L'impiego dei turbofan e le convenienze in ambito civile e militare

Il livello di rumorosità di un aeroplano generata dall’impianto propulsivo è una delle caratteristiche più importanti. Un livello alto di rumore propulsivo può non essere tollerato dai passeggeri e può avere effetti negativi sull’intera comunità nelle vicinanze dell’aeroporto o lungo i sentieri di decollo e di discesa.

Il progetto Advanced Turboprop (ATP) della NASA ha studiato ad un progetto per ridurre il rumore del propfan in cabina rendendolo simile o minore a quello di un turbofan convenzionale portandolo agli standard della Federal Aviation Regulation e accettabile per la comunità vicino agli aeroporti. Mentre un aereo è ad una velocità subsonica (Mach 0,65-0,85), le estremità delle pale sono a velocità supersonica.

Un’estremità supersonica del propfan è molto più rumorosa di un’elica convenzionale e genera un rumore non indifferente. Grosse scie e vortici sono prodotti dall’elica ad alte velocità di avanzamento e rotazionali. Questo rumore consiste in una bassa frequenza primaria ed è questa la differenza principale perché un turbofan convenzionale emette onde ad alta frequenza.

Generalmente la bassa frequenza è molto più facile da attenuare rispetto all’alta frequenza e nell’aviazione inizialmente i propfan non erano in grado di soddisfare i requisiti dei livelli di rumorosità in cabina. Il risultato fu che una significativa porzione dei progetti ATP furono destinati a capire come ridurre il segnale acustico. In questa sezione esamineremo i caratteri acustici della diverse configurazioni propfan e le caratteristiche del design che minimizzano il rumore fino ad un livello accettabile.

Rumore di breve distanza
Il rumore di breve distanza si riferisce ad un livello prodotto dal propfan in una regione intorno all’elica stessa. Il livello del rumore in questa regione si scontra direttamente con il confort dei passeggeri. Una serie di studi della NASA hanno investigato sull’effetto dell’angolo d’attacco sul rumore di breve distanza di un propfan SR. Un propfan inclina le pale, durante il decollo e la salita, diversamente dalla crociera che le ha a 0°. L’angolo d’attacco dipende dalla loro rotazione.

Nelle differenti posizioni le pale producono differenti proprietà acustiche. C’è una soluzione scientifica al problema e consiste nella variazione instabile del carico sulle pale che può diminuire di molto per ogni rivoluzione delle stesse. Fisicamente la modulazione è necessaria nell’incidenza delle pale in quella zona. Acusticamente, il carico di rumore contrario e quindi instabile compensa il rumore primario con un onda assiale asimmetrica (Envia, 1991).

Il risultato di questi studi indica che per un ala che monta un propfan se l’angolo d’attacco aumenta, la sound pressure level (SPL) diminuisce dentro il propfan e aumenta fuori di esso (Nallasamy,Envia, 1990). La direzione della rotazione del propfan in questo caso è in senso antiorario se visto da dietro. Se la SPL diminuisce vicino alla cabina o alla fusoliera è un beneficio perchè cosi i passeggeri non sono soggetti ad aumenti di rumore durante il decollo e la salita. Comunque con l’angolo d’attacco delle pale al decollo, il livello di rumore del propfan verso l’ alto diminuisce e quello verso il terreno aumenta.

Questo non è desiderato come fenomeno perché aumenta il rumore in aeroporto durante il decollo. Il livello di rumore che deriva da un propfan diminuisce con il diminuire della velocità delle tips delle pale. Test eseguiti in galleria del vento mostrano che in un punto dove c’è una riduzione della velocità delle tips (circa 650 ft/s) non corisponde una diminuzione del rumore. Il numero delle rotazioni dell’elica può diminuire se si usano un grande numero di pale. Questa diminuzione del carico aerodinamico su ogni pala riduce il livello del suono emesso.

