Công nghệ vận tải siêu thanh không tiếng ồn, phần 1
JAXA đã và đang thực hiện nhiều nỗ lực R&D khác nhau về các công nghệ vận chuyển siêu thanh (SST) không gây tiếng ồn để góp phần hiện thực hóa chuyến bay siêu thanh có cường độ tiếng nổ thấp trên đất liền. Các công nghệ chính đã được thiết lập cho đến nay bao gồm công nghệ giảm tiếng nổ siêu âm (Dự án D-SEND / FY2010-FY2015) và công nghệ giảm lực cản (Dự án NEXST-1 / FY1997-FY2005).
Sau khi hoàn thành thành công dự án D-SEND vào năm 2015, JAXA đã bắt đầu làm việc trên "R&D để tích hợp hệ thống của các công nghệ máy bay Silent SuperSonic(S4)" vào năm 2016 để phát triển công nghệ thiết kế tiên tiến có thể tối ưu hóa một số yêu cầu thiết kế xung đột cho SST, chẳng hạn như như giảm tiếng nổ siêu thanh, giảm lực cản, giảm tiếng ồn khi cất cánh và hạ cánh cũng như giảm trọng lượng.
Nghiên cứu & Phát triển về Công nghệ Thiết kế Tích hợp cho Vận tải Siêu thanh Im lặng
Tiểu sử
Hiện tại, máy bay bay với tốc độ khoảng Mach 0,8, chậm hơn rõ rệt so với tốc độ âm thanh. Từ Nhật Bản, nơi cách xa Châu Âu và Hoa Kỳ, bạn phải mất hơn 12 giờ bay cho quãng đường. Nếu chúng ta có thể bay nhanh hơn tốc độ âm thanh, chẳng hạn gấp đôi tốc độ, thì thời gian bay sẽ giảm đi một nửa và thời gian bay từ Nhật Bản sang Châu Âu hoặc Hoa Kỳ sẽ là khoảng 6 giờ. Nếu thời gian di chuyển được rút ngắn, thì các hoạt động kinh tế sẽ được thúc đẩy bởi các cơ hội kinh doanh và du lịch tăng lên. Hơn nữa, các biện pháp chống lại thiên tai có thể được thực hiện nhanh chóng, từ đó mở ra một xã hội an toàn và thịnh vượng hơn. Nếu thời lượng chuyến bay dưới 6 giờ, thì có thể ngăn ngừa tần suất ngày càng tăng của các mối nguy hiểm, phiền toái và bệnh tật như hội chứng hạng phổ thông. Có lẽ quan trọng nhất, mọi người sẽ có thể tận hưởng chuyến du lịch thoải mái hơn bao giờ hết. Những máy bay cho phép vận chuyển tốc độ cao, bay với tốc độ nhanh hơn tốc độ âm thanh, được gọi là vận tải dân dụng siêu thanh.
Mặc dù việc hiện thực hóa phương tiện vận tải dân dụng siêu âm rất được mong đợi, nhưng những người kế nhiệm Concorde, loại máy bay đã ngừng hoạt động vào năm 2003, vẫn chưa xuất hiện. Những thiếu sót của Concorde bao gồm mức tiêu thụ nhiên liệu kém và chi phí vận hành cực kỳ cao. Ngoài ra, vì sự bùng nổ âm thanh được tạo ra, chuyến bay siêu thanh trên đất liền không được phép. Các tuyến đường của nó bị hạn chế nghiêm trọng, đó là một lý do khác khiến Concorde không thể thành công trong kinh doanh.
Hình ảnh khái niệm về máy bay chở khách siêu âm cỡ nhỏ
Dự án D-SEND（2010-2015）
"Thử nghiệm thả rơi để đánh giá đơn giản hóa bùng nổ âm thanh phân tán không đối xứng (D-SEND)" là một dự án nhằm chứng minh và đánh giá công nghệ thiết kế bùng nổ âm thanh thấp để giảm "bùng nổ âm thanh", một trong những vấn đề ưu tiên cao nhất để thực hiện im lặng vận tải siêu thanh. Mục tiêu của chúng tôi là 1) chứng minh và xác nhận "khái niệm thiết kế bùng nổ âm thanh thấp" của JAXA thông qua các chuyến bay thử nghiệm và 2) thiết lập một phương pháp đo lường bùng nổ âm thanh trên không có thể góp phần vào việc cân nhắc các tiêu chuẩn quốc tế hiện đang diễn ra đối với sự bùng nổ âm thanh.
