Aeroacoustic Improvements during Lift-off of Launch Vehicles

Abstract

[ES] La investigación realizada como parte de este doctorado industrial en COMET Ingeniería y la Universitat Politècnica de València aborda el problema crítico de las cargas vibroacústicas durante la fase de despegue de los lanzadores espaciales. Estas son una amenaza para la integridad de la carga de pago. El enfoque es mejorar el comportamiento vibroacústico de los vehículos de lanzamiento mediante el desarrollo de tecnologías de mitigación y una metodología de predicción numérica. Se han identificado dos fases: predecir la generación y propagación del ruido aeroacústico y diseñar sistemas de mitigación del ruido. El objetivo en la predicción aeroacústica es doble: abordar la predicción imprecisa de la carga acústica durante el lanzamiento y comprender los mecanismos que modifican el campo acústico. Las condiciones hostiles de este entorno limitan la medición del ruido emitido por un vehículo de lanzamiento. Por tanto, hemos propuesto un método numérico basado en las mismas ecuaciones para resolver la generación y propagación del ruido con CFD. La primera estrategia que proponemos es un modelo de URANS, que ofrece factibilidad computacional con la capacidad de calcular campos de flujo promediados en conjunto mientras retiene el término transitorio. La segunda estrategia es una LES, que proporciona mayor precisión en un código diseñado para una eficiente computación con GPU. El estudio simula el entorno acústico durante el lanzamiento de un cohete VEGA con ambas estrategias. Los modelos CFD se han validado utilizando datos de lanzamientos reales, demostrando su eficacia en predecir ondas de choque, flujo turbulento y propagación del campo acústico. El estudio también explora el impacto de los deflectores en las cargas acústicas, enfatizando la importancia de la elección y forma del deflector. Además del campo cercano del chorro del cohete, se estudia el campo de presión en la cofia como novedad en este trabajo. Para la mitigación del ruido, la investigación se centra en metamateriales acústicos basados en resonadores de Helmholtz. Esta solución puede proporcionar una absorción casi perfecta dentro de la gama de sub-longitudes de onda y es totalmente sintonizable. El enfoque propuesto se basa en dos etapas para reducir el campo acústico que ingresa a la cofia. En primer lugar, se reduce el ruido en el camino de propagación en la plataforma, lo que disminuye el ruido de banda ancha hacia la cofia. En segundo lugar, se aumenta la TL de la carcasa de la cofia, lo que reduce el SPL que ingresa, y se maximiza la absorción interna para atenuar la reverberación. Se han realizado tres diseños de metamateriales: RTA para la plataforma de lanzamiento, SRA para el carenado y CHAR para aplicaciones multifuncionales en el carenado. Campañas experimentales validan la eficacia de estos metamateriales en la reducción del ruido, con logros destacados en coeficientes de absorción y pérdida de transmisión. La combinación de RTA y SRA en el lanzador VEGA resulta en una reducción del OASPL de 7.8 dB. Además, el CHAR ha sido diseñado para incorporar resonadores de Helmholtz en la estructura compuesta tipo sándwich de la cofia, con el objetivo de mejorar tanto las propiedades estructurales como la absorción de energía acústica al tiempo que proporciona un material ligero. Se exploran dos tipos de núcleos, siendo el diseño hexagonal el más eficiente en términos de masa y rendimiento estructural. Los hallazgos presentan una técnica innovadora de dos etapas para disminuir las cargas acústicas que llegan al carenado durante el despegue, reduciendo el riesgo de fallas técnicas. La solución propuesta supera a los materiales existentes de reducción de ruido, ofreciendo opciones de diseño personalizables adaptadas a entornos acústicos específicos. Además, los metamateriales exhiben una capacidad única para una absorción casi perfecta en frecuencias específicas, mostrando su potencial para aplicaciones prácticas en la industria aeroespacial.