Nel 1988 un esperimento fatto nella galleria del vento con un modello propfan SR-7A nel centro NASA di Lewis fece scoprire una cosa importante. In accordo con i dati registrati, se le tips aumentano la velocità periferica fino a Mach 1,1 non c’è il picco massimo delle onde emesse ma, al contrario, aumenta di poco o addirittura il rumore si attenua fino a sparire del tutto. Questi comportamenti dipendono dal carico aerodinamico. Questo significa che il rumore in cabina non aumenterà necessariamente con l’aumento della rotazione delle pale e che corrisponderà alla velocità di crociera massima.

L’installazione di un propfan avvantaggia la riduzione del rumore in cabina perché la tipica configurazione spingente è tipicamente montata alla fine della fusoliera e quindi dietro al compartimento per i passeggeri. Anche se le eliche non interagiscono direttamente con la cabina il livello del suono all’interno è ridotto di molto e questo dipende dalle palette montate sul propfan.

Rumore di lunga distanza
La lunga distanza si riferisce al livello di rumore prodotto dalle pale del propfan e che si propaga nelle lunghe distanze. La propagazione del rumore incide, studiata da terra, nelle vicinanze degli aeroporti o lungo i sentieri di decollo o atterraggio. Rumori elevati o anche di lunga distanza infastidiscono molto le persone che vivono nelle vicinanze di queste aree.

Alcuni dati mostrano che il propfan può emettere rumori di lunga distanza durante il decollo e la salita e dipende dal suo funzionamento e dall’angolo d’attacco descritto sopra. I toni a bassa frequenza prodotti da un propfan presentano una sfida unica nel controllo del rumore di lunga distanza. L’atmosfera provvede ad una forte attenuazione del rumore prodotto nella zona di alta frequenza ma questo effetto diminuisce con il diminuire della frequenza (George, 1992).

Alle basse frequenze l’attenuazione dovuta all’atmosfera è poca. Motori turbofan convenzionali non hanno un’attenuazione significativa sul problema della lunga distanza perché il rumore ad alta frequenza che producono diminuisce significativamente con l’effetto fornito dall’atmosfera osservando il fenomeno da terra.

La riduzione significativa del livello dei decibel di bassa frequenza prodotto dal propfan nella lunga distanza può essere ottenuto con un incremento della distanza nella quale questo viene propagato. In pratica questo si può ottenere aumentando l’altitudine alla quale un aeromobile opera. Questo permette all’energia acustica di propagarsi per più tempo e questo ridurrebbe il livello del rumore di lunga distanza.

Rumore del Rotore Singolo (SR)
Per il rotore singolo i parametri da seguire per il rumore prodotto sono: l’angolo d’attacco, la velocità delle estremità delle pale, il peso che grava sulle pale, il numero delle pale, il diametro e infine la configurazione (tirante o spingente).

Rumore del Controrotante (CR.)
Data le eliche che girano in senso opposto la configurazione del controrotante risulta molto complessa rispetto al singolo. In generale l’interazione aerodinamica tra le due eliche produce forti rumori sia per la breve che per la lunga distanza. La prima elica produce un vortice con il bordo d’attacco e questo va ad impattare con la seconda elica e durante il funzionamento il rumore risulta in aumento.

Questo fenomeno chiamato “rumore d’interazione” non è una risposta plausibile per il rumore prodotto in condizioni di crociera, specialmente problematico con angoli d’attacco positivi come in decollo ed in atterraggio (Groeneweg, Bobber, 1988). Questo è importante per capire il design del controrotante che minimizza il rumore d’interazione. Varie caratteristiche possono condurre alla soluzione. In ordine di importanza l’interazione tra la prima e la seconda elica e configurazioni con diverso numero di pale per elica.

Una riduzione significativa dell’interazione la si otterrebbe con un minor numero di pale sull’elica secondaria piuttosto che sulla primaria. Riducendo il diametro della secondaria diminuisce il rumore d’interazione. Con questa geometria cambia molto il vortice prodotto dal bordo d’attacco dell’elica primaria che tende a passare sulle pale più corte della secondaria, così si riduce l’interazione della configurazione standard con uguale diametro delle pale.