La NASA Glenn dispiega una suite avanzata di strumenti per mappare il flusso d’aria e il rumore dei motori, condividendo dati cruciali con ricercatori di tutto il mondo

I ricercatori del NASA Glenn Research Center (GRC) si affidano a una serie di strumenti specializzati per rilevare due aspetti notoriamente difficili da misurare nei sistemi di propulsione: come si muove l’aria e come viene prodotto il suono. Strumenti come la particle image velocimetry, la hot-wire anemometry, la Raman spectroscopy e sofisticati sistemi di microfoni consentono ai team di costruire quadri dettagliati dell’aerodinamica e dell’acustica dei motori. I dataset risultanti non restano confinati all’interno del centro: i ricercatori sul rumore aeronautico di tutto il mondo utilizzano i risultati sperimentali del GRC per verificare modelli teorici e validare software di previsione del rumore.

Una sfida persistente è il rumore “tonale” (“tone”) che può rendere il suono di un turbofan particolarmente irritante. Attenuare questo tipo di rumore a banda stretta può comportare l’aggiunta di un rivestimento acustico avanzato (acoustic liner) oppure l’implementazione di un sistema di controllo attivo del rumore (active noise-control) tarato sulle frequenze problematiche. Ma progettare la correzione giusta richiede di sapere più della semplice intensità del tono; gli ingegneri devono comprenderne la struttura modale, ossia come il campo sonoro è disposto all’interno del condotto e come si propaga. Un singolo microfono stazionario non può fornire queste informazioni.

Per affrontare il problema, negli anni Novanta gli ingegneri del NASA Glenn hanno sviluppato tecniche di misura con microfoni rotanti. Questi metodi si sono evoluti nelle Rotating Microphone Rakes, che da allora sono state impiegate in un’ampia gamma di esperimenti. Hanno supportato attività a bassa velocità per prove di concetto, inclusi studi nell’Advanced Noise Control Fan Rig e nella 9- by 15-Foot Low Noise Wind Tunnel, e sono state utilizzate anche in prove a terra su motori turbofan in scala reale. Spostando i microfoni attraverso il campo sonoro invece di campionare da un punto fisso, questi sistemi possono estrarre i modi del condotto necessari per progettazioni mirate di riduzione del rumore.

Un altro approccio per individuare con precisione l’origine del rumore è l’uso di phased microphone arrays. In questi sistemi i microfoni sono disposti in una, due o tre dimensioni; con un’adeguata elaborazione del segnale, le misure combinate possono essere utilizzate per localizzare le sorgenti acustiche. Al NASA Glenn, la configurazione di microfoni Array48 è stata applicata ampiamente per identificare sorgenti di rumore nei getti in modelli in scala, in un modello di ventola open-rotor contro-rotante e persino in un motore militare F404 in scala reale. In parallelo, attività finanziate dalla NASA hanno prodotto tecniche che utilizzano microfoni incorporati direttamente nel fan duct di un motore per determinare dove viene generato il suono sulle pale rotanti—un problema particolarmente difficile perché le sorgenti si muovono insieme al rotore.

Comprendere la fisica che sta dietro al rumore orienta ciò che deve essere misurato. I ricercatori sanno che le componenti tonali possono derivare da interazioni aerodinamiche periodiche—per esempio quando la scia di una pala di ventola in rotazione investe una paletta di statore a valle. Sanno anche che il rumore a banda larga può aumentare quando un motore ingestisce un flusso turbolento. Ciò significa che la sola acustica non basta: i team devono acquisire dati di velocità ad alta risoluzione a monte del rotore, a valle dello statore e nello spazio intermedio.

Per queste misure del flusso d’aria, il NASA Glenn utilizza strumenti quali sonde hot-wire e Laser Doppler Velocimeters (LDV). I dati di velocità possono essere rappresentati graficamente per mettere in evidenza le perturbazioni di flusso create dal rotore, aiutando gli ingegneri a collegare specifiche caratteristiche aerodinamiche al rumore che generano. I risultati hot-wire e LDV sono utilizzati di routine per validare i metodi computazionali impiegati per stimare il rumore dei turbofan.

Il Glenn Research Center della NASA presso Lewis Field a Cleveland, insieme al Neil Armstrong Test Facility a Sandusky, Ohio, offrono capacità fondamentali di prove a terra che supportano questo lavoro.

Perché è importante

Il rumore degli aeromobili incide sulle comunità vicine agli aeroporti e limita come, quando e dove gli aeromobili possono operare. Migliorando la capacità di localizzare e caratterizzare le sorgenti di rumore—soprattutto le componenti tonali—il lavoro della NASA sulla strumentazione aiuta il settore a progettare motori più silenziosi e rafforza l’accuratezza degli strumenti di previsione utilizzati in tutta l’aviazione. I prossimi progressi dipenderanno da misurazioni continuative ad alta fedeltà che colleghino specifiche perturbazioni del flusso al suono che producono.