Elektrifiering är en viktig pusselbit för framtidens fossilfria flyg. Men elflyget tampas med ett ofrånkomligt dilemma: ju mer energieffektiv en elplanspropeller är, desto mer buller orsakar den. Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola lyckats utveckla en optimeringsmetod för propellerdesign som jämnar ut detta avvägningsproblem och därmed banar väg för ett både tyst och energieffektivt elflyg.
De senaste åren har elektrifiering kommit att beskrivas som en viktig del för att minska utsläppen från framtidens flyg. På grund av begränsningar i räckvidd är det framför allt eldrivna propellerplan för kortare sträckor som är av särskilt intresse, eftersom propellrar kopplade till elmotorer anses vara det mest effektiva framdrivningssystemet för regional- och inrikesflyg.
Men samtidigt genererar planets propellrar en annan typ av utsläpp, nämligen buller. Och oljudet från propellerbladen skulle inte bara orsaka störningar för flygresenärer. Framtidens eldrivna flygplan behöver flyga på relativt låg höjd och ljudstörningar skulle även nå bostadsområden och djurliv.
Kämpar mot problematiskt dilemma
Och det är här som forskarvärlden står inför ett dilemma. Ambitionen att utveckla ett tyst såväl som energieffektivt elflygplan grusas nämligen av en ofrånkomlig kompromiss.
– Vi kan se att ju fler blad en propeller har, desto lägre ljud ger den ifrån sig. Men med färre blad blir framdrivningen effektivare och det eldrivna flygplanet kan flyga längre. I den meningen finns det en ”trade-off” mellan energieffektivitet och buller som står i vägen för elflygplan som är både tysta och effektiva, förklarar Hua-Dong Yao, docent och forskare i strömningslära och marin teknik på Chalmers.
En optimerad design
Men nu kan Hua-Dong Yao och hans forskarkollegor vara ett steg närmare en lösning. De har lyckats extrahera och utforska det buller som uppstår i spetsen av propellerbladen, de så kallade spetsvirvlarna, en tidigare känd men relativt outforskad ljudkälla. Genom att extrahera ljudet kunde forskarna förstå dess roll i förhållande till andra bullerkällor från propellerbladen. När de sedan justerade en rad propellerparametrar, så som antal blad och bladets vinkel och bredd, lyckades forskarna hitta ett sätt att optimera propellerdesignen och därmed också jämna ut trade-off-effekten mellan effektivitet och buller. Metoden, som beskrivs i studien publicerad i tidskriften Aerospace, kan nu användas i designprocessen av tystare propellrar för framtida elflygplan.
– Idag har flygplanspropellrar vanligtvis två till fyra blad, men vi kunde se att genom att använda sex blad som är designade inom vårt optimeringsramverk kan man utveckla en propeller som är både relativt effektiv och tyst. Propellern uppnår upp till 5–8 dBA* brusreducering med endast 3,5 procent reduktion i dragkraft, jämfört med en propeller med tre blad. Brusminskningen kan jämföras med ljudet från någon som pratar med tydlig röst i ett normalt samtal till bruset i ett tyst rum, säger Hua-Dong Yao.
* Till skillnad från vanlig mätning av ljud i decibel (dB) är dBA-ljud är ett uttryck för den relativa ljudstyrkan för frekvenser som uppfattas av det mänskliga örat. A-viktning är också standarden för att fastställa hörselskador och bullerföroreningar. 5–8 dBA motsvarar ungefär 20 dB.
Mer om den vetenskapliga studien:
Artikeln Blade-Tip Vortex Noise Mitigation Traded-Off against Aerodynamic Design for Propellers of Future Electric Aircraft har publicerats i Aerospace. Författarna är Hua-Dong Yao, Zhongjie Huang, Lars Davidson, Jiqiang Niu och Zheng-Wei Chen.
