ارتش آمریکا در تلاش برای تولید هلیکوپتر بی‌صدا

اقتصاد۲۴ - ارتش ایالات متحده‌ی آمریکا در تلاش است مشخصه‌های صوتی هواپیماهای عمودپرواز الکتریکی (eVTOL) و البته روتورهای هم‌محوره را مورد مطالعه قرار دهد تا برای ساخت هلیکوپترهایی که سروصدای کم‌تری ایجاد می‌کنند و می‌توانند مخفیانه‌تر پرواز کنند، قدم بردارد.

هلیکوپتر مزایای فراوانی دارد؛ بااین‌حال یکی از اشکالاتی که به آن‌ وارد می‌شود، سروصدای زیادی است که به‌‌هنگام پرواز کردن ایجاد می‌کند. این سروصدا نتیجه‌ی آن‌ چیزی است که کارشناسان با نام اثر متقابل پَره-ورتکس (Blade-Vortex Interaction یا BVI) خطاب می‌کنند؛ جایی که پره‌ی روتور به فعالیت درون ورتکسی (گردابه‌ای) که به‌ دلیل چرخش پره‌ی اصلی ایجاد شده است ادامه می‌دهد.

بیشتر بخوانید:ایتالیا اپل را جریمه کرد؟

آنچه در پاراگراف بالا گفتیم توضیح ساده‌ی فرایند است و چیزی که در عمل اتفاق می‌افتد، پیچیدگی بسیار بیشتری دارد. هلیکوپتر تعدادی پره‌ی طویل، باریک و قابل‌انحناء دارد که در سرعت بالا و فاصله‌ی کم با یکدیگر به‌ چرخش درمی‌آیند؛ آیرودینامیکی که وضعیت هر یک از این پره‌ها نسبت ‌به پره‌ی دیگر را توضیح می‌دهد بسیار پیچیده است.

ارتش ایالات متحده برای مطالعات خود با اوبر و دانشگاه تگزاس در آستین همکاری کرد

فرماندهی توسعه‌ی توانایی‌های جنگی ارتش ایالات متحده (DEVCOM) و آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده در همکاری با شرکت اوبر و دانشگاه تگزاس در آستین، در بیانیه‌ای مشترک اعلام کردند که از نگاه علم صوت‌شناسی مشغول مطالعه روی وسایل نقلیه‌ی عمودپرواز الکتریکی هستند؛ وسایلی که از چند روتور کوچک بهره می‌برند که در سیستمی واحد توزیع شده‌اند.هدف سازمان‌های اعلام‌شده این است که ازطریق نتایج حاصل از این مطالعه‌ها بتوانند هلیکوپتری کاملا بی‌صدا برای میدان نبرد بسازند. روتورهای کوچک‌تر نسبت ‌به روتورهای سنتی که طول بیشتری دارند، به ‌شکلی متفاوت صدا تولید می‌کنند؛ زیرا صدای ناشی از حرکت پره‌های هلیکوپتر توسط مکانیسم‌های فیزیکی متفاوت خلق می‌شود.

صدای روتورهای سنتی ترکیب چند صدای خاص است. اولین مورد که با نام صدای ضخامت روتور شناخته می‌شود، از ضخامت آن حاصل می‌شود؛ زیرا این روتور حجم خاصی از هوا را جابه‌جا می‌کند. مورد دیگر، صدای بارگیری است که از حرکت هلیکوپتر به سمت بالا و نیروی مقاومت هوا به‌ هنگام جریان پیدا کردن روی روتور نشأت می‌گیرد. این دو با یکدیگر صدایی می‌سازند که با نام تونال (Tonal) شناخته می‌شود.

ازطرفی دیگر روتورهای کوچک‌ترِ وسایل نقلیه‌ی عمودپرواز الکتریکی، سروصدا را ازطریق جریان توربولانس (Turbulence) ایجاد می‌کنند. مقیاس این صدا با مقیاس تونال تفاوت‌های محسوسی دارد و آن‌طور که محققان ادعا می‌کنند، صدای ناشی از جریان توربولانس گاهی اوقات ممکن است بر تونال غلبه کند.

تصویر بالا، پایه‌ای آزمایشی را نشان می‌دهد که در تحقیقات ارتش ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته است
مطالعه‌ی ارتش آمریکا شامل چند آزمایش میدانی با استفاده از چند نوع روتورِ سفارشی بود که روی پایه‌ای آزمایشی با موتور الکتریکی قرار گرفته بودند. ارتش آمریکا به‌کمک نهادهای همکار از مدل‌های سه‌بعدی نیز برای مطالعه‌ی خود استفاده کرد. پایه‌ها ازطریق ۹ عدد میکروفون سیم‌کشی شده بودند و صدا به ‌منظور مقایسه‌ی مدل‌ها با یکدیگر، ضبط می‌شد. مدل‌های مورد بحث ازطریق دو برنامه اجرا می‌شدند: سیستم تجریه‌و‌تحلیل فراگیر روتورکرافت (RCAS -اRotorcraft Comprehensive Analysis System) و PSU-WOPWOP.
دکتر جورج جیکوبلیز، یکی از مهندسان تحقیقاتی ارتش آمریکا در تیم فناوری وسایل نقلیه‌ی آزمایشگاه ارتش، می‌گوید: «RCAS نیروهای آیرودینامیک واردشده بر پره‌ها و همچنین میزان خم ‌شدن و چرخیدن پره‌ها را به‌دفعات محاسبه می‌کند. این اطلاعات به‌عنوان داده‌ی ورودی برای نرم‌افزار PSU-WOPWOP کاربرد دارند؛ نرم‌افزاری که سروصدای ایجادشده بر اثر حرکت روتور را محاسبه می‌کند. برقراری ارتباط بین دو نرم‌افزارِ یادشده به تلاش زیادی نیاز داشت؛ کاری که گروه ما از پس انجام دادن آن برآمد.»

هلیکوپتر Sikorsky S-97 Raider با روتورهای هم‌محوره

تیم متشکل ‌از ارتش آمریکا و دیگر نهادها افزون ‌بر مطالعه‌ی مشخصه‌های صوتی هلیکوپتر عمودپرواز الکتریکی، نگاهی به روتورهای هم‌محوره انداختند که با یکدیگر به‌ چرخش درمی‌آیند و با نام روتورهای انباشته‌شده نیز شناخته می‌شوند. همان‌طور که می‌توان از نام برداشت کرد، این روتورها در ارتفاع متفاوتی نسبت ‌به محور قرار می‌گیرند.

مطالعات ارتش آمریکا نشان داد پره‌هایی که در فاصله‌ی مساوی با یکدیگر قرار داشته باشند، کمترین سطح صدا را ایجاد می‌کنند که تقریبا معادل سروصدای روتورهای معمولی است.جیکوبلیز می‌گوید: «البته معتقد هستم روتور انباشته‌شده می‌تواند برای استفاده در هلیکوپترهای عمودپرواز الکتریکی پرمزیت باشد. آزادی بیشتر برای طراحی باعث افزایش میزان بهره‌وری و کنترل سروصدای ایجادشده می‌شود و این موضوع در نتایج مطالعه مشاهده شد. البته به‌ منظور تبدیل کردن وابستگی صدا و فاصله‌ی محوری به معیار کمی، تحقیقات بیشتر لازم است.»