Las pruebas de laboratorio son prometedoras para reducir el ruido de los aviones en la aviación comercial y militar.
Los ingenieros aeroespaciales de la Universidad de Cincinnati y el Laboratorio de Investigación Naval han ideado un nuevo diseño de tobera para aviones de combate F-18 que esperan amortigüe el rugido ensordecedor de los motores sin obstaculizar el rendimiento.
El distinguido profesor Ephraim Gutmark, un académico eminente de Ohio, y sus estudiantes en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UC diseñaron y probaron las nuevas boquillas en motores a reacción de escala 1/28 en su laboratorio de aeroacústica.
El interior de las boquillas presenta aletas triangulares como filas de dientes de tiburón que redujeron significativamente el ruido del motor a reacción en las pruebas de laboratorio de la UC. El proyecto es una colaboración entre la UC, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. y la Estación Aérea Naval Patuxent River. Este otoño, NAVAIR probará los diseños y el rendimiento de UC en F-18 Super Hornets, el avión de combate táctico utilizado por los Marines y la Armada de EE. UU.
Los láseres iluminan la columna de un motor a reacción a escala utilizado a bordo de los F-18 Super Hornets. UC desarrolló una nueva boquilla de motor que amortigua el ruido de los motores a reacción sin afectar el rendimiento. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand
“Son accesorios simples que cambian el comportamiento del flujo que sale del motor con un efecto mínimo en su desempeño”, dijo Gutmark.
Las pruebas de laboratorio de UC mostraron que la nueva boquilla podría reducir el ruido del motor entre 5 y 8 decibeles. Puede que no parezca mucho. Pero a diferencia de las escalas lineales como una regla donde una pulgada es siempre una pulgada, los decibeles se miden en una escala logarítmica en la que 20 decibelios es un ruido diez veces mayor.
“Eso es muy significativo”, dijo Gutmark. “Por lo general, las empresas de motores están contentas incluso con una mejora de medio decibelio porque los decibelios representan una escala logarítmica”.
El estudiante de doctorado de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UC, Mohammad Saleem, sostiene una de las novedosas toberas de motores a reacción diseñadas por la UC en el laboratorio del profesor Ephraim Gutmark. La Marina de los EE. UU. probará el diseño de UC en F-18 Super Hornets este otoño. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Los resultados preliminares de laboratorio de la UC son prometedores para reducir el ruido de los aviones tanto en la aviación comercial como militar. La UC y la Marina solicitaron una patente conjunta.
“Si el diseño funciona con este motor, se puede aplicar a cualquier otro motor con una modificación muy pequeña”, dijo Gutmark.
El proyecto fue financiado por el Programa de Investigación y Desarrollo Ambiental Estratégico del Programa de Investigación Ambiental del Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
La pérdida de audición y el tinnitus son las causas principales de las reclamaciones por incapacidad militar y afectan a más de 2.6 millones de ex miembros del servicio, según cifras del Departamento de Asuntos de Veteranos de EE. UU. El VA gasta más de mil millones de dólares al año en casos de pérdida de la audición, lo que representa aproximadamente el 1 % de las nuevas reclamaciones por discapacidad presentadas ante el VA cada año.
La investigación de la UC promete reducir el impacto en la salud y la seguridad del ruido de los aviones en la aviación comercial y militar. Aquí, una tripulación de vuelo a bordo del USS Ronald Reagan usa protección para los oídos mientras ayuda a despegar y aterrizar F/A-18 Super Hornets. Crédito: Gray Gibson/Marina de los EE. UU.
El ruido de los aviones, en particular, representa un grave riesgo para la salud en la aviación militar y comercial. Según el Comité Asesor de Investigación Naval, el personal de la Marina en las cubiertas de vuelo está expuesto a ruidos superiores a 150 decibelios.
“En los portaaviones, la tripulación que trabaja con los pilotos en la cabina de vuelo debe estar muy cerca del avión cuando despega. Debido a la corta pista del portaaviones, deben operar el motor con postquemadores, por lo que es muy ruidoso”, dijo Gutmark.
Los jets son tan fuertes que el ruido y las vibraciones pueden afectar incluso a la propia aeronave, un fenómeno llamado carga acústica, dijo Gutmark.
“Al suprimir el ruido, está ayudando a la tripulación pero también ayudando a la longevidad del avión”, agregó Gutmark.
“Es emocionante saber que estás trabajando en aviones de combate. Hay un factor genial”.
