NASA Glenn promuove un’aviazione più silenziosa con gallerie del vento specializzate e strutture di prova acustiche

Scienziati e ingegneri del Glenn Research Center della NASA stanno affrontando una delle sfide più ostinate dell’aviazione—il rumore dei motori—utilizzando una serie di infrastrutture di prova specializzate progettate per acquisire, in condizioni rigorosamente controllate, sia i fenomeni aerodinamici sia quelli acustici. Il loro lavoro comprende grandi gallerie del vento, camere acustiche realizzate ad hoc e banchi prova strumentati per getti e turboventole (turbofan) che aiutano i ricercatori a capire come si genera il rumore e come lo si possa ridurre per le comunità che vivono vicino agli aeroporti.

Un elemento centrale di questo sforzo è la 9- by 15-Foot Low-Speed Wind Tunnel (9×15 LSWT) di Glenn, costruita per ricreare le condizioni di flusso d’aria che i motori degli aeromobili sperimentano durante decollo e atterraggio. Queste fasi del volo sono tra le più critiche per l’esposizione al rumore al suolo, e la galleria consente ai ricercatori di misurare il comportamento del flusso nel motore e la produzione sonora senza le variabili di disturbo tipiche di una prova in esterno. L’impianto ha subito importanti aggiornamenti, completati nel 2019, mirati a migliorare la qualità del flusso riducendo al contempo il rumore di fondo generato dalla galleria stessa—un passaggio essenziale quando l’obiettivo è rilevare variazioni acustiche relativamente sottili prodotte dall’hardware sperimentale. La NASA ha inoltre aggiunto una “microphone rake” traslante con cinque sensori, che permette misure dettagliate dei campi sonori generati da modelli in scala di propulsori.

Molti degli esperimenti di Glenn incentrati sul rumore si svolgono all’interno dell’Aero-Acoustic Propulsion Laboratory (AAPL), un imponente domo geodetico con raggio di 65 piedi che funge sia da risorsa per la ricerca sul rumore percepito dalle comunità sia da sito di prova aeroacustica per motori e componenti. All’interno, l’area di test può essere configurata come ambiente emi-anecoico oppure come camera completamente anecoica—soluzioni pensate per eliminare le riflessioni che altrimenti contaminerebbero le misure. Il motivo per cui il domo può operare senza eco è tanto pratico quanto spettacolare: circa 17.000 cunei in fibra di vetro, ciascuno spesso circa due piedi e progettato su misura, rivestono le superfici interne; ulteriore materiale assorbente viene posizionato sul pavimento e attorno ai banchi prova per prevenire riflessioni indesiderate. Quando AAPL aprì nel 1993, la NASA afferma che fosse il primo domo geodetico autoportante noto costruito con materiali ingegnerizzati sia per limitare la trasmissione del suono attraverso le pareti sia per assorbire il suono internamente.

AAPL ospita attualmente diversi banchi sperimentali, tra cui il Nozzle Acoustic Test Rig (NATR), lo Small Hot Jet Acoustic Rig (SHJAR) e il DGEN 380 AeroPropulsion Research Turbofan (DART). Tra questi, SHJAR si distingue come “cavallo di battaglia” per indagare come la progettazione dell’ugello e il flusso del getto si traducano in rumore. Il banco può testare ugelli a singolo flusso fino a 5 centimetri di diametro in condizioni che arrivano a Mach 2.0 e temperature di 800 K, consentendo studi controllati su getti caldi ad alta velocità simili a quelli presenti nei sistemi di propulsione reali.

I ricercatori della NASA Glenn utilizzano SHJAR non solo per valutare nuovi concetti di ugello a basso costo, ma anche per sviluppare strumenti diagnostici avanzati. Le tecniche impiegate includono scattering di Rayleigh, scattering Raman, schlieren digitale e particle image velocimetry in tempo reale, insieme a array tridimensionali di microfoni che aiutano a individuare e mappare le sorgenti di rumore. I dati di questi esperimenti vengono usati per verificare e migliorare i codici computazionali destinati a prevedere il rumore dei getti—modelli che, una volta affidabili, possono guidare gli ingegneri verso progetti di ugelli più silenziosi prima ancora che l’hardware venga costruito.

SHJAR ha anche sostenuto misurazioni fondamentali nella scienza dei getti turbolenti. Nel 2006, i ricercatori hanno riportato le prime misure time-resolved di particle image velocimetry (PIV) in grado di catturare le correlazioni spazio-temporali delle velocità turbolente in getti caldi — statistiche strettamente legate alla generazione del rumore. Gli stessi approcci time-resolved sono stati utilizzati per mappare le velocità di convezione della turbolenza, un altro parametro richiesto dalla teoria del rumore dei getti (jet-noise theory) che in precedenza non era stato disponibile per condizioni di getto caldo. Più recentemente, la NASA ha ottenuto misure time-resolved della temperatura turbolenta usando metodi ottici basati su Raman, catturando le fluttuazioni termodinamiche ad alta frequenza necessarie per completare i modelli di turbolenza impiegati sia negli studi di trasferimento di calore sia nella ricerca sul rumore dei getti. Oltre alle svolte nelle misure, SHJAR ha fatto da banco di prova per questioni “canoniche” sul rumore dei getti, inclusa la comprensione di come il montaggio di un getto su un aeromobile possa modificare il suono prodotto, ad esempio attraverso interazioni getto–superficie che coinvolgono ali, flap e piani di coda.

Perché è importante

Il rumore dei motori aeronautici è un importante problema di qualità della vita per le persone che vivono vicino agli aeroporti, ed è anche un vincolo progettuale per i produttori, che devono rispettare severi limiti di certificazione. Migliorando gli strumenti di misura e validando i codici di previsione in strutture come le gallerie del vento del Glenn e la cupola anecoica, la NASA contribuisce ad accelerare lo sviluppo di tecnologie di propulsione più silenziose. Il prossimo punto di attenzione è capire come questi modelli validati e le evidenze sperimentali si traducano in progetti di motori e ugelli implementabili, capaci di ridurre il rumore senza sacrificare le prestazioni.