F-35B został zaprojektowany do działania z mniejszych pokładów, krótkich odcinków startowych i baz polowych, ale właśnie ta przewaga otwiera też drzwi do bardzo specyficznych problemów akustycznych i aerodynamicznych. Pionowe lądowanie nie jest tylko widowiskowym manewrem. To moment, w którym ogromna energia układu napędowego zostaje skierowana niemal prosto w dół i trafia w powierzchnię pod samolotem. W takim układzie nie chodzi już wyłącznie o to, że maszyna jest “głośna”. Chodzi o to, że struga gazów, fala akustyczna i odległość od podłoża zaczynają tworzyć zamknięty układ sprzężenia zwrotnego. Właśnie ten moment zainteresował zespół specjalistów, który postanowił sprawdzić, co dokładnie dzieje się wtedy ze strugą naddźwiękową i dlaczego poziom hałasu przy takich operacjach potrafi przekraczać 140 dB.
Pionowe lądowanie ma też swoją ciemną stronę
Samo badanie jest ciekawe dlatego, że wchodzi w ten temat znacznie precyzyjniej, niż jakakolwiek praca, która wzięła się za opis tego zjawiska. Zespół testował naddźwiękową strugę o liczbie Mach 1,5, zmieniając ciśnienie na dyszy i odległość od podłoża, a do obserwacji wykorzystał szybką kamerę, obrazowanie metodą Schlierena i mikrofony. Dzięki temu badacze mogli w czasie rzeczywistym zobaczyć nie tylko zaburzenia przepływu, ale też to, jak fala dźwiękowa wraca w stronę dyszy i zaczyna zamykać rezonansowy cykl. Jest to o tyle ważne, że wcześniejsze podejście mocno koncentrowało się na prędkości dużych zaburzeń przemieszczających się w strudze. Nowa praca pokazuje, że sprawa jest bardziej złożona.
Czytaj też: “Najbrzydszy samolot świata” właśnie odbył pierwszy lot. Ma dosłownie oślepiać wrogów
Najistotniejszy wniosek? O wysokości dźwięku, czyli o jego częstotliwości odbieranej przez obserwatora, w dużej mierze decydują akustyczne fale stojące tworzące się między samolotem a powierzchnią. Z kolei rozmiar i prędkość zaburzeń w strudze mocniej wpływają na samą głośność. Badacze zauważyli też coś, co nie jest intuicyjne – wolniejsze zaburzenia potrafią rosnąć bardziej, a przez to generować głośniejszy hałas. To właśnie rozdzielenie dwóch rzeczy, które wcześniej łatwo było wrzucić do jednego worka, jest tu najcenniejsze. Inżynier dostaje bowiem osobno mechanizm odpowiedzialny za ton i osobno mechanizm odpowiedzialny za amplitudę.
Dlaczego akurat F-35B jest tu naturalnym punktem odniesienia?
W przypadku myśliwca F-35B ten problem nie jest abstrakcyjny, bo mówimy o platformie, która swoją wyjątkowość zawdzięcza właśnie pracy w trybie STOVL. Ten samolot dzierży silnik LiftFan o średnicy około 127 cm, który wytwarza około 89 kN ciągu, a do tego 3BSM, czyli obrotowy moduł dyszy, przekierowuje około 80 kN ciągu i obraca się o 95 stopni w 2,5 sekundy. Cały system STOVL jest oficjalnie opisywany jako rozwiązanie o łącznej zdolności pionowego unoszenia rzędu mniej więcej178 kN. Przy takich wartościach widać, że problem nie sprowadza się do zwykłego “hałasuje, bo silnik jest mocny”. Tu każda zmiana odległości od pokładu lub lądowiska może wpływać na układ fal i na warunki, w których rezonans zaczyna się wzmacniać.
Czytaj też: 700 barów, zero emisji i obietnica tańszych lotów. Samolot przyszłości przestaje być marzeniem
To ma znaczenie nie tylko dla komfortu obsługi naziemnej. Przy poziomach przekraczających 140 dB można mówić o trwałym uszkodzeniu słuchu mimo stosowania ochronników, a w skrajnych pikach ciśnienia akustycznego także o ryzyku uszkodzeń wewnętrznych. Samolot w takim otoczeniu też nie pozostaje obojętny, bo rezonans przyspiesza zmęczenie konstrukcji i może tworzyć niebezpieczne strefy obniżonego ciśnienia pod kadłubem. Krótko mówiąc, nie jest to temat z kategorii “niewygodne dla uszu”, tylko zagadnienie, które dotyka bezpieczeństwa operacji jako całości.
Najciekawsze może dopiero nadejść. Zwłaszcza w latających taksówkach
Jednocześnie nie warto wyciągać z tego badania zbyt prostego wniosku, że ktoś właśnie “naprawił hałas F-35B”. Tego ta praca nie robi. To bardzo wartościowe badanie eksperymentalne, ale nadal oparte na kontrolowanym modelu strugi naddźwiękowej, a nie na pełnym odtworzeniu całego zachowania samolotu podczas rzeczywistego lądowania pionowego na okręcie albo w bazie polowej. W prawdziwej maszynie dochodzą jeszcze inne czynniki: geometria płatowca, rozkład strug pomocniczych, temperatura gazów, właściwości podłoża, ruch samego samolotu i konkretna procedura podejścia.
Czytaj też: Sekret bezemisyjnych samolotów. Lotnictwo potrzebuje paliwa przyszłości, ale musi wygrać z fizyką
Jeśli jednak ten model rzeczywiście da się skutecznie przełożyć na projektowanie, to skutki mogą być szersze niż tylko lepsze zrozumienie jednego samolotu. Badacze sugerują, że oddzielenie wpływu fal stojących od wpływu zaburzeń w strudze może pomóc w przewidywaniu częstotliwości rezonansowych już na etapie projektowania dysz, lądowisk i procedur operacyjnych. Lotnictwo pionowe i krótkiego startu od dawna sprzedaje obietnicę większej elastyczności. Teraz widać coraz wyraźniej, że prawdziwa cena tej elastyczności nie zawsze kryje się w zasięgu czy udźwigu. Czasem ukrywa się w tym, co dzieje się tuż nad ziemią, kiedy powietrze, fala dźwiękowa i metal zaczynają grać wbrew sobie.
Źródła: Florida State University
