Japończycy pracują nad odrzutowcami cichymi jak sowy

Naukowcy odkryli mechanizmy, które sprawiają, że sowy latają bezszelestnie, i chcą wykorzystać wyniki badań w projektowaniu cichych samolotów.

„Ptak to instrument działający zgodnie z prawami matematyki. Człowiek jest zdolny odtworzyć jego ruchy“ – zapowiadał Leonardo Da Vinci, jeden z pionierów inżynierii lotniczej.

Ludzie zaczęli budować maszyny latające, zainspirowani ptasim lotem. Dzisiejsze samoloty poruszają się kilkaset lub kilka tysięcy km/h (samolot Lockheed SR-71 Blackbird osiągnął w 1976 r. ponad 3500 km/h), czyli kilka lub kilkadziesiąt razy tyle, co najszybszy ptak (sokół wędrowny osiąga w locie poziomym 110 km/h i 180 km/h podczas pikowania).

Zbudowane przez człowieka maszyny są też jednak o wiele głośniejsze niż ptaki. Na głośność samolotów składają się hałas silnika i hałas aerodynamiczny. Silniki odrzutowców podczas startu hałasują na poziomie 140 dB, znacznie powyżej bezpiecznej dla ludzi granicy 85 dB. Inżynierowie coraz lepiej radzą sobie z wyciszaniem silników, jednak metody tłumienia hałasu aerodynamicznego są wciąż mało skuteczne.

W tej kwestii inspiracją dla ludzi także są ptaki. Mistrzami cichego lotu są sowy, które tej umiejętności zawdzięczają m.in. wyjątkową skuteczność polowania. Uderzające w powietrze skrzydła innych ptaków wydają zwykle szum, świst lub furkot. Sowy lecące z podobną prędkością powodują hałas o co najmniej 18 dB mniejszy, więc mogą precyzyjnie zlokalizować ofiarę np. pod śniegiem, a potem bezszelestnie zbliżyć się do niej na wyciągnięcie szponów. Nic dziwnego, że naukowców od dawna interesują mechanizmy, które sprawiają, że puszczyki, pójdźki lub uszatki poruszają się w powietrzu niemal bezgłośnie.

Budowę sowich skrzydeł badano już w latach 30. XX w. Naukowcy stwierdzili wówczas, że za wytłumienie dźwięku odpowiadają: krótki puch pokrywający chorągiewki piór oraz grzebyki na brzegach zewnętrznych chorągiewek skrajnych lotek pierwszorzędowych na przedniej krawędzi skrzydła (zwanej krawędzią natarcia). Ważne są też frędzelki na brzegach lotek i sterówek na tylnych krawędziach (krawędziach spływu) skrzydeł i ogona.

Właśnie rolę tych frędzli postanowił zbadać zespół pod kierownictwem prof. Hao Liu, eksperta w dziedzinie biomechaniki na Wydziale Inżynierii Uniwersytetu Chiba (Japonia). Badacze z tamtejszego Center for Aerial Intelligent Vehicles (Centrum Inteligentnych Statków Powietrznych) wykorzystują bionikę – kopiowanie rozwiązań technicznych i technologicznych wykorzystywanych przez organizmy. Wyniki ich prac nad tajemnicą cichego lotu sów zostały opublikowane w czasopiśmie „Bioinspiration & Biomimetics” (10.1088/1748-3190/ad0aa9).

Z wcześniejszych badań wynikało już, że to frędzelki na krawędzi spływu odgrywają kluczową rolę w tłumieniu hałasu zagarniających powietrze sowich skrzydeł. Jednak dotąd naukowcy nie odkryli dokładnego mechanizmu odpowiadającego za to zjawisko.

Zespół prof. Liu stworzył dwa trójwymiarowe modele skrzydła sowy. Na jednym z modeli umieszczono frędzelki, na drugim nie. Oba zostały wykorzystane w symulacjach przepływu (analiza mechaniki płynów to narzędzie wykorzystywane w ocenie aerodynamiki). W badaniu zastosowano symulację dużych wirów turbulentnych (LES) i metodę Ffowcs-Williams-Hawkings, służące do analiz akustycznych.

Doświadczenia potwierdziły, że frędzelki zmniejszyły hałas wytwarzany przez skrzydła – szczególnie przy dużych kątach natarcia – bez osłabiania ich wydajności aerodynamicznej. Naukowcy z Uniwersytetu Chiba stwierdzili, że frędzle rozbijają na brzegach lotek i sterówek wiry powietrza generujące dźwięk. Okazało się też, że te struktury tłumią również „hałaśliwe" turbulencje na krawędziach spływu.

„Nasze odkrycie wskazuje na efekt złożonych interakcji między frędzelkami na brzegach lotek i sterówek a innymi elementami skrzydeł. To dowodzi zasadności wykorzystania takich struktur do redukcji hałasu na przykład w dronach, turbinach wiatrowych, wentylatorach albo samolotach" – wyjaśniał prof. Liu. I dodał, że dzięki wynikom badań jego zespół jest coraz bliżej opracowania rozwiązań, które będzie można zastosować w cichych statkach powietrznych.