Dữ liệu từ dự án D-SEND, chẳng hạn như chữ ký của tiếng nổ siêu thanh, dữ liệu đường bay và dữ liệu thời tiết, có sẵn từ Cơ sở dữ liệu D-SEND.
Đề cương dự án
Dự án D-SEND có hai giai đoạn, D-SEND#1 và D-SEND#2, mỗi giai đoạn sử dụng một khí cầu tầng bình lưu lớn. Trong D-SEND#1, hai vật thể đối xứng trục khác nhau bị loại bỏ. Tiếng nổ siêu âm được tạo ra từ hai vật thể khác nhau được đo và so sánh. D-SEND#2 sử dụng máy bay siêu thanh thử nghiệm (không người lái không động cơ) dựa trên công nghệ thiết kế bùng nổ âm thanh thấp của JAXA. Trong mỗi giai đoạn, tiếng nổ siêu thanh được đo bằng cách sử dụng hệ thống đo tiếng nổ trên không với hệ thống micrô được lắp đặt dọc theo đường của một khí cầu được buộc. Các thử nghiệm thả rơi này được thực hiện tại Trung tâm Vũ trụ Esrange ở Thụy Điển, nơi chúng tôi có thể đảm bảo cả môi trường thử nghiệm an toàn và các công nghệ kiểm soát khí cầu cần thiết để mang các vật thể thử nghiệm.
Mẫu ý tưởng SuperSonic không tiếng ồn (S3CM)
Chiếc máy bay thử nghiệm, được gọi là Mô hình ý tưởng siêu âm im lặng (S3CM), là một tàu lượn siêu âm không người lái và không có động cơ. Hình dạng khí động học của nó được thiết kế dựa trên khái niệm công nghệ thiết kế bùng nổ âm thanh thấp ban đầu của JAXA. Tổng chiều dài của nó là 7.913 m, với sải cánh 3.510 m và diện tích cánh 4.891 m2. Tổng trọng lượng của nó là 1000 kg. Bánh lái và bộ ổn định (vi sai) được sử dụng để điều khiển chuyến bay. Sau khi tách khỏi khinh khí cầu, máy tính điều khiển chuyến bay sẽ tự động điều khiển tất cả các trình tự chuyến bay khi máy bay bay qua hệ thống đo cần ở điều kiện thiết kế. Các cảm biến trên máy bay được sử dụng để điều khiển chuyến bay là GPS/INS nhúng, hệ thống dữ liệu hàng không và gia tốc kế Az có độ chính xác cao. Các cấu trúc chính được làm từ hợp kim nhôm. Hình dạng bên ngoài được sản xuất của cánh chính có hình dạng gá được thiết kế sao cho hình dạng bị biến dạng do áp suất động tại thời điểm đo tiếng nổ siêu thanh có thể được tạo thành hình dạng khí động học được thiết kế.
Khái niệm thiết kế bùng nổ âm thanh thấp
Khi một
Khi máy bay bay với tốc độ siêu thanh, nó tạo ra nhiều sóng xung kích từ mũi, cánh, động cơ và các bề mặt khác. Trên mặt đất, những sóng xung kích này có một dấu hiệu áp suất thông thường (loại N) có hai lần tăng áp suất đột ngột. Dấu hiệu này tạo ra âm thanh giống như tiếng sấm được gọi là tiếng nổ siêu thanh.
JAXA đã và đang tiến hành nghiên cứu và phát triển để giảm một nửa cường độ tiếng nổ siêu thanh bằng cách sử dụng công nghệ động lực học chất lỏng điện toán.
Các khái niệm thiết kế sau đây được áp dụng cho máy bay D-SEND#2.
kiểm tra ABBA
Trong năm 2010–2011, chúng tôi đã thực hiện các thử nghiệm để 1) xác nhận chức năng của các nguyên mẫu được sử dụng cho các đơn vị đo lường và ghi âm của hệ thống Thu thập Bùng nổ Khí cầu Trên không (ABBA), 2) trích xuất các vấn đề và 3) thu được dạng sóng bùng nổ âm thanh thực tế để nghiên cứu về công nghệ đánh giá bùng nổ âm thanh.
