Rozwój aerodynamiki i technologii nowej generacji sprawia, że przemysł lotniczy ulega rewolucyjnym zmianom. W przyszłości podróże lotnicze mają być bardziej efektywne, zrównoważone i dostępne niż kiedykolwiek wcześniej.
Przemysł lotniczy jest jednym z największych czynników odpowiedzialnych za zmiany klimatyczne i stoi w obliczu rosnącej presji na ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Aby zadbać o środowisko naturalne, lotnictwo musi stać się wydajne i zrównoważone. Fly Net Zero to wspólna inicjatywa linii lotniczych mająca na celu osiągnięcie zerowej emisji netto do 2050 roku. Osiągnięcie tych ambitnych celów wymaga zastosowania innowacyjnych technologii i opracowania rewolucyjnych projektów samolotów.
W tym artykule sprawdzamy, jak branża lotnicza radzi sobie z tymi wyzwaniami. Począwszy od stworzenia nowej infrastruktury i opracowania nowych rozwiązań aerodynamicznych, a skończywszy na zrównoważonym paliwie lotniczym (SAF) i samolotach elektrycznych, branża stara się kształtować wydajną i zrównoważoną przyszłość podróży lotniczych.
Skrzydła zmieniające kształt i struktury adaptacyjne
Sztywna struktura tradycyjnych skrzydeł samolotów ogranicza ich wydajność na różnych etapach lotu. Rozwój nowych technologii sprawia jednak, że możliwe jest zaprojektowanie samolotu, który będzie dynamicznie zmieniał swój kształt w trakcie lotu. Inspirując się zdolnościami adaptacyjnymi ptaków, inżynierowie opracowali skrzydła zmieniające swój kształt, które mogą potencjalnie poprawić wydajność w różnych fazach lotu.
Natura od dawna stanowi źródło inspiracji dla ludzkiej innowacyjności. Niezwykłe zdolności adaptacyjne zwierząt takich jak ptaki, owady i ryby od lat fascynują naukowców. Pomysł tego rodzaju skrzydeł został zainspirowany naturalną zdolnością ptaków do zmiany kształtu ich skrzydeł. Wzorując się na tym, jak ptaki zmieniają kształt skrzydeł podczas różnych manewrów lotu, inżynierowie stworzyli skrzydła, które mogą zmieniać swoją konfigurację w czasie rzeczywistym.
Jak dostosowują się struktury samolotów?
Koncepcja skrzydeł zmieniających kształt obejmuje szereg technik, z których każda została opracowana w celu zapewnienia określonych korzyści aerodynamicznych. Do tych mechanizmów zaliczane są:
- Skręcanie i zginanie – elastyczność skrzydła pozwala na zmianę jego krzywizny, wpływając na siłę nośną i opór w różnych fazach lotu. Umożliwia to płynniejsze starty, bardziej efektywne przeloty i zwiększoną stabilność lądowania.
- Stopy z pamięcią kształtu (SMA) – w konstrukcji skrzydeł wykorzystuje się materiały, które zmieniają kształt pod wpływem temperatury. Zastosowanie stopów SMA ułatwia automatyczną adaptację skrzydeł w odpowiedzi na zmieniające się warunki lotu, optymalizując tym samym osiągi i zużycie paliwa.
- Siłowniki pneumatyczne – wykorzystując ciśnienie powietrza, siłowniki te nadmuchują lub opróżniają określone obszary skrzydeł, aby zmienić ich kształt. Pozwala to na precyzyjne dostosowanie geometrii skrzydła do zróżnicowanych wymagań lotu.
- Polimery elektroaktywne (EAP) – zmieniają swój kształt pod wpływem stymulacji elektrycznej, umożliwiając dostosowanie morfologiczne w czasie rzeczywistym, gdy są zintegrowane ze strukturą skrzydła.
W 2023 r. zespół badawczy Imperial College London rozpoczął projekt, mający na celu ustalenie optymalnej adaptacji skrzydła samolotu w bezpośredniej reakcji na zmieniające się warunki lotu.
Wlot warstwy granicznej (BLI, ang. boundary layer ingestion)
W konwencjonalnym podejściu do projektowania obecnie eksploatowanych statków powietrznych płatowiec i układ napędowy były dotychczas traktowane jako odrębne elementy. Podejście to doprowadziło jednak do sytuacji, w której wydajność napędowa tradycyjnych struktur silników samolotowych zbliża się do maksymalnego poziomu i postęp technologiczny przynosi coraz mniejsze efekty. BLI polega na umieszczeniu silników bliżej kadłuba samolotu, co umożliwia im przechwytywanie i wchłanianie przepływu warstwy granicznej płatowca. Zaletami takiego rozwiązania są lepsza wydajność napędu, mniejszy opór powietrza i większa oszczędność paliwa. Inżynierowie z Centrum Badawczego im. Johna H. Glenna prowadzą testy tego nowego rodzaju napędu w tunelu aerodynamicznym. Badania mogą trwać latami, ale organizacja poinformowała, że będzie kontynuować badania i rozwój technologii BLI w nadchodzących latach.
Obliczeniowa dynamika płynów (CFD)
Obliczeniowa dynamika płynów (CFD), wykorzystująca ogromną moc obliczeniową, jest zaawansowaną technologią, która szczegółowo modeluje i przedstawia dynamiczną interakcję płynów – takich jak powietrze – na powierzchni samolotu. Technologia ta zrewolucjonizowała projektowanie samolotów, analizę napędów i metodologie testowania, dając inżynierom niespotykany dotychczas obraz złożoności aerodynamiki i przepływu powietrza. Szybko stała się kluczowym elementem kolejnej fazy ewolucji aerodynamiki.
