Điện khí hóa hàng không được coi là một thành phần quan trọng trong việc tạo ra một tương lai không có nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, hàng không điện phải đối mặt với một thách thức: máy bay càng tiết kiệm năng lượng thì càng ồn. May mắn thay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển đã phát triển một thiết kế cánh quạt được tối ưu hóa, mở ra khả năng cho ngành hàng không điện vừa yên tĩnh vừa hiệu quả.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã phát triển một phương pháp tối ưu hóa thiết kế cánh quạt, mở đường cho ngành hàng không chạy điện yên tĩnh và hiệu quả.
Điện khí hóa đã được coi là yếu tố chính trong việc giảm thiểu khí thải từ ngành hàng không trong những năm gần đây. Lĩnh vực trọng tâm chính của điện khí hóa là các máy bay cánh quạt chạy điện ở cự ly ngắn, vì chúng có ít trở ngại hơn về mặt giới hạn phạm vi. Cánh quạt chạy bằng động cơ điện được coi là hệ thống đẩy hiệu quả nhất cho các chuyến bay nội địa và khu vực.
Nhưng trong khi máy bay chạy bằng điện, cánh quạt lại gây ra một loại phát thải khác – tiếng ồn. Tiếng ồn từ cánh quạt không chỉ làm phiền hành khách đi máy bay. Máy bay điện trong tương lai sẽ cần bay ở độ cao tương đối thấp, với tiếng ồn ảnh hưởng đến các khu dân cư và đời sống động vật.
Hua-Dong Yao, Phó giáo sư và nhà nghiên cứu về động lực học chất lỏng và công nghệ hàng hải, Khoa Cơ khí và Khoa học Hàng hải, Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Henrik Sandsjo
Chiến đấu với một tình thế tiến thoái lưỡng nan đánh đổi
Đây là nơi cộng đồng nghiên cứu phải đối mặt với một vấn đề nan giải. Tham vọng phát triển máy bay điện vừa yên tĩnh vừa tiết kiệm năng lượng phần nào bị cản trở bởi bài toán đánh đổi.
“Chúng ta có thể thấy rằng cánh quạt càng có nhiều cánh thì tiếng ồn phát ra càng thấp. Nhưng với ít cánh quạt hơn, lực đẩy trở nên hiệu quả hơn và máy bay điện có thể bay lâu hơn. Theo nghĩa đó, có sự đánh đổi giữa hiệu quả năng lượng và tiếng ồn. Hua-Dong Yao, Phó Giáo sư và nhà nghiên cứu về động lực học chất lỏng và công nghệ hàng hải tại Đại học Công nghệ Chalmers giải thích: “Đây là một trở ngại đối với máy bay điện vừa yên tĩnh vừa hiệu quả .
Một thiết kế tối ưu hóa cho cánh quạt yên tĩnh và hiệu quả
Nhưng bây giờ, Hua-Dong Yao và các đồng nghiệp nghiên cứu của ông có thể tiến một bước gần hơn đến một giải pháp. Họ đã thành công trong việc cô lập và khám phá tiếng ồn phát ra ở đầu các cánh chân vịt, hay còn gọi là "các dòng xoáy ở đầu", một nguồn tiếng ồn đã biết nhưng ít được khám phá hơn. Khi cô lập tiếng ồn này, các nhà nghiên cứu đã có thể hiểu đầy đủ vai trò của nó liên quan đến các nguồn tiếng ồn khác do cánh quạt tạo ra. Bằng cách điều chỉnh một loạt các thông số cánh quạt, chẳng hạn như góc nghiêng, độ dài cung và một số cánh quạt, nhóm đã tìm ra cách tối ưu hóa thiết kế cánh quạt và cân bằng hiệu ứng cân bằng giữa hiệu quả và tiếng ồn. Phương pháp này, được mô tả trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Hàng không vũ trụ , hiện có thể được sử dụng trong quá trình thiết kế cánh quạt êm hơn cho máy bay điện trong tương lai.
“Cánh quạt máy bay hiện đại thường có từ hai đến bốn cánh, nhưng chúng tôi nhận thấy rằng bằng cách sử dụng sáu cánh được thiết kế bằng khung tối ưu hóa của chúng tôi, bạn có thể phát triển một cánh quạt tương đối hiệu quả và yên tĩnh. Chân vịt đạt được mức giảm tiếng ồn lên tới 5-8 dBA chỉ với 3,5 phần trăm lực đẩy bị phạt, so với chân vịt có ba cánh. Điều đó có thể so sánh với khả năng giảm tiếng ồn khi ai đó chuyển từ giọng nói chuyện bình thường sang âm thanh mà bạn cảm nhận được trong một căn phòng yên tĩnh,” Hua-Dong Yao nói.
Đề-xi-ben trọng số A (dBA hoặc dB(A)) là biểu thức thể hiện độ lớn tương đối của âm thanh mà tai người cảm nhận được. Trọng số A mang lại nhiều giá trị hơn cho các tần số ở dải trung bình mà con người nghe được và ít giá trị hơn cho các tần số ở rìa so với phép đo decibel âm thanh phẳng. Trọng số A là tiêu chuẩn để xác định tổn thương thính giác và ô nhiễm tiếng ồn.
Tham khảo: “Blade-Tip Vortex Giảm thiểu tiếng ồn được đánh đổi dựa trên thiết kế khí động học cho cánh quạt của máy bay điện tương lai” của Hua-Dong Yao, Zhongjie Huang, Lars Davidson, Jiqiang Niu và Zheng-Wei Chen, ngày 15 tháng 12 năm 2022, Hàng không vũ trụ .
Nghiên cứu được tài trợ bởi Transport Area of Advance tại Đại học Công nghệ Chalmers.