Với hệ thống đo lường bùng nổ (BMS), micrô tần số thấp được neo ở độ cao 750 m bằng cách sử dụng một quả bóng nhỏ để ngăn chặn ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển trên mặt đất đối với dạng sóng của bùng nổ âm thanh. Micrô được cung cấp trên dây neo và trên mặt đất để thực hiện các phép đo thay đổi dạng sóng của tiếng nổ siêu thanh theo hướng độ cao. Dữ liệu khí tượng như nhiệt độ trên mặt đất và ở độ cao của khinh khí cầu nhỏ cũng được thu thập.
D-SEND #1
Giai đoạn đầu tiên của thử nghiệm thả rơi D-SEND (D-SEND#1) được tiến hành vào tháng 5 năm 2011 tại Trung tâm Vũ trụ Esrange ở Thụy Điển (Thông cáo báo chí ngày 19 tháng 5 năm 2011 ).
Trong D-SEND#1, hai vật thể thử nghiệm được thả liên tiếp từ khinh khí cầu ở độ cao 20–30 km: chế độ sóng N (NWM), tạo ra dấu hiệu áp suất loại N thông thường của tiếng nổ siêu thanh; và mô hình bùng nổ thấp (LBM), được thiết kế để giảm tiếng nổ âm thanh và do đó tạo ra dấu hiệu áp suất của sóng bùng nổ thấp so với NWM. Tiếng nổ siêu thanh do rơi tự do tạo ra đã được đo thành công cả trên không và trên mặt đất bằng cách sử dụng hệ thống đo tiếng nổ trên không do JAXA phát triển. Thông qua D-SEND#1, JAXA lần đầu tiên thiết lập một phương pháp mới để chứng minh khái niệm thiết kế bùng nổ âm thanh thấp và hệ thống đo lường bùng nổ âm thanh dưới dạng thử nghiệm thả bóng bay, sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo, D-SEND#1 -GỬI #2. Dữ liệu thu được từ thử nghiệm có giá trị làm tài liệu tham khảo để xác nhận phương pháp phân tích lan truyền bùng nổ âm thanh. Chúng được kỳ vọng sẽ đóng góp rất nhiều cho các nghiên cứu về độ bùng nổ âm thanh thấp trong tương lai.
D-SEND #2
D-SEND#2, giai đoạn thứ hai của D-SEND, được tiến hành tại Trung tâm vũ trụ Esrange ở Thụy Điển vào tháng 7 năm 2015 (Thông cáo báo chí ngày 27 tháng 7 năm 2015 ). Để xác nhận tính hợp lệ của khái niệm thiết kế bùng nổ âm thanh thấp ban đầu của JAXA thông qua chuyến bay thử nghiệm, một mô hình máy bay siêu thanh thử nghiệm có tên là "Mô hình khái niệm siêu âm im lặng (S3CM, Mô hình khái niệm khối chữ S)", được thiết kế để giảm bớt sự bùng nổ âm thanh bắt nguồn từ phía trước và phía sau của một chiếc máy bay, được bay với tốc độ siêu thanh. Do cuộc thử nghiệm yêu cầu một số điều kiện khí tượng nhất định để máy bay thử nghiệm bay qua khu vực đo cần mục tiêu theo kế hoạch, nên cuộc thử nghiệm được thực hiện sau khi tham khảo kỹ lưỡng về điều kiện thời tiết. Máy bay thử nghiệm được phóng bằng hệ thống khinh khí cầu. Ở độ cao 30,5 km, chiếc máy bay thử nghiệm đã tách khỏi khinh khí cầu. Được tăng tốc lên tốc độ siêu thanh trong quá trình rơi tự do, chiếc máy bay thử nghiệm được điều khiển tự động và lướt qua hệ thống đo lường cần nhắm mục tiêu ở tốc độ Mach 1,39 với góc đường bay là 47,5 độ. Dạng sóng áp suất được tạo ra bởi sự bùng nổ lan truyền thẳng đứng xuống mặt đất đã được đo.
Trình tự D-SEND#2
Mẫu ý tưởng SuperSonic không tiếng ồn (S3CM, Mẫu ý tưởng S-cube) cho D-SEND#2
Chuẩn bị phóng khinh khí cầu
Máy bay thử nghiệm hạ cánh an toàn trong khu vực thử nghiệm
