En los años 40 ya preocupaba el impacto sonoro de las aeronaves sobre las poblaciones. Por ello la NACA realizó el estudio Quiet Airplane
Fueron muchos los estudios que hizo el Comité Asesor Nacional para la Aeronáutica, más conocido como NACA, de los que se benefició la industria aeronáutica. Muchos de sus papers son aún de consulta obligada cuando se está haciendo el proyecto de fin de carrera.
A final de los años 40, con muchos pilotos volviendo al mundo civil y muchas aeronaves de surplus disponibles a bajo precio, se esperaba un gran desarrollo de la aviación civil. ¿Cuál era uno de los principales problemas? El ruido. Muchas ciudades no autorizaban la ampliación de sus aeródromos temiendo que el ruido molestara a sus vecinos. Por ello la NACA retomó en 1947 los estudios de predicción de ruido de las hélices realizados por el equipo de Theodore Theodorsen a finales de los años 30.
NACA quería integrar estos estudios junto con los realizados con una aeronave real en vuelo y ampliar el estudio del ruido, no solo a la hélice, sino también al ruido aerodinámico del fuselaje o el proveniente del motor, y modificaron una Stinson L-5E Sentinel del ejército para tal fin. A propósito, sí, la Sentinel es la misma que se modificó para lanzar desde un cable suspendido entre botalones, y la misma que podéis ver en vuelo con la Fundación Infante de Orleans.
El estudio, cuyo objetivo era hacer más silenciosos los aviones considerados utilitarios, sería dirigido por A.W. Vogeley.
El ensayo
La hélice es una gran generadora de ruido aerodinámico. Para reducir este ruido se propuso una hélice de madera de cinco palas.
Al ser tantas palas, su inserción en el buje era problemática, siendo su sección muy delgada en el encastre. Por ello hubo que realizar unos análisis estructurales que concluyeron que en su base debería ser metálica. Además las típicas protecciones anti-erosión metálicas del borde de ataque se sustituyeron por otras de goma.
Se ensayaría, por tanto, una hélice bipala de madera de 85 pulgadas (~2160mm) de diámetro contra dos hélices de cinco palas, de 85 y 96 pulgadas (~2440mm), respectivamente..
Además se redujo la velocidad de giro de la hélice. Normalmente las hélices giraban a unas 2500 revoluciones por minuto, acopladas directamente al motor. En la L-5 modificada se instaló una reductora entre el motor y la hélice, haciendo que ésta girara a 1000 rpm. El motor daba su máxima potencia, 210HP a 3000rrm, y la potencia de crucero era de unos 185HP a 2790rpm, por eso se escogió una reducción 2.79:1. Durante las pruebas se encontraría que con esa hélice y la reductora se alcanzaban los 200HP. La adición de la reductora, de las cinco palas y del refuerzo metálico del encastre de las palas harían que el avión fuera un poco pesado de morro.
Además el director del proyecto, Arthur W. Vogelery, escogió a Don D. Davis, Jr. para que se encargara del silenciador. Davis encontró rápidamente que los silenciadores comerciales eran de poca ayuda, por no decir inútiles, así que su equipo desarrolló uno. El silenciador se previó para realizar ensayos a bajas revoluciones, mientras se modificaba el avión para instalar la reductora. Se comprobó que para hacer sus funciones correctamente a más alto número de vueltas, cuando el motor genera más ruido, podía ser de un tamaño mucho más contenido. Por su instalación, como confirmó el piloto de pruebas Stefan A. Cavallo ([-1-] y [-2-]), la cabina era muy calurosa.
Se estableció como nivel objetivo de ruido 65db, el ruido que hacen las personas conversando. El nivel de ruido de la aeronave sin modificar era de entre 90 y 100db.
Resultados de las mediciones de ruido en tierra
Una de las mediciones era con la aeronave en tierra, durante el calentamiento. Se midió la distancia mínima a la que se escucharía desde una casa con el nivel de ruido objetivo. Para la aeronave sin modificar ésta sería de 2000 pies (~600m), mientras que para la aeronave modificada se reducía a unos 200 pies (~60m).
