غلبه موتور فن باز بر محدودیت‌های آکوستیک دهه ۱۹۸۰

تفکر سنتی در صنعت هوانوردی، که در طول آزمایش‌های پروازی موتورهای فن بدون داکت (UDF) در اواخر دهه ۱۹۸۰ شکل گرفت، بر این باور است که موتورهای روتور باز ذاتاً برای فرودگاه‌های تجاری بیش از حد پر سر و صدا هستند. تیغه‌های شمشیرمانند نمونه نمایشی GE36 یک امضای صوتی متمایز و تهاجمی ایجاد می‌کرد که قانون‌گذاران و خطوط هوایی به این نتیجه رسیدند که هرگز توسط جوامع ساکن در مسیرهای پروازی پذیرفته نخواهد شد. اما داده‌های تونل باد آکوستیک از برنامه CFM RISE و مرکز تحقیقات گلن ناسا، این اجماع تاریخی را مستقیماً رد می‌کند. دینامیک سیالات محاسباتی سه‌بعدی مدرن و پوشش‌های آکوستیک به مهندسان این امکان را داده است که معماری فن بازی را طراحی کنند که نه تنها با ردپای صوتی توربوفن‌های داکت‌دار فعلی مطابقت دارد، بلکه با حاشیه ۱۵ تا ۱۷ دسی‌بل نویز مؤثر درک‌شده (EPNdB) زیر محدودیت‌های سخت‌گیرانه فصل ۴ سازمان بین‌المللی هوانوردی کشوری (ICAO) کار می‌کند و به راحتی استاندارد فصل ۱۴ مورد نیاز برای هواپیماهای جدید را پشت سر می‌گذارد.[2][4][5]

مکانیسم فیزیکی که بازگشت به روتور باز را هدایت می‌کند، بهره‌وری پیشرانشی است که توسط نسبت کنارگذر (Bypass Ratio) کنترل می‌شود—حجم هوایی که توسط فن جابجا می‌شود در مقایسه با هوایی که از هسته احتراق عبور می‌کند. در یک توربوفن معمولی، فن در یک ناسِل (پوشش) محصور است. هرچه مهندسان به دنبال بهره‌وری بیشتر باشند، باید قطر فن را برای جابجایی هوای بیشتر افزایش دهند. با این حال، فن بزرگتر به ناسِل بزرگتر و سنگین‌تری نیاز دارد که باعث ایجاد نیروی پسا (Drag) آیرودینامیکی می‌شود. در یک قطر مشخص، جریمه پسا ناشی از پوشش، مزایای بهره‌وری فن بزرگتر را خنثی می‌کند. مهندسان GE Aerospace در طول توسعه این معماری نتیجه گرفتند: «پایدارترین راه‌حل‌های ما—آن‌هایی که بیشترین مزیت را فراهم می‌کنند—به دلیل قوانین فیزیک، نیازمند معماری فن باز هستند.»[1]

سیر تاریخی موتورهای CFM International این محدودیت فیزیکی را به خوبی نشان می‌دهد. محمد علی، معاون ارشد و مدیر ارشد فناوری و عملیات در GE Aerospace، اشاره می‌کند: «اگر به آن فکر کنید، جدیدترین موتور فعلی ما در CFM، یعنی CFM LEAP، نسبت به مدل نمادین قبلی خود، موتور CFM56، حدود ۱۵ درصد مصرف سوخت بهتری دارد.» موتور CFM56 که در سال ۱۹۸۲ وارد خدمت شد، با نسبت کنارگذر تقریباً ۱:۵ کار می‌کرد. موتور LEAP این نسبت را به ۱:۱۱ افزایش داد تا به آن کاهش ۱۵ درصدی دست یابد. اما افزایش قابل توجه نسبت کنارگذر در یک معماری داکت‌دار، بازده نزولی دارد. تحلیل فکت‌لن از این روند نشان می‌دهد که در حالی که دو برابر کردن نسبت کنارگذر در طراحی‌های داکت‌دار ۱۵ درصد افزایش بهره‌وری به همراه داشت، افزایش تقریباً هفت برابری آن در معماری بدون داکت RISE، تنها ۲۰ درصد افزایش بیشتر را به دنبال دارد. این امر نشان می‌دهد که پسا آیرودینامیکی خود ناسِل به عامل محدودکننده اصلی تبدیل می‌شود. با حذف کامل پوشش، معماری RISE (نوآوری انقلابی برای موتورهای پایدار) امکان استفاده از قطر روتور تا ۱۳ فوت را فراهم می‌کند و به نسبت کنارگذر بی‌سابقه‌ای فراتر از ۱:۷۰ دست می‌یابد.[1][3][6]

