Odrzutowce ciche niczym sowy. Japończycy już nad nimi pracują

Naukowcy z całego świata od lat próbują zrozumieć, jak ptaki, a w szczególności sowy, są w stanie latać niemal bezgłośnie. Wyniki tych badań mogą mieć ogromne znaczenie dla przyszłości inżynierii lotniczej, a zwłaszcza dla projektowania cichych samolotów.

Jednym z pionierów, którzy zrozumieli, że ptaki są doskonałymi modelami do naśladowania w inżynierii lotniczej, był Leonardo Da Vinci. Jego słowa: "Ptak to instrument działający zgodnie z prawami matematyki. Człowiek jest zdolny odtworzyć jego ruchy" są do dziś inspiracją dla naukowców.

Od czasów Da Vinci, ludzie zaczęli budować maszyny latające, które były zainspirowane ptasim lotem. Dzisiejsze samoloty są w stanie osiągnąć prędkości rzędu kilkuset lub nawet kilku tysięcy kilometrów na godzinę. Na przykład, samolot Lockheed SR-71 Blackbird w 1976 roku osiągnął prędkość ponad 3500 km/h. To jest kilka lub kilkadziesiąt razy więcej niż prędkość, jaką osiąga najszybszy ptak, sokół wędrowny, który w locie poziomym osiąga 110 km/h, a podczas pikowania nawet 180 km/h.

Jednak mimo tych osiągnięć, samoloty zbudowane przez człowieka są o wiele głośniejsze niż ptaki. Głośność samolotów wynika głównie z hałasu silnika i hałasu aerodynamicznego. Na przykład, silniki odrzutowców podczas startu generują hałas na poziomie 140 dB, co jest znacznie powyżej bezpiecznej dla ludzi granicy 85 dB. Inżynierowie są w stanie coraz lepiej radzić sobie z wyciszaniem silników, ale metody tłumienia hałasu aerodynamicznego są wciąż mało skuteczne.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

W tym kontekście, ptaki, a zwłaszcza sowy, są doskonałym źródłem inspiracji. Sowy są mistrzami cichego lotu, co jest kluczowe dla ich skuteczności polowania. Skrzydła innych ptaków uderzające w powietrze wydają zwykle szum, świst lub furkot. Natomiast sowy latające z podobną prędkością generują hałas o co najmniej 18 dB mniejszy. Dzięki temu mogą precyzyjnie zlokalizować ofiarę, na przykład pod śniegiem, a następnie bezszelestnie zbliżyć się do niej na wyciągnięcie szponów.

Naukowcy od dawna są zainteresowani mechanizmami, które sprawiają, że sowy latają niemal bezgłośnie. Już w latach 30. XX wieku badano budowę skrzydeł sów. Stwierdzono wówczas, że za wytłumienie dźwięku odpowiadają krótki puch pokrywający chorągiewki piór oraz grzebyki na brzegach zewnętrznych chorągiewek skrajnych lotek pierwszorzędowych na przedniej krawędzi skrzydła, zwanej krawędzią natarcia. Ważne są też frędzelki na brzegach lotek i sterówek na tylnych krawędziach, zwanych krawędziami spływu, skrzydeł i ogona.

Niedawno zespół naukowców pod kierownictwem prof. Hao Liu z Uniwersytetu Chiba w Japonii postanowił zbadać rolę tych frędzli. Badacze z tamtejszego Centrum Inteligentnych Statków Powietrznych wykorzystują bionikę, czyli kopiowanie rozwiązań technicznych i technologicznych wykorzystywanych przez organizmy. Wyniki ich prac nad tajemnicą cichego lotu sów zostały opublikowane w czasopiśmie "Bioinspiration & Biomimetics".

Z wcześniejszych badań wynikało, że frędzelki na krawędzi spływu odgrywają kluczową rolę w tłumieniu hałasu generowanego przez skrzydła sów. Jednak do tej pory naukowcy nie byli w stanie odkryć dokładnego mechanizmu, który za to odpowiada.

Zespół prof. Liu stworzył dwa trójwymiarowe modele skrzydła sowy. Na jednym z modeli umieszczono frędzelki, na drugim nie. Oba modele zostały wykorzystane w symulacjach przepływu, które są narzędziem wykorzystywanym w ocenie aerodynamiki. W badaniu zastosowano symulację dużych wirów turbulentnych i metodę Ffowcs-Williams-Hawkings, służącą do analiz akustycznych.

Doświadczenia potwierdziły, że frędzelki zmniejszyły hałas generowany przez skrzydła, szczególnie przy dużych kątach natarcia, nie osłabiając przy tym ich wydajności aerodynamicznej. Naukowcy z Uniwersytetu Chiba stwierdzili, że frędzle rozbijają na brzegach lotek i sterówek wiry powietrza generujące dźwięk. Okazało się też, że te struktury tłumią również "hałaśliwe" turbulencje na krawędziach spływu.

Prof. Liu wyjaśnił: "Nasze odkrycie wskazuje na efekt złożonych interakcji między frędzelkami na brzegach lotek i sterówek a innymi elementami skrzydeł. To dowodzi zasadności wykorzystania takich struktur do redukcji hałasu na przykład w dronach, turbinach wiatrowych, wentylatorach albo samolotach". Dodał też, że dzięki wynikom badań jego zespół jest coraz bliżej opracowania rozwiązań, które będzie można zastosować w cichych statkach powietrznych.