静かで効率的 – 新しいプロペラ アドバンスが電気飛行機への道を開く

航空の電化は、化石燃料のない未来を作る上で重要な要素と見なされています。 しかし、電気航空機は課題に直面しています。航空機のエネルギー効率が高いほど、騒音が大きくなります。 幸いなことに、スウェーデンのチャルマーズ工科大学の研究者は、電気航空機が静かで効率的である可能性を開く最適化されたプロペラ設計を開発しました。

電化は、近年、航空産業からの排出量を軽減するための重要な要素として宣伝されてきました。 電化の主な焦点は短距離の電動プロペラ機であり、航続距離の制限による障害が少ないためです。 電気モーターで駆動するプロペラは、地域および国内線で最も効率的な推進システムであると考えられています。

しかし、飛行機は電動ですが、プロペラは別の種類の放出、つまり騒音を引き起こします。 プロペラ ブレードからの騒音は、乗客の邪魔になるだけではありません。 将来の電気航空機は比較的低い高度で飛行する必要があり、騒音障害は住宅地や動物の生活にまで及びます。

トレードオフのジレンマとの戦い

これは、研究コミュニティがジレンマに直面する場所です。 静かでエネルギー効率の高い電動航空機を開発するという野心は、トレードオフの問題によって幾分妨げられています。

「プロペラのブレード数が多いほど、騒音放射が低くなることがわかります。 しかし、ブレードが少ないほど、推進力がより効率的になり、電気航空機はより長く飛行できます。 その意味で、エネルギー効率とノイズの間にはトレードオフがあります。 これは、静かで効率的な電気航空機の障害のようなものです。」[{” attribute=””>Chalmers University of Technology.

An optimized design for quiet and efficient propellers

But now, Hua-Dong Yao and his research colleagues may be one step closer to a solution. They have succeeded in isolating and exploring the noise that occurs at the tip of the propeller blades, or “tip vortices”, a known but less well-explored source of the noise. In isolating this noise, the researchers were able to fully understand its role in relation to other noise sources generated by propeller blades. By adjusting a range of propeller parameters, such as pitch angle, chord length, and a number of blades, the team found a way to optimize the propeller design and even out the trade-off effect between efficiency and noise. The method, described in the study published in the journal Aerospace, can now be used in the design process of quieter propellers for future electric aircraft.

“Modern aircraft propellers usually have two to four blades, but we’ve found that by using six blades designed using our optimization framework, you can develop a propeller that’s both relatively efficient and quiet. The propeller achieves a noise reduction of up to 5-8 dBA with only a 3.5 percent thrust penalty, compared to a propeller with three blades. That’s comparable to the noise reduction of someone going from speaking in a normal conversation voice to the sound you would perceive in a quiet room,” says Hua-Dong Yao.

• A-weighted decibel (dBA or dB(A)) is an expression of the relative loudness of sounds as perceived by the human ear. A-weighting gives more value to frequencies in the mid-range of human hearing and less value to frequencies at the edges as compared to a flat audio decibel measurement. A-weighting is the standard for determining hearing damage and noise pollution.

Reference: “Blade-Tip Vortex Noise Mitigation Traded-Off against Aerodynamic Design for Propellers of Future Electric Aircraft” by Hua-Dong Yao, Zhongjie Huang, Lars Davidson, Jiqiang Niu and Zheng-Wei Chen, 15 December 2022, Aerospace.
DOI: 10.3390/aerospace9120825

The study was funded by the Transport Area of Advance at Chalmers University of Technology.