این افزایش عظیم در هوای کنارگذر مستقیماً به کاهش ۲۰ درصدی پیش‌بینی شده در مصرف سوخت و انتشار دی‌اکسید کربن در مقایسه با موتور LEAP منجر می‌شود. با این حال، چالش اصلی، دستیابی به نسبت ۱:۷۰ بدون بازآفرینی غرش کرکننده‌ی UDF دهه ۱۹۸۰ بود. منبع اصلی نویز در یک روتور باز، تداخل بین گرداب نوک روتور جلو و تیغه‌های روتور عقب است، به ویژه در شرایط نیروی برآی بالا هنگام برخاست.[1][3][4]

فراتر از آکوستیک و مصرف سوخت، معماری باز دینامیک‌های عملیاتی جدیدی را برای خطوط هوایی معرفی می‌کند. از آنجایی که تیغه‌های فن در معرض دید قرار دارند، مستقیماً در معرض خطرات محیطی هستند. برای رسیدگی به این موضوع، برنامه RISE قابلیت موتور چرخه تطبیقی (Adaptive Cycle Engine)، که به عنوان معماری کنارگذر متغیر نیز شناخته می‌شود، را در خود جای داده است. این فناوری عملکرد موتور را در هر مرحله از پرواز بهینه می‌کند و امکان رانش بیشتر در هنگام برخاست و هوای کنارگذر بیشتر در هنگام کروز را فراهم می‌سازد. نکته حیاتی این است که این سیستم جریان هوای داخلی را نیز تغییر می‌دهد تا گرد و غبار و ذرات را قبل از ورود به هسته موتور خارج کند، که یک ویژگی دوام حیاتی برای اپراتورها در محیط‌های گرم و خشن محسوب می‌شود.[1]

برای حل مشکل آکوستیک، GE Aerospace و Safran Aircraft Engines—شرکای پشت CFM—از ابررایانش اگزاسکیل، از جمله سیستم‌های Frontier و Aurora در وزارت انرژی ایالات متحده، برای مدل‌سازی آیرودینامیک دقیق فن باز استفاده کردند. مهندسان با به کارگیری دینامیک سیالات محاسباتی سه‌بعدی، گام تیغه را بهینه کرده و تولید گرداب نوک را در هنگام برخاست تغییر دادند. خود تیغه‌ها از فیبر کربن بافته شده سه‌بعدی تخصصی که با رزین تزریق شده، ساخته شده‌اند و امکان ایجاد هندسه‌های آیرودینامیکی پیچیده‌ای را فراهم می‌کنند که ساخت آن‌ها در دوران GE36 غیرممکن بود.[1]

اعتبار سنجی تجربی این طرح‌ها در تونل‌های باد کم‌سرعت ۹ در ۱۵ فوت و پرسرعت ۸ در ۶ فوت در مرکز تحقیقات گلن ناسا انجام شد. آزمایش مدل‌های زیرمقیاس نشان داد که روتور باز مدرن می‌تواند ضمن کاهش تداخل گرداب نوک، کارایی آیرودینامیکی بالایی را حفظ کند. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی موتور با بدنه هواپیما—به ویژه استفاده از سطوح بال و دم به عنوان سپرهای آکوستیک—بیشتر نویز منتشر شده به سمت زمین را کاهش می‌دهد.[2][4]

معیار نظارتی برای این دستاوردهای آکوستیک، فصل ۱۴ ایکائو است که توسط اداره هوانوردی فدرال (FAA) به عنوان استاندارد نویز مرحله ۵ پذیرفته شده است. این استاندارد که برای طراحی‌های جدید هواپیماهای بزرگ با حداکثر وزن مجاز برخاست ۵۵,۰۰۰ کیلوگرم یا بیشتر که پس از ۳۱ دسامبر ۲۰۱۷ ارائه شده‌اند، اعمال می‌شود، ۷ EPNdB سخت‌گیری بیشتری نسبت به استاندارد قبلی فصل ۴ دارد. برای اینکه یک موتور فن باز از نظر تجاری قابل دوام باشد، نه تنها باید این استاندارد را برآورده کند، بلکه باید حاشیه‌ای در برابر مقررات سخت‌گیرانه‌تر آینده نیز فراهم سازد.[5]

داده‌های آکوستیک تأیید می‌کنند که معماری RISE به این هدف دست می‌یابد. فن باز با کار در سرعت‌های چرخشی پایین‌تر نسبت به نمونه‌های اولیه دهه ۱۹۸۰ و استفاده از تیغه‌های با گام متغیر که به صورت پویا در طول پرواز تنظیم می‌شوند، نویز هسته و برش را به حداقل می‌رساند. نتیجه، یک سیستم پیشرانش است که مزایای بهره‌وری سوخت دو رقمی ناشی از نسبت کنارگذر فوق‌العاده بالا را بدون جریمه‌های آکوستیکی که چهار دهه پیش این فناوری را زمین‌گیر کرد، ارائه می‌دهد. مسیر صنعت هوانوردی برای رسیدن به هدف انتشار خالص صفر تا سال ۲۰۵۰ اکنون به شدت به این مکانیسم دقیق متکی است: حذف ناسِل تا فن بتواند نفس بکشد.[3][4]