I risultati di una ricerca e di una simulazione condotte dall’Esercito statunitense in collaborazione con Uber rivelano la tipologia e la configurazione di rotori che può consentire ai velivoli VTOL con propulsione elettrica distribuita di ridurre la propria “firma acustica”.

Un basso o bassissimo grado di rilevabilità da parte del nemico (“stealthiness”) costituisce uno dei requisiti più importanti dei velivoli militari moderni. Questa capacità viene spesso citata con riferimento alla osservabilità radar (più è piccola la Radar Cross-Section – RCS di tali velivoli, più essi sono “stealthy”), ma la desiderata “furtività” può dipendere in larga misura anche dal rumore prodotto dal sistema di propulsione degli aeromobili. Tanto è vero che l’Esercito degli Stati Uniti considera la tecnologia per la riduzione del rumore come una priorità assoluta nella progettazione dei velivoli ad ala rotante. In particolare, l’US Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM) ha reso noto nei giorni scorsi che i ricercatori dell’Army Research Laboratory (ARL) hanno collaborato con Uber e l’Università del Texas (che ha sede ad Austin) per studiare le proprietà acustiche degli aerei a decollo e atterraggio verticali (Vertical Takeoff and Landing – VTOL) che utilizzano un sistema di propulsione elettrica distribuita. Questi velivoli “eVTOL”, che potrebbero svolgere per l’US Army compiti importanti come la sorveglianza aerea e il trasporto di materiali, si caratterizzano per il fatto di avere rotori più piccoli rispetto agli elicotteri tradizionali, con una diversa “firma acustica” che i ricercatori stanno studiando.

La differenza fra “rumore tonale” e “rumore a banda larga”

“Il rumore prodotto da questi rotori più piccoli viene generato attraverso meccanismi fisici fondamentalmente diversi”, ha spiegato il dott. George Jacobellis, ricercatore presso il Vehicle Technology Directorate dell’ARL. “Occorre migliorare le tecniche di modellazione tradizionali per tener conto di tutto il rumore generato, in modo tale che i progettisti siano consapevoli di ciò che verrà effettivamente udito.”
Le tradizionali simulazioni del rumore degli elicotteri si concentrano principalmente sulla previsione del “thickness noise” e del “loading noise”, poiché sono queste le sorgenti di rumore dominanti per quanto riguarda i grandi velivoli di questo tipo. Il primo (thickness noise) deriva dallo spostamento dell’aria provocato dalle pale del rotore, mentre il secondo (loading noise) viene emesso quando le forze della portanza e della resistenza agiscono sull’aria che fluisce intorno alle ali rotanti. Insieme, queste due emissioni costituiscono quello che gli esperti chiamano “rumore tonale”.

Detto ciò, i ricercatori dell’US Army sospettavano che i rotori eVTOL generassero più rumore a banda larga che rumore tonale. Il primo si riferisce ai suoni causati dalla turbolenza ed è, a parità di decibel, meno udibile e disturbante per l’orecchio umano. “Non sapevamo se il rumore a banda larga avesse importanza o meno, ma sapevamo che questo e il rumore tonale scalavano in modo diverso”, ha detto Jacobellis. “Abbiamo pensato che con rotori più piccoli ci sarebbe stato un punto in cui il rumore a banda larga diventava la fonte [di rumore] dominante.” Il team dell’ARL ha confermato la sua ipotesi nello studio di ricerca (intitolato “Experimental and Computational Investigation of Stacked Rotor Acoustics in Hover” e pubblicato in Vertical Flight Society 76^th Annual Forum Proceedings), il quale non solo ha misurato le caratteristiche acustiche di varie configurazioni di rotori di un eVTOL, ma ha anche valutato le capacità di modellazione delle simulazioni del rumore degli elicotteri per quanto riguarda i rotori di eVTOL.

Il banco di prova allestito dal team dell’Army Research Laboratory

Durante l’esperimento sul campo, i ricercatori hanno allestito un banco di prova con due rotori alimentati elettricamente e hanno registrato il rumore generato sopra e sotto il piano del rotore con nove microfoni posizionati in modo circolare intorno al mozzo del rotore stesso.
Per le simulazioni, il team ha utilizzato il Rotorcraft Comprehensive Analysis System abbinato a un programma chiamato PSU-WOPWOP, un codice di previsione del rumore di routine il cui nome ricorda il suono prodotto dalle pale dell’elicottero. “Queste tecnologie sono promettenti riguardo alla capacità di prevedere il rumore dei rotori eVTOL, ma dobbiamo lavorare ancora per ottenere una precisione accettabile”, ha detto Jacobellis.

I ricercatori dell’US Army hanno inoltre scoperto che i rotori coassiali (o sovrapposti) con pale che ruotano nella stessa direzione possono offrire prestazioni migliori e una rumorosità inferiore rispetto a un rotore convenzionale. A differenza di quest’ultimo, che impiega pale disposte su un unico piano, i rotori sovrapposti hanno le pale posizionate su più piani diversi. Ebbene, secondo i risultati dello studio, i rotori sovrapposti che hanno le rispettive pale distanziate allo stesso modo hanno prodotto il livello di rumore più basso, dello stesso livello circa di quello di un rotore tradizionale. Provando differenti spaziature fra gli assi, i ricercatori contano di scoprire la configurazione dei rotori sovrapposti che produce un rumore addirittura inferiore rispetto al rotore convenzionale.“Penso che un rotore sovrapposto possa essere utile per le applicazioni eVTOL”, ha affermato Jacobellis. “L’ulteriore grado di libertà per il design consentirà di ottenere miglioramenti in termini di efficienza e controllo sulla firma acustica, come dimostrato nei risultati. Tuttavia, sono necessarie ulteriori indagini per quantificare la riduzione del rumore connessa con la [diversa] spaziatura assiale.”