También se realizaron mediciones situando el equipo a una distancia fija de la aeronave, y variando el ángulo respecto al eje longitudinal de la misma. Se encontró que el ruido era relativamente constante, con una variación de 5db, cuyo mínimo se encontraba entre los 60 y los 90 grados.
Resultados de las mediciones de ruido en vuelo
Los ensayos en vuelo se realizaron a 300 pies (~50m) sobre el suelo, pasando directamente a la vertical de los equipos de medición. Las mediciones se realizaron en un rango amplio, que iban desde una velocidad ligeramente superior a la de pérdida hasta la velocidad máxima. Adicionalmente, se realizaron pasadas con el motor al ralentí, en planeo, para verificar cuánto ruido procedía del conjunto hélice-motor y cuánto de la célula de la aeronave.
El piloto de ensayos Cavallo indicaría que el nivel de ruido dentro de cabina era equiparable, tanto con la hélice silenciosa como con la bipala, ya que en su mayoría provenía del ruido aerodinámico del avión así como del motor girando.
Cuando el avión con la hélice bipala y sin silenciador realizó las pasadas a 2790rpm y a máxima potencia, el ruido medido a 300ft fue de unos 89db. Al realizar las mismas pasadas con la hélice de cinco palas y con el silenciador, el resutlado fue de 67db. Con las mediciones al ralentí, observaron que el ruido era de 62db. Concluyeron que, aunque la hélice reducía el ruido considerablemente en tierra, en vuelo éste provenía principalmente del escape, del motor.
Efecto en las prestaciones de la aeronave
El rendimiento del grupo moto-propulsor, grupo hélice-motor, también se comprobó. Se ensayó a dos velocidades, 55 y 130mph, midiéndose la velocidad de giro de la hélice, así como la potencia desarrollada por el motor, el empuje generado por la hélice, y la eficiencia de la misma.
Las prestaciones de la aeronave con la hélice de cinco palas de menor diámetro eran algo inferiores a la de la aeronave con la hélice bipala original. Tenía una mayor carrera de despegue, así como un rendimiento menor. Sin embargo, con la hélice de 96 pulgadas se mejoraron los valores de rendimiento, carrera de despegue, o velocidad de trepada. En cuanto a velocidades máximas, las diferencias entre unas y otras eran de entre una y dos millas por hora, despreciable en la práctica. Los pilotos de ensayos informaron que el avión modificado con la hélice de 96 pulgadas tenía unas características de vuelo iguales o superiores al avión sin modificar, lo que se explica teniendo en cuenta que la potencia disponible era mayor.
Conclusiones
Aunque se llegó a la conclusión de que era posible reducir el ruido generado por una aeronave, el resultado fue un tanto sorprendente, puesto que aunque se empezó el estudio sobre el ruido de la hélice, se concluyó que era mejor actuar sobre el silenciador.
Por ello, tras la finalización del proyecto Quiet Airplane, el equipo se centró en el estudio de los silenciadores (NACA-tn-2943 The Attenuation Characteristics of Four Specially Designed Mufflers Tested on a Practical Engine Setup), presentando sus resultados en distintas industrias, aviación, automoción… con reacciones positivas. Incluso llegaron a decirles que por primera vez el diseño de los silenciadores se basaba en ciencia, en lugar de en magia negra, como reconocería en una entrevista Davis.
Fuentes
- Flying Magazine
- Cave of the winds. Libro de la NASA sobre sus túneles aerodinñamicos
- NACA-TN-1647 Sound Level Measurements of a Light Airplane Modified to Reduce Noise Reaching the Ground
- NACA-report-926 Sound Level Measurements of a Light Airplane Modified to Reduce Noise Reaching the Ground
- Langley Memorial Aeronautical Laboratory «Air Scoop», issue 20 vol. 6 (May, 1947)