CFD polega na rozwiązywaniu skomplikowanych równań matematycznych, które obejmują złożoną fizykę ruchu płynów. Z tych równań powstaje dokładny opis tego, jak powietrze zachowuje się wokół powierzchni samolotu, przy uwzględnieniu zmiennych, takich jak gęstość płynu, prędkość, ciśnienie i lepkość.
Dzięki symulacjom CFD możliwe jest przeanalizowanie niezliczonych scenariuszy bez konieczności tworzenia skomplikowanych fizycznych prototypów. Symulacje CFD zapewniają cyfrową reprezentację interakcji przepływu powietrza poprzez dyskretyzację tych równań na mniejsze części obliczeniowe. Jeden z liderów branży lotniczej i kosmicznej, Airbus, wykorzystuje CFD jako potężne narzędzie umożliwiające zrozumienie aerodynamiki i zmaksymalizowanie wydajności samolotu.
Miejska mobilność powietrzna i pionowzloty
Miejska mobilność powietrzna (MMP) to fascynująca wizja jutra – przyszłości, w której pionowzloty (pojazdy eVTOL), wyposażone w najnowocześniejsze rozwiązania aerodynamiczne, bez trudu przewożą pasażerów i ładunki na terenie miast. Wykorzystując zalety aerodynamiki nowej generacji, technologia MMP może zrewolucjonizować transport miejski, oferując szybszy dojazd do pracy, zmniejszenie natężenia ruchu i bardziej ekologiczny sposób podróżowania. Niemiecka firma Volocopter planuje przejść do historii, przeprowadzając testy swojego samolotu Volocity podczas Igrzysk Olimpijskich w Paryżu w 2024 roku.
Główne parametry MMP:
- Pionowzlot, czyli pionowy start i lądowanie (VTOL) – samoloty MMP wyposażone są w rozwiązania aerodynamiczne, które umożliwiają im pionowy start i lądowanie, eliminując konieczność stosowania konwencjonalnych pasów startowych. Dzięki temu mogą lądować na dachach i innych zatwierdzonych miejskich strefach lądowania.
- Loty krótkodystansowe – samoloty MMP sprawdzają się przede wszystkim w lotach krótkodystansowych na obszarach miejskich i przedmieściach. W przeciwieństwie do transportu naziemnego loty te umożliwiają szybkie połączenia, szczególnie w przypadku dużego natężenia ruchu.
- Napęd elektryczny – napędy elektryczne w samolotach MMP pozwalają na ograniczenie emisji, zmniejszenie zanieczyszczenia hałasem i promowanie ekologicznego transportu miejskiego.
Samoloty MMP są potencjalnym rozwiązaniem problemu zatłoczonych miast, stanowiąc alternatywny środek transportu. Omijając ruch naziemny, skutecznie skracają czas podróży, jednocześnie wpisując się w ogólnoświatowe inicjatywy mające na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla, a wszystko to dzięki wykorzystaniu napędu elektrycznego.
Podróże ponaddźwiękowe
Wraz ze znacznym skróceniem czasu trwania lotów, rozwój lotów naddźwiękowych i hipersonicznych zwiastuje erę transformacji podróży długodystansowych i międzynarodowych. Te innowacje mają potencjał do stworzenia nowych możliwości, a wszystko to napędzane jest przez niezwykłe rozwiązania aerodynamiczne nowej generacji.
Jednodniowe podróże międzykontynentalne?
Loty ponaddźwiękowe charakteryzują się prędkością przekraczającą prędkość dźwięku, która na poziomie morza wynosi około 1235 km/h i zmienia się wraz z temperaturą i wysokością. Godny uwagi przykład podróży naddźwiękowych pojawił się pod koniec XX wieku wraz z kultowym Concordem – samolotem pasażerskim, który stał się zapowiedzią lotów naddźwiękowych. Niestety, problemy operacyjne i finansowe doprowadziły do wycofania samolotu z użytku w 2003 roku. Mimo to, zainteresowanie podróżami naddźwiękowymi przeżywa renesans, podsycając nadzieję na ich powrót – możemy się ich spodziewać już w 2029 roku.
Amerykańskie linie lotnicze Boom Supersonic złożyły zamówienie na 20 ponaddźwiękowych samolotów o nazwie Overture. Ten imponujący 61-metrowy samolot wykorzystuje wyłącznie ekologiczne paliwo lotnicze i może osiągać prędkość do 1,7 Macha (2099 km/h), stając się tym samym najszybszym samolotem komercyjnym na świecie. Przy tak niezwykłej prędkości podróż z Nowego Jorku do Londynu trwałaby zaledwie 3,5 godziny, co jeszcze bardziej uwydatnia potencjał podróży naddźwiękowych w zakresie redefiniowania długodystansowych podróży lotniczych.
Podsumowanie
Aerodynamika nowej generacji, łącząca innowacje i konieczność, ma szanse zmienić sposób, w jaki postrzegamy latanie. Dzięki rozwiązaniom takim jak skrzydła zmieniające kształt i naddźwiękowe loty w przyszłości podróże powietrzne mają szanse stać się szybsze i bardziej wydajne. Tymczasem na drodze tych niezwykłych innowacji wciąż pojawiają się przeszkody. Wykorzystanie potencjału tej zaawansowanej technologii aerodynamicznej wymaga biegłej znajomości złożoności materiałów, przepisów i infrastruktury. Dzięki temu przyszłe rozwiązania będą nie tylko szybsze i bardziej efektywne, ale także bezpieczniejsze i bardziej zrównoważone.
