分布在起落架各部件的固体表面;轮胎噪声对总噪声的贡献最大,其次是轮叉噪声,支柱噪声对总噪声贡献最小。各部件噪声和总噪声均具有偶极子声源的辐射特性。空间可穿透积分面计算的声压级结果比固体表面计算的声压级结果大5 dB左右。该研究结果为低噪声起落架设计提供了一定的参考。     

非直线滑跑飞机的摆振与滑跑稳定性

在非惯性坐标系中建立了起落架支柱的动力学模型。与飞机地面运行的六自由度模型结合，可以考察非直线滑跑飞机的起落架摆振现象及飞机地面滑行的方向稳定性。以Ｋ８飞机为例，考察了非直线滑跑模型与传统的直线滑跑模型的摆振特点及飞机的滑跑稳定性。算例结果合理，表明模型可供有关研究参考。     

考虑机体弹性的起落架着陆仿真分析

首先建立机身的有限元模型,该模型的模态与全机地面共振(GVT)试验测得模态相吻合.然后分析起落架缓冲器受力,并编制程序,计算出相关的曲线,LMS仿真平台调用上述曲线对单个起落架进行仿真,在单个起落架仿真结果与落震试验结果吻合的基础上,对某型飞机进行刚性机身全机落震仿真分析.最后调用机身有限元模型进行柔性机身全机落震仿真...     

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机,针对1：15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响,对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算,再现了风洞试验现象,通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂,这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速,为保证飞行安全,继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示,在飞行雷诺数和螺旋桨转速下,相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失,偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析,建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系,进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估,研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。     

舰载机着舰减震新技术研究

 在航空母舰上引入降落区的概念,考虑航空母舰的运动模型,建立了舰载机在该降落区上降落时的简化分析模型;推导出了基于该分析模型的运动微分方程及相关参数的表达式,采用数值分析方法解出飞机垂直撞击舰面降落区这一过程的动态响应,给出机身载荷-时间历程曲线和舰面垂支反力-时间历程曲线等。与原模型分析结果相比,机身受载和舰面垂直反力峰值减小分别37.3％和37.2％,有效地减小了舰载机着舰的冲击载荷。     

基于实测值的舰载机着舰下沉速度影响性分析

舰载机的着舰下沉速度是起落架设计的重要输入,对起落架和机体的结构重量有很大影响。为了探索舰载机使用环境下各相关参数对下沉速度的影响,基于E-2C的实测着舰数据,将多元统计学的相关分析方法应用到舰载机着舰参数影响性分析,分析了17个着舰参数与着舰下沉速度的相关性。结果表明飞机下滑角、甲板俯仰角与下沉速度呈高度相关,舰上接合速度与下沉速度呈中度相关,这三者对下沉速度有很大影响;并进一步对这4个着舰参数进行非线性回归分析,拟合了E-2C着舰下沉速度的计算式,所得回归模型决定系数为0.991,平均绝对误差为1.66%,拟合效果很好。     

大型客机前起落架气动噪声源三维阵列识别技术研究

起落架噪声作为现代大型飞机机体噪声在起降阶段的主要贡献成分,其噪声机理较为复杂,涉及到钝体湍流涡脱落噪声、腔体部件空腔噪声以及起落架舱腔体与支柱柱体之间的非线性耦合噪声。由于起落架中存在复杂的三维流场以及声波的反射和绕射会产生噪声,而二维麦克风阵列在垂向的分辨率较差,无法获得声源完整且准确的三维空间分布信息,因此采用三维麦克风阵列技术对起落架噪声进行研究。使用3D Beamforming算法(波束成形算法)和3D CLEAN-SC算法(空间相干的洁净算法)结合同步测量和非同步测量的方式实现了对模拟信号和实际测量数据所得频谱中特定的离散声进行声源识别定位,并在北航D5低速风洞进行开口段气动噪声实验,以1/2缩比的LAGOON起落架为研究对象,在过顶和流向方向布置两组平面阵列,构成三维阵列进行同步和非同步的噪声测量,确定了起落架中主要噪声源的位置,对认知噪声机理提供了新的借鉴和思考。     

一种高效的正常类飞机全机疲劳试验方法

目前国内飞机结构疲劳耐久性评定通常采用规范谱和飞机典型设计任务剖面相结合来编制疲劳试验载荷谱,对全机完整结构进行考核,这将耗费巨大的成本和周期,也因此全机疲劳试验成为型号机体结构设计验证最后以及最复杂的一环。对于以经济性为主要研制要求的正常类飞机,为了推进型号研制工作和取证进度,需要缩减全机疲劳试验的成本和周期。在CA42型飞机适航取证的全机疲劳试验工作中,依据FAA认可的规范谱编制了疲劳试验谱,将疲劳考核目标由整机结构调整为机体主要承力结构,并相应简化了全机疲劳试验载荷加载方式,形成了一种高效的全机疲劳试验方法。通过该方法,CA42飞机全机疲劳试验仅耗时两月,试验成本主要为工时,有效的推进了适航取证工作,并缩减了研制成本。     

Prediction of noise radiation from basic configurations of landing gears by means of computational aeroacoustics

Noise radiation from aircraft during the takeoff and landing has become a major issue for inhabitants living in the vicinity of airports and thus for regulation authorities and aircraft developers. However the numerical simulation of aeroacoustic noise, especially for complex geometries like a landing gear, remains one of the most difficult challenges in aeroacoustics. The present study, aiming at predicting noise radiation from basic geometries as well as the noise radiation of a simplified landing gear, employs a hybrid approach that combines a CFD simulation with the decoupled computational aeroacoustics (CAA) simulation. Flow-induced noise is assumed to originate from turbulence. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with different closure approaches can be employed to gain the required turbulent quantities. Subsequently, quantities as the mean flow velocities, pressure, density, turbulent kinetic energy and dissipation rate of the CFD simulation are the starting point for the generation of the transient acoustic sources by the stochastic noise generation and radiation (SNGR) method. It is assumed that the acoustic phenomena do not provide feedback to the mean flow field and turbulence and thus a recalculation of the flow field is not required. Since the propagation of sound is insignificantly influenced by turbulent and viscous effects, it can be described by the Euler equations in the near field. The CAA simulation is extended with a Ffowcs Williams Hawkings (FWH) module that calculates the noise levels in the far field upon integrating the surface source terms on a porous FWH surface within the CAA domain. The results of the simulations are compared with experimental data, obtained by measurements in an acoustic wind tunnel.