- Mohammad Saleem, estudiante de ingeniería aeroespacial de la UC
La UC ha estado trabajando en el proyecto con el Laboratorio de Investigación Naval y NAVAIR durante dos años. La Marina proporciona análisis computacional e información sobre aeronaves para complementar el diseño y el trabajo experimental de la UC.
La diversa investigación de Gutmark ha incluido tecnología de propulsión y combustión de motores, acústica e incluso investigación biomédica. Enseñó principios de ingeniería aeroespacial a pilotos en el programa de instructores de tácticas de combate de la Marina de los EE. UU., la escuela que inspiró la película “Top Gun”.
“Fue emocionante enseñarles porque estaban realmente interesados”, dijo Gutmark. “Realmente querían saber más sobre lo que sucede cuando el avión hace esto o aquello. Y recibir comentarios de alguien que entiende lo que hace el avión en la práctica cuando está volando fue una oportunidad especial”.
Los estudiantes de doctorado de la UC Mohammad Saleem y Aatresh Karnam trabajan en modelos a escala de motores a reacción F-18 Super Hornet en el laboratorio de aeroacústica de la UC. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Los estudiantes del laboratorio de Gutmark usan protección auditiva de grado industrial cuando trabajan con los motores a reacción en un laboratorio subterráneo en Rhodes Hall. Los motores están montados en el suelo dentro de una cámara anecoica, una habitación diseñada para absorber completamente los reflejos de las ondas acústicas. Los estudiantes pueden encender los motores a reacción de forma remota fuera de la cámara y usar un conjunto de sensores para medir y analizar el ruido de las columnas de escape.
“En nuestro laboratorio tenemos cuatro técnicas de medición diferentes, incluido el procesamiento de señales a través de mediciones acústicas y ópticas y equipos láser”, dijo el estudiante de doctorado de la UC Aatresh Karnam. “Como cualquier campo de la ingeniería, hay que adaptar múltiples técnicas para saber qué datos capturar, cómo procesarlos y cómo interpretarlos. Ese es un desafío difícil”.
Una matriz de micrófonos sensibles rodea el chorro en la cámara. Quizás no sea sorprendente que el ruido suene diferente según la posición relativa de uno con respecto a la columna del chorro.
“Cada uno de estos componentes del ruido se propaga en diferentes direcciones”, dijo el profesor Gutmark. “Los micrófonos están distribuidos en un arco alrededor del chorro para que podamos detectar el ruido que va río abajo, río arriba o de lado”.
Los estudiantes de ingeniería aeroespacial de la UC utilizan láseres y otros equipos para observar y medir el ruido y la columna de escape de un motor a reacción a escala utilizado en los F-18 Super Hornets. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Los ingenieros de la UC prueban sus novedosos diseños de boquillas en chorros fríos y calientes con un escape que arde a una temperatura de hasta 1,100 grados Fahrenheit. El avión es un modelo a escala del motor F18 del F-404 fabricado por General Electric Aviation, con sede en Cincinnati.
“El postquemador del escape de un jet real se calentará aún más”, dijo Karnam.
El estudiante de doctorado de la UC, Mohammad Saleem, dijo que los aviones son más silenciosos hoy que hace solo 20 años. Tanto la aviación comercial como la militar tienen un fuerte interés público y financiero en la reducción del ruido. Incluso las mejoras incrementales pueden tener un impacto profundo, dijo.
“Estas tecnologías de reducción de ruido son extremadamente beneficiosas para las comunidades que viven alrededor de las bases aéreas y el personal que trabaja en los portaaviones”, dijo Saleem.
El estudiante de doctorado de la UC, Mohammad Saleem, sostiene varias toberas de motores a reacción personalizadas que ayudó a diseñar en el laboratorio del profesor de la UC, Ephraim Gutmark. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand
Saleem dijo que siempre ha estado interesado en la ingeniería aeroespacial. Pero disfruta el desafío que presenta un proyecto tan complicado como el ruido de un motor a reacción.
“Elegí la UC porque es una escuela sólida en sistemas de propulsión”, dijo.
Pero admite que sus amigos y familiares quedan impresionados cuando habla de trabajar con F-18 Super Hornets.
“Es emocionante saber que estás trabajando en aviones de combate. Hay un factor interesante”, dijo Saleem.
“La ingeniería se trata de resolver problemas. La alegría es encontrar un sistema que funcione. Creo que eso es satisfactorio”.