[CA] La investigació realitzada com a part d'este doctorat industrial en *COMET Enginyeria i la Universitat Politècnica de València aborda el problema crític de les càrregues *vibroacústicas durant la fase d'enlairament dels llançadors espacials. Estes són una amenaça per a la integritat de la càrrega de pagament. L'enfocament és millorar el comportament *vibroacústico dels vehicles de llançament mitjançant el desenvolupament de tecnologies de mitigació i una metodologia de predicció numèrica. S'han identificat dos fases: predir la generació i propagació del soroll *aeroacústico i dissenyar sistemes de mitigació del soroll. L'objectiu en la predicció *aeroacústica és doble: abordar la predicció imprecisa de la càrrega acústica durant el llançament i comprendre els mecanismes que modifiquen el camp acústic. Les condicions hostils d'este entorn limiten el mesurament del soroll emés per un vehicle de llançament. Per tant, hem proposat un mètode numèric basat en les mateixes equacions per a resoldre la generació i propagació del soroll amb *CFD. La primera estratègia que proposem és un model de *URANS, que oferix factibilitat computacional amb la capacitat de calcular camps de flux fets una mitjana d'en conjunt mentres reté el terme transitori. La segona estratègia és una ELS, que proporciona major precisió en un codi dissenyat per a una eficient computació amb *GPU. L'estudi simula l'entorn acústic durant el llançament d'un coet VEGA amb totes dues estratègies. Els models *CFD s'han validat utilitzant dades de llançaments reals, demostrant la seua eficàcia a predir ones de xoc, flux turbulent i propagació del camp acústic. L'estudi també explora l'impacte dels deflectors en les càrregues acústiques, emfatitzant la importància de l'elecció i forma del deflector. A més del camp pròxim del doll del coet, s'estudia el camp de pressió en la còfia com a novetat en este treball. Per a la mitigació del soroll, la investigació se centra en *metamateriales acústics basats en ressonadors de *Helmholtz. Esta solució pot proporcionar una absorció quasi perfecta dins de la gamma de *sub-longituds d'ona i és totalment sintonitzable. L'enfocament proposat es basa en dos etapes per a reduir el camp acústic que ingressa a la còfia. En primer lloc, es reduïx el soroll en el camí de propagació en la plataforma, la qual cosa disminuïx el soroll de banda ampla cap a la còfia. En segon lloc, s'augmenta la *TL de la carcassa de la còfia, la qual cosa reduïx el *SPL que ingressa, i es maximitza l'absorció interna per a atenuar la reverberació. S'han realitzat tres dissenys de *metamateriales: *RTA per a la plataforma de llançament, *SRA per al carenat i *CHAR per a aplicacions multifuncionals en el carenat. Campanyes experimentals validen l'eficàcia d'estos *metamateriales en la reducció del soroll, amb assoliments destacats en coeficients d'absorció i pèrdua de transmissió. La combinació de *RTA i *SRA en el llançador VEGA resulta en una reducció del *OASPL de 7.8 dB. A més, el *CHAR ha sigut dissenyat per a incorporar ressonadors de *Helmholtz en l'estructura composta tipus sàndwitx de la còfia, amb l'objectiu de millorar tant les propietats estructurals com l'absorció d'energia acústica al mateix temps que proporciona un material lleuger. S'exploren dos tipus de nuclis, sent el disseny hexagonal el més eficient en termes de massa i rendiment estructural. Les troballes presenten una tècnica innovadora de dos etapes per a disminuir les càrregues acústiques que arriben al carenat durant l'enlairament, reduint el risc de falles tècniques. La solució proposada supera als materials existents de reducció de soroll, oferint opcions de disseny personalitzables adaptades a entorns acústics específics. A més, els *metamateriales exhibixen una capacitat única per a una absorció quasi perfecta en freqüències específiques, mostrant el seu potencial per a aplicacions pràctiques en la indústria aeroespacial.

[EN] The research carried out as part of this industrial doctorate at COMET Ingeniería and the Universitat Politècnica de València addresses the critical problem of vibro-acoustic loads during the liftoff phase of space launchers. These are a threat to the integrity of the payload. The approach is to improve the vibroacoustic behaviour of launch vehicles by developing mitigation technologies and a numerical prediction methodology. Two phases have been identified: predicting the generation and propagation of aeroacoustic noise and designing noise mitigation systems. The objective in aeroacoustic prediction is twofold: to address the inaccurate prediction of the acoustic load during launch and to understand the mechanisms that modify the acoustic field. The hostile conditions of this environment limit the measurement of the noise emitted by a launch vehicle. Therefore, we have proposed a numerical method based on the same equations to solve the noise generation and propagation with CFD. The first strategy we propose is a URANS model, which offers computational feasibility with the ability to compute ensemble-averaged flow fields while retaining the transient term. The second strategy is an LES, which provides higher accuracy in a code designed for efficient GPU computing. The study simulates the acoustic environment during the launch of a VEGA rocket with both strategies. The CFD models have been validated using data from real launches, demonstrating their effectiveness in predicting shock waves, turbulent flow and acoustic field propagation. The study also explores the impact of baffles on acoustic loads, emphasising the importance of baffle choice and shape. In addition to the near-field of the rocket jet, the pressure field in the cowling is studied as a novelty in this work. For noise mitigation, the research focuses on acoustic metamaterials based on Helmholtz resonators. This solution can provide near-perfect absorption within the sub-wavelength range and is fully tunable. The proposed approach is based on two steps to reduce the acoustic field entering the coping. First, the noise in the propagation path on the platform is reduced, which decreases the broadband noise towards the coping. Secondly, the TL of the coping shell is increased, which reduces the incoming SPL, and internal absorption is maximised to attenuate reverberation. Three metamaterial designs have been realised: RTA for the launch pad, SRA for the fairing and CHAR for multifunctional applications in the fairing. Experimental campaigns validate the effectiveness of these metamaterials in noise reduction, with outstanding achievements in absorption coefficients and transmission loss. The combination of RTA and SRA in the VEGA launcher results in an OASPL reduction of 7.8 dB. In addition, CHAR has been designed to incorporate Helmholtz resonators into the sandwich composite structure of the shell, with the aim of improving both structural properties and acoustic energy absorption while providing a lightweight material. Two types of cores are explored, with the hexagonal design being the most efficient in terms of mass and structural performance. The findings present an innovative two-stage technique to decrease the acoustic loads reaching the fairing during take-off, reducing the risk of technical failure. The proposed solution outperforms existing noise reduction materials, offering customisable design options tailored to specific acoustic environments. In addition, the metamaterials exhibit a unique capability for near-perfect absorption at specific frequencies, showing their potential for practical applications in the aerospace industry.